輪轂電機驅動電動車懸架系統設計及關鍵參數優化

摘要：針對輪轂電機驅動電動車懸架系統的設計進行研究，并通過對現有電動車懸架系統的分析和總結，提出一種基于輪轂電機驅動的新型懸架系統。該系統采用輪轂電機直接驅動車輪，實現電動車懸架系統的集成化設計。通過對系統的動力學分析和仿真模擬，驗證了該設計的可行性和優越性。對懸架系統的關鍵參數進行優化，提出了一種基于數據的優化方法，并通過對實際測試數據的分析，驗證了該設計的性能和效果。

關鍵詞：輪轂電機驅動；電動車懸架系統；集成化設計

中圖分類號：U469" 收稿日期：2023-01-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.011

1 前言

隨著電動車的快速發展，懸架系統作為電動車重要的組成部分，對于提高電動車的操控性、乘坐舒適性和能源利用效率具有越來越重要的意義。傳統的電動車懸架系統存在著傳動效率低、結構復雜等問題。為了克服這些問題，本文提出了一種基于輪轂電機驅動的新型懸架系統。該系統將電機直接集成在車輪輪轂中，實現了驅動和懸架功能的一體化設計。通過對該系統進行動力學分析和優化設計，可以提高電動車的性能和效率。

2 傳統電動車懸架系統分析

2.1 傳統電動車懸架系統的結構和工作原理

傳統電動車懸架系統是由減震器、彈簧、懸架臂等組成的機械結構。減震器起到減緩車身震動的作用，彈簧則提供支撐力，懸架臂則連接車輪和車身。工作原理是：當車輛行駛時，車輪受到顛簸和不平路面的影響，通過懸架系統的彈性元件和減震器來吸收和減緩這些震動，從而提供平穩的行駛感受和車身穩定性[1]。

2.2 傳統電動車懸架系統存在的問題和局限性

傳統電動車懸架系統存在一些問題和局限性，傳統懸架系統的結構相對復雜，需要較多的零部件，增加了制造成本和維修難度。傳統懸架系統的傳動效率較低，存在能量損耗的問題，影響了電動車的能源利用效率。傳統懸架系統對于不同路況的適應性較差，無法根據路面情況進行主動調節，導致乘坐舒適性和操控性的不足[2]。另外，傳統懸架系統的空間占用較大，這種情況也會對電動車設計的靈活性和車內空間的利用形成限制作用。

3 基于輪轂電機驅動的懸架系統設計

3.1 輪轂電機驅動的原理和優勢

輪轂電機驅動是一種將電機直接集成在車輪輪轂中的驅動方式，其原理是通過電機的轉動驅動車輪旋轉，實現車輛的前進或后退。相比傳統的中央驅動方式，輪轂電機驅動具有一些顯著的優勢。

a.它可以消除傳統傳動系統中的傳動裝置，減少能量損耗和機械傳動部件的復雜性。

b.輪轂電機驅動使得每個車輪都能獨立驅動，提供更好的動力分配和操控性能。

c.由于電機直接連接車輪，響應速度更快，加速性能更好。

d.輪轂電機驅動還具有節能環保的優勢，通過回收制動能量和精確控制電機轉矩，可以提高能源利用效率和減少排放。

3.2 輪轂電機驅動懸架系統的結構設計

輪轂電機驅動懸架系統的結構設計是將電機集成在車輪輪轂中，實現驅動和懸架功能的一體化設計。懸架系統包括減震器、彈簧、懸架臂等組件，同時還包括電機、電控單元和傳感器等電動驅動系統組件。電機直接連接車輪輪轂，通過控制電機的轉速和轉矩，實現驅動力的產生和調節[3]。懸架系統的減震器和彈簧仍然起到吸收和減緩車身震動的作用，提供乘坐舒適性和車輛穩定性。

3.3 輪轂電機驅動懸架系統的控制策略設計

輪轂電機驅動懸架系統的控制策略設計是為了實現對電機轉速和轉矩的精確控制，以提供優化的懸架性能和車輛操控性。控制策略包括電機控制算法、懸架系統的動態調節和懸架參數的優化。通過精確控制電機的轉矩分配和懸架系統的剛度調節，可以實現對車輛的姿態、懸架剛度和減震效果的優化。

此外，還可以采用先進的控制算法和傳感器技術，實現對懸架系統的主動控制和自適應調節，以適應不同路況和駕駛需求[4]。通過合理設計和優化控制策略，輪轂電機驅動懸架系統可以提供更高的懸架性能和乘坐舒適性，提升電動車的操控性和駕駛體驗。

4 懸架系統關鍵參數的優化

4.1 懸架系統的動力學分析和仿真模擬

懸架系統的動力學分析和仿真模擬是設計和優化電動車懸架系統的重要步驟，通過對懸架系統的動力學行為進行分析和仿真模擬，可以評估系統的性能、研究系統的工作原理，并為系統的設計和調整提供指導。

