电动车辆轮毂电机减振系统设计与分析

魏亚鹏，吴胜涛，马　英，秦鹏鹏，李浩冉，张汉召

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061）

电动车辆轮毂电机减振系统设计与分析

魏亚鹏，吴胜涛，马英，秦鹏鹏，李浩冉，张汉召

（郑州宇通客车股份有限公司，郑州450061）

为消除轮毂电机造成电动汽车非簧载质量增加而使车辆平顺性和安全性降低的影响，根据质量转移的方法，在电动轮内安装弹簧阻尼减振系统将轮毂电机质量变成吸振器，建立11自由度电动轮车辆整车动力学模型，并对模型进行仿真分析。结果表明，轮毂电机减振系统在满足轮毂电机垂向跳动要求的基础上，可以消除轮毂电机刚性与车轮连接给车辆带来的垂向负效应问题。

轮毂电机；电动汽车；减振系统；设计分析

随着电动客车的研究和发展，轮毂电机在客车上为实现车辆低地板化、大过道宽度等方面具有明显优势。如2013年比利时车展上的依维柯就使用米其林的轮毂电机实现四轴驱动。轮毂电机驱动电动车能够实现车辆各轮独立转矩或转速控制，提高车辆的操纵稳定性。目前轮毂驱动车辆控制系统的研究主要集中在纯电动轿车的横摆控制和牵引力控制，电动车辆横摆稳定性［1-3］通过控制驱动电机来控制电动汽车横摆运动行为；牵引力控制系统［4-6］通过电机力矩控制车轮滑移率，保证车轮不打滑，而加速时确保能够充分地控制车辆。轮毂电机驱动车辆有极好的动力学控制功能，便于扁平式车架设计和车身造型设计，空间利用率高［7］。为使轮毂电机在大中型客车上有更好的应用效果，本文对轮毂电机乘用车簧下系统存在的问题进行研究，为轮毂电机大中型客车的研发提供借鉴。

1　电动轮车辆11自由度动力学模型建立

为了研究以上问题的解决方案，先要建立电动轮车辆的动力系模型。7自由度车辆动力学模型是假定车身是一个刚体，当车辆在水平面做匀速直线行驶时，车身具有上下跳动、俯仰、侧倾三个自由度［8-9］；四个与独立悬架相连的车轮具有垂向运动的自由度。当每个轮毂电机在车轮内用弹簧阻尼减振系统与车轮相连时，就要考虑增加4个轮毂电机垂向运动自由度，成为如图1所示的11自由度电动轮车辆动力学模型。根据计算出的汽车悬挂的参数和生产厂家提供的悬架系统的刚度与阻尼系数以及轮胎的刚度与阻尼特性，建立动力学模型的微分方程。

2　轮毂电机减振系统优化设计

为节能减排，一般国内研究的纯电动乘用车的整车整备质量都在1 000 kg左右。为满足整车动力性要求，每个车轮内轮毂电机的重量达到了30～52 kg，如果轮毂电机在轮内直接跟车轮刚性连接，将使簧下质量显著增加。簧下质量增加将使车身与车轮质量比减小［10-12］，使车辆平顺性三个指标在高频共振范围内性能均有下降，尤其是车轮动载荷变化较大。根据汽车理论［13］，车轮与地面间的动载方向是上、下交变的。当车轮动载与作用于路面的静载大小相等、方向相反时，则车轮作用于路面的垂直载荷等于零。此时，车轮可能会跳离地面，失去纵向和侧向附着力，车辆行驶安全性恶化。反之，若方向相同，则会加重对道路的破坏。为防止以上情况发生，就需要在应用轮毂电机驱动的同时降低车轮相对动载。

文献［14］中提到，在轮毂电机与车轮之间增加弹簧和阻尼器来提高电动汽车舒适性，但只是定性地说明了其有效性，没有提到如何设计弹簧阻尼系统。文献［15］中，以非簧载质量的垂向振动量最小为目标函数，优化了动力减振机构的弹簧刚度和阻尼参数，但没有考虑车轮内部空间允许电机相对轮辋垂向位移有限的实际因素。

为提高轮毂电机电动车的平顺性和安全性，需要利用以上动力学模型对电动轮内的轮毂电机减振系统进行优化设计。

轮毂电机减振系统设计目标是：不仅消除因轮毂电机质量因轮毂电机刚性与车轮相连对车辆平顺性和操稳性造成的不利影响，而且用正常轿车车轮内部允许的空间限制轮毂电机与车轮垂向相对位移量使带轮毂电机轮内减振系统的车辆垂向性能最好。反映在物理量上就要减小车身垂向振动加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度，限制车身悬架动行程，避免车身悬架撞击缓冲块。在使得能量消耗尽可能小的基础上减小轮毂电机与车轮垂向相对运动量，降低对车轮大小的要求。

