四轮轮毂电机独立驱动电动汽车的振动特性分析

第３７卷第５期　２０１５年１Ｏ月　三峡大学学报（自然科学版）　Ｊ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．３７　ＮＯ．５　

Ｏｃｔ．２０１５　

ＤＯＩ：１０．１３３９３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１６７２—９４８Ｘ．２０１５．０５．０２２　

四轮轮毂电机独立驱动电动汽车的振动特性分析　杨蔚华　方子帆何孔德　（三峡大学机械与动力学院，湖北宜昌４４３００２）　

摘要：以四轮轮毂电机独立驱动电动汽车为研究对象，为全面分析轮毂电机引起的垂向振动负效　应，建立了电动轮车整车振动系统的动力学模型，在Ｍａｔｌａｂ软件平台下，采用模拟的随机路面谱　作为整车四轮路面输入，对电动轮车的行驶平顺性进行仿真和评价，分析比较了轮胎刚度、悬架阻　尼和轮毂电机质量等系统参数对平顺性的影响，为后续轮毂电机的设计和垂直振动控制策略提供　参考．　关键词：四轮独立驱动；　轮毂电机；　电动汽车；　动力学模型；　平顺性　中图分类号：ＴＰ２７３：Ｕ４６９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９４８Ｘ（２ＯＩ５）０５－００９６—０５　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗｉｔｈ　４　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｉｎ—ｗｈｅｅｌ　Ｍｏｔｏｒｓ　Ｙａｎｇ　Ｗｅｉｈｕａ　Ｆａｎｇ　Ｚｉｆａｎ　Ｈｅ　Ｋｏｎｇｄｅ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｕｎｉｖ．，Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３００２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗｉｔｈ　４　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　ｄｒｉｖｅｎ　ｉｎ～ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒｓ　ａｓ　ｓｔｕｄｙ　ｏｂｊ　ｅｃｔ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｈｉｇｈ　ｕｎｓｐｒｕｎｇ　ｍａｓｓ　ｏｆ　ｉｎ—ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｗｈｏｌｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ：ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｒｉｄｅ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｕｓｉｎｇ　ｒａｎｄｏｍ　ｒｏａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｓ　ｆｏｕｒ　ｗｈｅｅｌｓ　ｒｏａｄ　ｅｘｃｉｔｏｒｙ　ｉｎ—　ｐｕｔ：ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｐｒｉｎｇ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｄａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｎ—ｓｐｒｕｎｇ　ｍａｓｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｉｄｅ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ｍｏ—　ｔｏｒｉｚｅｄ　ｗｈｅｅｌ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎ—ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｄｒｉｖｅ；　ｉｎ—ｗｈｅｅｌ　ｍｏｔｏｒ；　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ；　ｒｉｄｅ　ｃｏｒｎ—　ｆｏｒｔ　

近些年来，迫于节能与环保压力，电动汽车正成　为全球汽车工业研发的焦点，其中，电动轮驱动电动　汽车备受关注，电动轮是将轮毂电机、传动和制动装　置都整合到车轮内，车轮由电机直接驱动．该类车型　在底盘结构、传动效率、动力性能和操控性能等方面　都有独特的优势＿ｊ］，是最具有发展潜力的技术之一，　也是现阶段电动汽车研究的热点和难点之一．作为电　动轮的核心部分一轮毂电机的引人，将显著增加非簧　载质量，从而使整车平顺性、轮胎接地性和道路友好　性下降，这也影响了该类电动汽车的推广和普及．本　文以某新型四轮独立驱动电动轮样车ｒ２　为研究对象，　通过建立整车振动模型以及在随机路面激励下的振　动特性分析，研究系统参数对振动响应的影响，以期　利用设计初期的车辆参数对该车型的平顺性进行预　测和评估，从而减少样车开发成本，并为电动轮的设　计和整车振动控制策略提供参考．　

收稿日期：２０１４—０９—１６　基金项目：湖北省教育厅重点项目（Ｄ２０１４１２０２）；湖北省科学技术厅自然科学基金重点项目（２０１３ＣＦＡ１３２）　通信作者：杨蔚华（１９７５一），女，副教授，博士研究生，主要研究方向为机械系统动态设计．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｗｈｕａｃｔｇｕ＠１２６．ｃｏｍ　９８　三峡大学学报（自然科学版）　２　四轮路面输入模型的建立　如图４所示．　

根据ＧＢ／Ｔ４９７０—１９９６《汽车平顺性随机输入行　驶试验方法》的要求，对整车进行随机路面输入仿真　分析，并对该车的平顺性进行评价．考虑到新型电动　轮汽车的产品定位为城市市区或城郊的短途通行车　辆，因此选取行驶路面不平度８级分类标准中的Ｂ级　路面作为参照，仿真车速取为４０　ｋｍ／ｈ，采用空间频　率功率谱密度函数和相应的时域表达式来描述汽车　振动系统的随机等级路面输入［４］．根据随机振动理　论，代入路面水平位移与车速的微分关系，把空间频　率函数换算为时间频率函数，可得路面不平度位移时　域表达式如下：　乏　（　）一一２ｎｎ　（　）＋２ｎｎｏ￣／—Ｇｑ（ｎ—ｏ）ｖｗ（　）（１）　其中，Ｇ。（　。）为路面不平度系数，根据路面等级的不　同取不同的值，Ｂ级路面时为６４×１０一，　一０．０１　（ｍ　）为路面空间下截止频率；　为车速；　。为参考　空间频率，通常，２。一０．１ｍ一；ｗ（ｔ）为白噪声［４］．在　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立前左轮随机路面输入模型，　如图３所示．　

