轮边驱动电动车车轮设计与研究

姬鹏　姜愉

摘 要：文章提出了一种新的基于线控技术的轮边驱动电动车车轮结构，为验证结构的可行性，利用ADAMS/Car仿真软件中建立整车动力学仿真模型并进行脉冲路面和随机路面的仿真。通过分析车身振动的加权加速度均方根值，判断振动的频率是否在人体对振动可接受的范围内验证其可行性。经过仿真结果和数据得出本文提出的车轮结构能提高整车平顺性。

关键词：轮边驱动；ADAMS；加权加速度均方根值；平顺性

中图分类号：U463.343 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0101-02

引言

电动车作为最有前景的新能源汽车正逐渐成为人们最为便捷的交通工具。轮边驱动电动车以其紧凑简单的结构、高效的传动效率得到各大汽车企业的青睐[1]。轮边驱动轮毂电机主动车轮集成了悬架、电机、阻尼器、制动和转向等功能，实现了电动车紧凑结构设计的同时也加大了整车的簧载质量和车轮动载荷，从而增大了车身的垂直加速度，因此恶化了整车的平顺性和操纵稳定性。另一方面，路面等级和汽车行驶速度的不同也会不同程度地影响车身的振动。机械振动的频率、强度、方向和时间也会受人的感受的影响。本文利用平顺性最基本的评价方法加权加速度均方根值来验证轮边驱动主动车轮是否符合GB/T4970-《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》。

1 轮毂电机主动车轮的提出

本文提出的主动车轮基于米其林轮毂电机车轮结构，驱动扭矩从牵引电机经齿轮减速传递到轮毂上，比起直接驱动发动机，这种结构可以在更高角速度下输出最大的扭矩，结构设计更为紧凑。

主动悬架可以根据汽车实际的行驶状况动态自适应调整悬架系统的阻尼特性和刚度，以便更好地减振。本文结合米其林主动车轮，根据需要实现的车轮功能，提出了一种新的轮边驱动轮毂电机主动车轮：车轮集成了驱动轮毂电机、制动、转向、悬架、阻尼等基本功能，用线性旋转电动马达控制偏转运动。轮毂集成与安装在轮架上的小齿轮啮合的齿轮，电机控制小齿轮的运作，电机定子与轮架集成，转子通过直接啮合带动小齿轮，将扭矩传递给轮毂。车轮内部有中心布置的截面为矩形的转向杆，由四个滚道组成，增大悬架行程，转向杆和转向件之间的平移运动完成悬架的功能。结构与常规轮毂电机轮边驱动车轮最大的不同是轮内集成了小悬架弹簧与整车悬架主簧相匹配来最大程度地降低轮边驱动车轮增加的非簧载质量；同时，结构还能实现对外倾角的控制：底盘载荷通过底盘上安装的臂转移到集成的悬架上，外倾杆通过平行四杆机构与轮架上的连接点相连，底盘和外倾杆中间的千斤顶控制外倾角的变化，結构允许的最大外倾角变化范围在±15°到20°之间。车轮的减振器采用线性电子机械的方式，减振电机定子与导向元件连接，电机转子连接在导向杆上。

2 动力学建模

在汽车平顺性的讨论过程中，整车模型的纵向、横向平移以及俯仰、侧倾和横摆运动作为额外的自由度，车身包括质量参数和几何边界，可以更好地分析非簧载质量的增加对整车乘坐舒适性的影响。

其中簧载质量和非簧载质量的垂直本征频率分别由下列公式[2]计算：

模型在虚拟路面上行驶，在后处理PostProcessor模块得到操作特性曲线。

3 轮边驱动电动车平顺性仿真分析

利用ADAMS/Car中的Road Builder分别创建bump路面和curb仿真路面，并设置成预设的路面障碍参数。

整车模型仿真中，由于模型接近路面干扰时，前后轴到达路面障碍的时刻不同，因此会产生相应的俯仰运动，冲击时刻的时间间隔与车速有关[6]。每个仿真的车速下，簧下质量初始设置每个轮角的簧下质量为40kg。整车模型簧载质量和非簧载质量的垂直本征频率分别由下列公式[7]计算：

图3是整车模型在经过鼓包道路轮廓时簧载质量垂直加速度RMS和车速的函数关系图。车速在1km/h到10km/h期间，40kg和60kg的簧载质量设置的垂直加速度保持相对的稳定；车速大于10km/h时，随着车速的增加，簧载质量垂直加速度大大降低，即随着车速的增加，道路干扰减小，整车的平顺性也随之变差。图4是整车模型在通过斜坡路面轮廓时，簧载质量垂直加速度RMS与车速的函数关系图。RMS在0.58m/s2到1.13m/s2的波动取决于簧载质量和车速的变化。车速为90km/h时，RMS达到最大值，即此刻整车乘坐舒适性最差[8]。

4 结束语

通过仿真数据可以看出，整车模型仿真数据区别于四分之一车模型。但是仿真结果均显示轮边驱动电动车的平顺性取决于道路干扰频率。模型在鼓包道路上的纵向平移基于正弦波输入信号，当干扰频率在非簧载质量本征频率之上时，平顺性有所提高，非簧载质量的增加势必会降低平顺性。模型在斜坡道路上纵向平移时，垂直加速度均方根值的增加由非簧载质量的增加引起。忽略车速的不同，四分之一车模型簧载质量加速度值较为稳定，而整车模型则波动较大且RMS值要低得多，这一现象的原因可能是仿真测量点选取位置的不同：四分之一车模型加速的测量点在悬架顶端的右侧，而整车模型的测量点在重心处。根据ISO 2631-1；1997（E）规定[9]的标准，轮边驱动电动车的平顺性在人体对振动的接受范围内。本文提出的轮边驱动电动车主动车轮能较好地提高整车平顺性。

参考文献：

[1]黄菊花，郭军团，张庭芳.纯电动汽车的平顺性仿真与分析[J].机械设计与制造，2010（11）：175-177.

[2]秦玉英，桂军，孙明浩，等.利用ADAMS的汽车通过脉冲路面的仿真与优化[J].现代制造工程，2015（02）：80-83.

[3]宁国宝，万钢.轮边驱动系统对车辆垂向性能影响的研究现状[J].汽车技术，2007（03）：21-25.

[4]余志生.汽车理论（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2015.

[5]隗寒冰，邓楚南，何文波.基于ADAMS软件的汽车平顺性仿真分析[J].机械设计与制造，2006（07）：75-76.

[6]乔长胜，李耀刚，张文明.基于ADAMS/CarRide微型观光旅游电动汽车平顺性仿真[J].科学技术与工程，2013（31）：9241-9245.

[7]徐中明，张志飞，贺岩松.对汽车平顺性评价方法的探讨与建议[J].汽车工程，2010（01）：73-76+44.

[8]方义.轮毂电机直接驱动对电动汽车行驶平顺性的影响[D].吉林大学，2012.

[9]夏国强，许向国.轮边驱动电动车平顺性和操稳性分析与控制研究[J].工业设计，2015（09）：87-88.endprint