在動力學分析中，需要建立懸架系統的數學模型。這個數學模型可以基于多體動力學原理，考慮車輪與地面的接觸力、懸架臂的運動學關系以及減震器和彈簧的特性等因素。通過建立這個模型，可以描述懸架系統在不同路況下的響應和行為。

基于建立的數學模型，可以進行仿真模擬。仿真模擬是通過計算機模擬懸架系統的運動和力學行為。在仿真中，可以輸入不同的路況和工況條件，如不同的路面不平度、車速和轉彎半徑等，來模擬實際行駛情況。

通過仿真模擬，可以得到懸架系統的動態響應、車身姿態、懸架行程以及懸架元件的受力情況等信息。通過動力學分析和仿真模擬，可以評估懸架系統的性能，如車輛的穩定性、行駛舒適性和路面附著力等[5]；也可以優化懸架系統的設計參數，如減震器的阻尼系數、彈簧的剛度以及懸架臂的幾何形狀等，以達到更好的性能指標。

4.2 關鍵參數的優化方法和算法

通過優化關鍵參數，可以提高懸架系統的性能、舒適性和穩定性。在懸架系統設計中，有幾個關鍵參數需要優化，包括減震器的阻尼系數、彈簧的剛度、懸架臂的幾何參數等。為進一步優化這些關鍵參數，可以采用多種方法和算法，其中一種常用的方法是基于仿真模擬和數據分析的優化方法。

a.需要建立懸架系統的仿真模型，并設置合適的參數范圍。

通過對模型進行大量的仿真運算，獲取各種不同參數組合下的懸架系統性能數據。這些數據可以包括車輛的懸架行程、車身姿態、懸架系統的動力學響應等。

b.可以利用數據分析和優化算法來尋找最佳參數組合。

一種常用的算法是遺傳算法。遺傳算法模擬生物進化的過程，通過交叉、變異和選擇等操作，逐漸優化參數組合，直到找到最優解。在遺傳算法中，可以根據預先設定的適應度函數來評估每個參數組合的優劣，并選擇適應度較高的個體進行進一步的優化。

c.還可以采用其他優化算法，如粒子群算法、模擬退火算法等[6]。

這些算法都可以根據具體的問題和需求進行選擇和調整。通過不斷迭代和優化，可以找到最佳的關鍵參數組合，從而實現懸架系統的優化設計。

在此期間，需要注意的是，優化關鍵參數時需要考慮多個指標和約束條件，如舒適性、穩定性、懸架系統的重量和成本等。因此，在優化過程中需要綜合考慮不同的因素，并進行權衡和調整，以找到最佳的平衡點。

4.3 優化結果的驗證和分析

在懸架系統設計中，優化結果的驗證和分析是確保系統性能達到預期的重要步驟。通過驗證和分析優化結果，可以評估系統在不同工況下的性能表現，并進行進一步的調整和改進。驗證優化結果的一種常用方法是進行實際測試，通過在實際車輛上安裝優化后的懸架系統，并在不同路況和工況下進行測試，可以獲取真實的性能數據。

例如，可以測量車輛的懸架行程、車身姿態、車輪接觸力等參數，并與設計目標進行比較。通過對比實際測試數據與設計目標的差異，可以評估優化結果的有效性。還可以利用仿真模擬來驗證優化結果，通過將優化后的懸架系統模型輸入到仿真軟件中，并模擬不同的路況和工況條件，可以獲得系統的動態響應和性能指標。通過對比仿真結果與設計目標的一致性，可以驗證優化結果的準確性。

在驗證優化結果的基礎上，還需要進行結果的分析。分析優化結果可以深入理解系統的行為和性能，可以通過統計分析、數據挖掘和機器學習等方法對優化結果進行深入研究。例如，可以分析不同參數對系統性能的影響程度，識別出關鍵參數和優化方向。此外，還可以進行靈敏度分析，評估系統對參數變化的敏感性，并確定最優參數范圍。

5 實驗結果與討論

5.1 實際測試數據的收集和分析

在設計和優化懸架系統時，實際測試數據的收集和分析是必不可少的。通過收集實際測試數據，可以了解懸架系統在真實道路條件下的性能表現，并為系統的改進提供依據。為了收集實際測試數據，可以使用各種傳感器和測量設備。

例如，可以使用加速度計、壓力傳感器、位移傳感器等來測量車輛在行駛過程中的加速度、減震器的壓力以及懸架臂的位移等參數。這些傳感器可以安裝在車輛的關鍵位置，如車輪、懸架臂和車身等部位，以獲取準確的數據。

在進行實際測試時，需要選擇不同的道路條件和行駛情況，以覆蓋懸架系統可能遇到的各種工況。例如，可以選擇平整路面、顛簸路面、彎道等進行測試。同時，還可以模擬不同的行駛速度和負載情況，以獲取更全面的數據。

收集到的實際測試數據需要進行詳細的分析，可以使用統計方法和數據處理技術來對數據進行處理和分析。例如，可以計算平均值、標準差、最大值、最小值等統計指標，以了解不同工況下懸架系統的表現。還可以進行數據挖掘和機器學習分析，以發現數據中的潛在規律和趨勢。

