电动汽车电动轮滚动振动试验台研究

王 戡，张仪栋，徐建勋

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

电动汽车电动轮滚动振动试验台研究

王 戡，张仪栋，徐建勋

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

介绍国内外电动汽车电动轮试验设备；针对电动轮的实际工况和研发需求，设计基于电动轮滚动振动一体化测试的试验台，提出将振动与滚动耦合加载的试验方法，为电动轮的试验研究提供参考。

电动汽车；电动轮；轮毂电机；滚动振动试验台

随着电动汽车的兴起，轮毂电机驱动模式以其独特的优势成为当前的一个研究热点[1]。电动轮将轮毂电机和车轮集成为一体，可以实现电动汽车车轮的独立驱动，具有结构紧凑、传动链短、效率高、转矩响应精确快速等特点，通过集成ABS、TCS、ESC等系统，实现精确而复杂的动力学控制[2]。电动轮作为轮毂驱动电动汽车的核心动力部件，集成了驱动、制动和测速等多项功能[3]。在运动过程中，电动轮受到的冲击振动和扭矩都在不断变化，这些变载荷会对电动轮的工作性能和寿命产生很大的影响[4]。电动轮滚动振动试验通过模拟电动轮动态运行工况，进行滚动和振动耦合加载，是轮毂驱动电动汽车开发阶段的重要环节，可检验电动轮整体以及相关零部件的可靠性，同时还可为整车匹配提供基础数据。

根据不同的试验目的和对象，电动轮试验台主要有轮胎耦合与轴耦合两种类型。国内一些高校相继开发出轮胎耦合式试验台，能对包含轮毂电机在内的电动轮总成进行转矩性能试验、垂向加载及侧向加载试验等，但无法实现振动加载[5-8]。国外针对电动轮的试验测试研究发展比较早，相对来说比较完善，如Protean公司针对电动轮轮毂电机开发的轴耦合试验台架，能对轮毂电机进行转矩性能试验、振动试验以及轴向负载试验等[9]。

电动轮实际工况复杂，需要考虑多个不同载荷的耦合作用，才能在台架试验中尽可能地模拟真实的工况。本文对电动汽车电动轮滚动振动试验台进行研究，介绍试验台的设计和功能，为轮毂驱动电动汽车研发提供参考。

1 滚动振动试验台

1.1 试验台结构设计

电动轮实际工作中受到的载荷主要有车身质量对电动轮的垂向载荷、路面不平度激励及行驶过程中受到的阻力，因此试验台主要由3个部分组成：垂向加载系统、路面激励加载系统和滚动加载系统，其结构简图见图1。

图1 滚动振动试验台结构简图

1）垂向加载系统。如图2所示，针对车身质量对电动轮的垂向载荷，试验台直接使用质量块来模拟车辆簧载质量与非簧载质量，通过更换质量块来模拟不同车辆的垂向载荷。簧载质量与非簧载质量中间连接有弹簧阻尼悬架系统，弹簧的刚度和阻尼可调，以便模拟各种不同类型的悬架系统。非簧载质量下面设有安装电动轮的底座。

图2 垂向加载系统

2）路面激励加载系统。如图3所示，针对路面不平度引起的电动轮垂向冲击，试验台使用电机旋转带动偏心轮曲柄连杆机构来模拟轮面的不平度激励。路面激励加载系统包括振动平台、曲柄连杆机构、转速/转矩传感器以及垂向激励电机。根据所需的路面激励要求，曲柄连杆机构将电机输出的旋转运动转化为连杆的上下振动，推动平台的振动，带动安装在平台上的滚筒上下振动，由此对电动轮进行路面激励加载。

图3 路面激励加载系统

3）滚动加载系统。如图4所示，滚动加载系统包括滚筒、联轴器、转速/转矩传感器以及电力测功机等，电动轮轮胎与滚筒接触，簧载及非簧载质量通过自身的重力使电动轮与滚筒有一定的接触压力，使其紧密接触。滚筒外端通过挠性联轴器、膜片联轴器、转速/转矩传感器与电力测功机相连。

1.2 试验台控制系统

由于电动轮的垂向加载为质量块重力加载，垂向加载系统不需要进行控制。试验台的控制系统主要分为路面激励加载控制和滚动加载控制。

图4 滚动加载系统

1）路面激励加载控制系统。图5为路面加载系统控制框图，路面加载系统由垂向激励电机输出旋转运动，经过曲柄连杆机构转化为振动平台的上下振动。振动平台的振幅由曲柄的偏心值得到，振动频率由路面加载电机控制转速调节。转速/转矩传感器测得的角频率即为平台的振动频率，测得的扭矩用来监测系统的工作状况。

图5 路面加载控制系统框图

2）滚动加载控制系统。如图6所示，滚动加载控制系统由电力测功机模拟电动轮行驶时受到的阻力，加载电机的扭矩转递路径为：变频器控制电力测功机→转速/转矩传感器→联轴器→滚筒→电动轮。加载电机为转矩控制模式，以模拟不同的行驶阻力。