图３前左轮随机等级路面输入模型　汽车在硬路面上直线行驶时，后轮的路面输入轨　迹与前轮的路面输入轨迹是相同的，只是时间上存在　一定的滞后，而左右两车轮的输入则还需考虑左右车　轮轮距的相关性ｒ５］．汽车以恒定车速行驶时，前后车　轮的滞后时间为轮距与汽车行驶速度的比值．设前左　车轮的路面输入为　，前右车轮的路面输入为　，　后左车轮的路面输入为ｚ　，后右车轮的路面输入为　

，车速为　，路面位移为ｓ，前后车轮的轮距为Ｌ，左　右车轮的轮距为Ｗ，输入信号延迟时间为ｒ，则汽车前　后左右四轮路面输人的关系如下：　

ｒｒ】（　）＝＝ｚ　ｒｆＩ（ｔ—ｒ）　Ｌ　（２）　

根据前后左右四轮路面输入的关系式（２）和图３　仿真得到的前左轮随机路面输入位移曲线可以得到　车速为４０　ｋｍ／ｈ时的整车四轮Ｂ级随机路面输入谱　

鲁　癌　

海　螺　∞　

图４　电动轮整车四轮随机路面输入谱　３整车平顺性仿真分析　在进行电动轮车平顺性仿真和评价时，不单单要　考虑整车行驶平顺性，还要考虑操纵稳定性及行驶安　全性．因此在考虑车身振动的同时，还要考虑悬架　１一　作空间的约束、车轮和路面的附着状况，因此，最终选　取车身３个方向的振动加速度、悬架动行程和轮胎动　位移等５个方面的指标作为平顺性评价标准．在路况　和载荷一定的条件下，电动轮车的上述振动特性指标　主要受非簧载质量、悬架阻尼和轮胎刚度等系统参数　的影响．分析对象为四轮独立驱动前轮转向的电动轮　车．４个轮毂电机分别直接驱动４个车轮，铅酸蓄电　池通过含驱动电路的电机控制器给轮毂电机供电．车　辆参数说明及仿真中所用数据见表１，车辆参数数据　参考文献［２］和［６］．为了分析各个参数对平顺性的影　响关系，根据七自由度车辆模型和振动理论，利用　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具和编写程序代码对整车系统进　行仿真分析．仿真时，路面激励采用上述得到的Ｂ级　随机四轮路面输入谱，取仿真时间为１０　ｓ，采样时间　间隔为０．００５　Ｓ，状态空间模型采用四阶Ｒｕｎｇ—Ｋｕｔｔｅｒ　算法求解．　表１　四轮轮毂电机独立驱动电动汽车振动系统参数　参数　数值　车身（簧载质量）ｍ　／ｋｇ　电动轮（非簧载质量）ｍ　／ｋｇ　车身绕其质心纵轴的转动惯量，　／（ｋｇ・ｍ。）　车身绕其质心横轴的转动惯量　／（ｋｇ・ｍ。）　轮距Ｗ／ｍ　前、后轮距（Ｗ／２）／ｍ　车身质心至前轴距离ｚ　／ｍ　车身质心至后轴距离ｌｚ／ｍ　悬架刚度ｋ　／（Ｎ・ｍ　）　前、后悬架减震器阻尼系数Ｃ　／（Ｎ・Ｓ・ＩＴＩ　）　轮胎刚度　／（Ｎ・ｍ　）　第３７卷第５期　杨蔚华，等　四轮轮毂电机独立驱动电动汽车的振动特性分析　９９　３．１　轮胎刚度变化对平顺性的影响分析　由于电动轮系统的核心部分轮毂电机安装在轮　毂内部，因此，相对于传统车轮，电动轮的轮胎和轮辋　尺寸要有所调整，进而导致轮胎的刚度发生变化．但轮　胎尺寸的变化对其刚度的影响难以定量地表达．为便　于分析，在保持其它参数不变的情况下，分别选取原电　动轮胎刚度的０．５、０．８、１．０、１．５和２．０倍进行仿真计　算，各评价指标的幅频响应结果如图５（ａ）～（ｅ）所示．　

ｅｑｕｎｃｙ　Ｆ　ｒｅｑｕｎｃｙ　（ｄ）轮胎刚度对轮胎动位移的影响　（ｅ）轮胎刚度对悬架动行程的影响　

图５轮胎刚度变化对平顺性的影响　由图５（ａ）～（ｃ）可以看出，在低频共振区，随着轮　且悬架动行程的幅值也会增加，因此，相对较大的轮　胎刚度的提高，车身３个方向的加速度的幅值变化并　胎刚度会导致汽车的平顺性下降．　不大，但随着轮胎刚度的增加，使得高频共振点向高　３．２悬架阻尼变化对平顺性的影响分析　频方向移动，并且高频共振点的峰值都增大；由图５　保持悬架其它原有参数不变，分别采用原减振器　（ｄ）～（ｅ）可以看出对于轮胎动位移，增加轮胎刚度可　阻尼系数的０．５、０．８、１．０、１．５和２．０倍阻尼进行仿　以抑制低频振动，但同样会增加高频振动的幅值，而　真，幅频响应的分析结果如图６（ａ）～（ｅ）所示．　

Ｆｍｑｕｎｃｙ　Ｆｒｅｑｕｎｅｙ　Ｆｍｑｕｎｅｙ　（ａ）减振器阻尼对车身垂向加速度的影响　（ｂ）减振器阻尼对车身俯仰角加速度的影响　（ｃ）减振器阻尼对车身侧倾角加速度的影响　

Ｆ　ｒｅｑｕｎｃｙ　Ｆｍｑｕｎｃｙ　（ｄ）减振器阻尼对轮胎动位移的影响　（ｅ）减振器阻尼对悬架动行程的影响　

图６悬架阻尼变化对平顺性的影响