1）目标函数。以平顺性分析中的车身垂向振动加速度σx、俯仰角加速度σp、侧倾角加速度σa、四个车身悬架动挠度σfd和四个车轮相对动载σFd/G五种参数均方根值之和最小为最优化目标，目标函数为

2）优化变量。选择优化变量为电机与车轮间减振器阻尼系数C m，电机与车轮间弹簧刚度K m。

3）约束条件。考虑到原车轮辋直径只有431.8 mm，车轮内还安装有制动系统，所以轮毂电机与车轮的相对位移不能超过0.010 m：σx3-x1≤0.00 304 m。

根据11自由度整车动力学微分方程，利用Matlab优化工具箱patternsearch函数对各轮毂电机减振系统刚度和阻尼系数进行优化，结果见表1。

表1　优化得到的参数

3　仿真分析

以国标GB/T 4970-2009《汽车平顺性实验方法》［16］的要求为基础，为验证轮毂电机驱动轿车平顺性，对C级路面上以70 km/h的车速匀速直线运动行驶时平顺性进行仿真验证［17-18］，参照未安装轮毂电机的原样车，对刚性安装轮毂电机的车辆和安装轮内减振系统电动轮车辆进行对比验证。

在图2-图6中，模型1表示不安装轮毂电机的原样车模型，模型2表示轮毂电机与车轮刚性连接的车辆模型，模型3表示有轮内减振系统的电动轮汽车模型。可以看出，与不安装轮毂电机的原样车模型相比，轮毂电机直接安装在车轮内会使整车车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度、车身悬架（车辆主悬架）动行程及车轮相对动载的功率谱密度曲线包围的面积大幅增加，代表此模型各参数的均方根值增大。有轮毂电机减振系统的电动轮车辆模型的仿真曲线包围的面积最小，证明该模型可以降低各参数的均方根值，可以提高整车动力学性能。

图7是对比轮毂电机与车轮刚性安装的车辆模型和有轮毂电机减振系统的电动轮车辆模型的加速度功率谱密度曲线。可以看出，有轮毂电机减振系统的电动轮车辆模型加速度功率谱密度曲线包围的面积大大减小，从而其加速度均方根值也减小，使电机受到的垂向振动冲击力降低，电机工作稳定性提高，内部轴承破坏程度降低。

从图8中可以看出，轮毂电机减振系统可以保证轮毂电机与车轮相对垂向位移小于10 mm，满足轮毂电机在车辆轮内垂向运动空间的限制要求。

通过比较发现，与不安装轮毂电机车辆模型相比较，轮毂电机直接与车轮刚性连接车辆模型各个参数均方根值都增加，其中车轮相对动载均方根值大于0.333 3。该路面输入下，车轮跳离地面的概率为0.5%，行驶时间越长，失去纵向和侧向附着力时间越长，行驶安全性恶化；而安装轮毂电机轮内减振系统以后，各项指标均明显下降，车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度和四个车轮动载均方根值均小于原车参数，对原车平顺性和操稳性有加强作用；各车身动行程虽稍有增加，但数值较小，不会影响到车身悬架撞击限位块的概率。对比轮毂电机垂向加速度可以发现，安装轮内减振系统后，轮毂电机受到的冲击减小，可以使电机工作稳定性提高，并减少对零件的破坏。

4　结论

1）以整车平顺性为目标，轮辋对轮毂电机垂向相对位移量最大限定值为条件，根据动力学微分方程利用patternsearch函数优化得到各车轮内轮毂电机的减振系统刚度和阻尼参数，设计了轮毂电机减振系统结构。

2）通过仿真实验表明，电动轮车辆轮毂电机减振系统在保证轮毂电机相对车轮的垂向位移在可实现的范围的前提下，能有效地解决电动轮车辆的垂向负效应问题。

3）研究还发现，轮毂电机减振系统使轮毂电机本身所受的垂向力大大降低，提高了轮毂电机耐久性和工作可靠性，为电动轮汽车的应用推广奠定了理论基础。

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修改稿日期：2015-04-15

Design and Analysis on Vibration Reduction System in Electric Vehicles w ith Hub Motor

Wei Yapeng，Wu Shengtao，Ma Ying，Qin Pengpeng，Li Haoran，Zhang Hanzhao
（Zhengzhou Yutong Bus Co.，Ltd，Zhenzhou 450061，China）

In order to eliminate the reduction effect ofvehicle ride comfort and safety of the hub motor electric vehicle caused by the under spring mass increased，according to the method of mass transfer，the authors mount the spring damping vibration system in the electric wheels to make the hub motor mass the vibration absorber，establish dynamics model of 11 freedom degree vehicle with hub motor，and simulate the model.The results show that the damping system of the hub motor on the basis of meeting the requirements of hub motor vertical jump can eliminate the negative vertical effect of the vehicle because of the hub motor rigidly connected to the wheel.

hub motor；electric vehicle；vibration reduction system；design and analysis

U469.72；U 463.6

B

1006-3331（2015）03-0033-04

魏亚鹏（1983-），男，工程师；动力设计主管。