图6 滚动加载控制系统框图

2 滚动振动试验台测试项目

所设计的电动轮滚动振动试验台如图7所示，该试验台能完成滚动加载试验、振动加载试验和滚动振动耦合加载试验。

图7 电动轮滚动振动试验台

2.1 滚动加载试验

1）电动轮转速转矩性能试验。电动轮转速转矩特性决定了电动汽车的动力性，试验台能够进行包括电动轮的最高转速、额定转速、最大扭矩、额定扭矩、持续功率以及最大功率等性能参数的测试。

2）电动轮驱动防滑控制试验。通过控制轮毂电机驱动扭矩来防止电动轮滑转，进行电动汽车驱动与防滑的试验，研究电动汽车的驱动防滑性能。此时垂向加载系统模拟车重，电力测功机模拟汽车惯量。进行驱动防滑控制试验时，轮毂电机带动电动轮启动，通过测试轮毂电机转速与滚筒转速，并换算成二者接触点各自的线速度，来检验是否打滑，当电动轮线速度高于滚筒线速度时，发生打滑现象，通过减少轮毂电机的扭矩输出来进行驱动防滑控制。

3）电动轮汽车制动性能试验。制动性能试验包括机械制动、电馈能制动以及机电复合制动，通过研究控制机械制动力与电制动力的分配，并利用电机的快速响应特性对电动轮进行精确的制动防抱死控制试验。

2.2 振动加载试验

试验台的路面激励加载系统为偏心轮曲柄连杆机构，模拟路面的激励频率由加载电机调节。当滚动加载系统锁死，可以根据GB/T18488.2-2015《电动汽车用驱动电机系统试验方法》[10]的要求对电动轮进行振动试验。由于垂向加载系统模拟了车身的簧上、簧下质量，通过测量簧上、簧下质量振动加速度和悬架动挠度等参数进行电动轮汽车垂向动力学性能分析，有助于评估轮毂电机驱动电动汽车由于簧下质量增大对平顺性的影响。

2.3 滚动振动耦合加载试验

电动轮包含了轮毂电机、轮毂轴承以及连接部件等，在运行中受到包括扭矩及垂向振动在内的各种变载荷，工作状况恶劣，因此对电动轮进行耐久试验是必要的。为了模拟更加真实的电动轮运行环境，参考GB/T 29307-2012《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》[11]中转矩负荷循环工况，试验台同时进行滚动和振动加载，可以评估滚动振动耦合加载条件下电动轮的可靠性。振动加载时，由于电动轮轮胎载荷的不断变化，电动轮与滚筒的接触压力不断变化，此时测量电动轮的转速转矩特性，可检验路面激励对于电动轮行驶性能的影响。

3 结束语

电动轮是轮毂驱动电动汽车的核心零部件，其动力学特性及耐久特性是决定电动汽车性能的主要因素。以往的试验方法及设备主要是基于传统驱动电机的测试，不能反映电动轮的实际运行工况。电动轮滚动振动的试验台在传统试验台基础上考虑了路面的不平度激励，更加真实地反映了电动轮的实际运行工况。后期，在滚动振动试验台的基础上，将进一步细化试验项目和测试方法，为电动汽车电动轮研究提供更加完备的试验平台。

[1]童炜，侯之超.轮毂驱动电动汽车垂向特性与电机振动分析[J].汽车工程，2014，36（4）：398-403.

[2]Murata S.Vehicle Dynamics Innovation with In-Wheel Motor[C].SAE Paper 2011-39-7204．

[3]王俊峰，连晋毅，臧学辰，等.电动汽车电动轮综合性能试验台的研发综述[J].汽车实用技术，2017（1）：26-29.

[4]左曙光，段向雷，吴旭东.电动轮-悬架系统台架振动特性试验分析[J].振动与冲击，2014，33（12）：165-170.

[5]乔同超.电动车轮试验台架技术研究[D].重庆：重庆大学，2014.

[6]刘书锋.电动轮综合测试台架的设计与研究[D].上海：同济大学，2009．

[7]张付义.电动汽车试验台总体设计与技术研究[D].西安：长安大学，2006.

[8]董铸荣，贺萍，韩承伟，等.电动汽车电动轮综合性能试验台开发[J].实验技术与管理，2014，31（11）：80-83.

[9]田素洁.电动轮综合试验台架设计与研究[D].成都：西华大学，2013.

[10]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车用驱动电机系统第2部分：试验方法：GB/T18488.2-2015[S].北京：中国标准出版社，2015：2.

[11]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法：GB/T 29307-2012[S].北京：中国标准出版社，2012：12.

Research on Test Bench of Roll and Vibration for Electric Wheel of Electric Vehicle

WangKan,ZhangYidong,Xu Jianxun
（ChongqingVehicleTestamp;Research Institute,NationalCoach QualitySupervision and TestCenter，Chongqing40112,China）

This paper introduces the test equipment about electric wheel of electric vehicle at home and abroad.Aiming at the actual working conditions and Ramp;D requirement of electric wheel,it designs an integrated test bench based on combination test of roll and vibration,and proposes a test method coupled loading with roll and vibration.This can provide reference for the test research ofelectric wheel.

electric vehicle;electric wheel;wheel hub motor;roll and vibration test bench

U469.72；U464.142+.1

A

1006-3331（2017）06-0055-03

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2014QK262）；重庆市质量技术监督局科研计划项目（CQZJKY2014013）。

王 戡（1987-），男，硕士；工程师；主要从事智能网联汽车及主动安全测试研究工作。

修改稿日期：2017-10-30