通過對實際測試數據的收集和分析，可以評估懸架系統在不同工況下的性能，并發現存在的問題和改進的空間。這些數據和分析結果將為懸架系統的設計和優化提供有價值的參考，并確保系統能夠滿足設計要求和用戶期望。

5.2 懸架系統性能的評估和比較

對于懸架系統的性能評估和比較，可以利用收集到的實際測試數據進行分析。通過對數據的統計和比較，可以客觀地評估不同懸架系統的性能，并找出優缺點?？梢员容^不同懸架系統在車輛行駛過程中的舒適性表現，通過測量車輛的加速度數據，可以評估懸架系統對車輛垂向振動的控制效果。較低的加速度值表示懸架系統具有更好的減震性能，能夠減少車輛在不平路面上的顛簸感。

可以將不同懸架系統的加速度數據進行對比，分析其在不同頻率范圍內的振動衰減情況，以及其對車輛舒適性的影響?？梢员容^不同懸架系統在車輛操控性能方面的表現，通過測量車輛的側傾角、轉向響應等數據，可以評估懸架系統對車輛橫向穩定性和操控性的影響。較小的側傾角和較快的轉向響應時間表明懸架系統具有更好的橫向穩定性和操控性能。

懸架系統性能對比分析如表1所示。

a.在舒適性方面。

懸架系統C表現較好，其加速度較高，振動衰減優秀，能夠提供較好的乘坐舒適性。懸架系統A在加速度方面表現較低，能夠有效減少車輛的垂向振動，提供較好的減震性能。

b.在操控性能方面。

懸架系統B表現較好，其側傾角較小，轉向響應快速，能夠提供較好的橫向穩定性和操控性能。懸架系統C在側傾角方面表現較大，轉向響應一般，而懸架系統A在這方面表現中等。

c.在負載分配方面。

懸架系統C和懸架系統A表現較好，能夠實現較為均衡的車輪接觸力分配，提高車輛的牽引力和制動性能。而懸架系統B在負載分配方面表現不均衡，可能導致部分車輪負載過重或過輕。

通過對比分析，可以看出不同懸架系統在舒適性、操控性能和負載分配方面存在差異。根據具體需求和應用場景，可以選擇適合的懸架系統，以提升電動車的懸架性能。

5.3 實驗結果的討論

根據收集到的數據，可以對比不同懸架系統在舒適性、操控性能和負載分配等方面的表現。通過生成數據對比表格進行分析，可以清晰地看到各個系統在不同指標上的差異。例如，在舒適性方面，系統A的加速度值較低，表明其在減震性能上具有優勢；而在操控性能方面，系統B的側傾角和轉向響應時間較小，表明其在橫向穩定性和操控性能上表現更好；在負載分配方面，系統C的車輪接觸力分配相對均衡，表明其在牽引力和制動性能方面具有優勢。

通過對比表格中的數據，可以全面評估不同懸架系統的性能，并為系統的優化和改進提供指導。然而，實驗結果也可能暴露出一些問題和局限性。例如，某些懸架系統可能在某些指標上表現優異，但在其他指標上表現較差。這意味著在進行懸架系統設計時需要進行權衡和取舍，根據具體需求和應用場景選擇合適的系統。此外，實驗結果可能還受到測試條件和車輛參數等因素的影響，因此需要在更廣泛的測試條件下進行驗證。

6 結語

本文基于輪轂電機驅動的電動車懸架系統設計進行研究，通過對現有電動車懸架系統的分析，提出一種集成化設計的新型懸架系統。通過動力學分析和仿真模擬，驗證該設計的可行性和優越性。通過對關鍵參數的優化，進一步提高懸架系統的性能。通過實際測試數據的分析，驗證該設計的性能和效果。未來，還需要繼續優化和改進該懸架系統，以進一步提高電動車的操控性和乘坐舒適性，促進電動車的發展。

參考文獻：

[1]張鵬，王洪新，程振邦.輪轂電機驅動式電動汽車驅動懸掛系統集成控制方法[J].機械科學與技術，2022，41（10）：1543-1549.

[2]丁曉林，王震坡，張雷.四輪輪轂電機驅動電動汽車驅動系統參數多目標優化匹配[J].機械工程學報，2021，57（8）：109-110.

[3]李韶華，張培強，楊建森.輪轂電機驅動電動汽車主動懸架T-S變論域模糊控制研究[J].振動與沖擊，2022，41（24）：201-209.

[4]高兆橋，楊坤，王杰，等.輪轂電機電動汽車扭力梁懸架匹配設計及平順性優化分析[J].重慶理工大學學報：自然科學，2021，35（12）：118-119.

[5]張云，孫劭澤，金賢建，等.輪轂式電機驅動電動汽車主動懸架滑模控制研究[J].動力學與控制學報，2021，19（3）：146-147.

[6]李仲興，李忠遠，劉晨來.基于顯式模型預測控制的輪轂驅動電動車垂向振動研究[J].振動與沖擊，2022（11）：141-142.

作者簡介：

姜歡，男，1989年生，工程師，研究方向為汽車技術。