基于ADAMS/Car软件研究轮毂电机驱动电动汽车的平顺性

（汽车工程学院 上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

随着人们的生活水平的不断提高，人们开始追求生活质量，随之而来的就是汽车的数量不断的增加。然而传统的内燃机汽车会带来严重的环境污染问题。为了改善我们生活的环境，提高能源的利用率，所以提出了轮毂电动机驱动电动汽车，该轮毂电机汽车可以有效的减少能源的消耗量，并且可以减少大量的传动部件，离合器，变速器等。然而由于轮毂电机直接安装在车轮上，这导致了汽车的非簧载质量的增加，进而影响到轮毂电机驱动电动汽车的平顺性[1,2]。通过利用ADAMS/Car软件进行仿真分析来提高汽车的平顺性。

1 路面模型的建立

建立随机路面激励的时域模型有滤波白噪声生成法，有以PSD模型为基础的随机时序生成法，谐波叠加法，快速Fourier反变换生成法等。以上几种方法各有各的优缺点，其中谐波叠加法适用于国标道路谱时域模型的生成。谐波叠加法缺点就是计算量大与其他方法相比的，谐波叠加法优点是该方法理论基础比较成熟和严密，算法简单直观，是一种高保真的频域模型转换木方法[3]本文采用谐波叠加法来创建随机路面不平度的频域模型。

通过随随机路面激励的分析，随机路面不平度位移功率谱密度拟合公式如下：

将空间频率范围(n1,nu)划分为n个频带，取每个频带内的中心频nmi(i=1,2,…,n)处的频谱密度值Gq(nmi)代替Gq(n)在整个频带内的值则：

每一个频带中找到其频率为nmi且其标准差为的正弦函数，然后将与各个小区间相对的正弦波函数叠加起来，随机路面输入：

根据不同等级路面的不平度系Gq(n0)的取值，计算空间频率范围内的Gq(n)，对其离散化处理，代入式(4)计算出空间频域内的随机路面 位移输入q(x)，根据以上公式创建出ADAMS要求的不同等级路面文件。

表1 路面不平度系数

2 前悬架模型建立

汽车是纵向对称的系统，通ADAMS/Car对前悬架系统建立模型时，只需要建立一半的模型就可以了，另外一半的前悬架模型会自动生成，这样可以有效的减少建模型的时间，调高工作效率，提高了模型的准确度。

前轮悬架导向机构采用的是双横臂形式，前悬架的导向机构形式主要有上下摆臂，转向横拉杆以及转向节。双横臂悬架导向结构图如图1所示。

图1 双横臂悬架导向结构简图

O为车轮中心，AB、AC组成转向节，AD，DJ组成转向横拉杆，BE，BF为上控制臂，CG，CH为下控制臂。前轮双横臂悬架导向机构以及转向机构的约束主要有球铰和转动副两种形式。

悬架是汽车上主要的组成部分，是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总成。一般的组成部分包括弹性元件，导向机构以及减震器和缓冲块组成等。另外其具有缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，可以有效的减缓承载系统的振动，以满足汽车的正常的行驶[4]在建模过程中需把弹簧、减震器、和轮胎外的部件简化为刚体，这些简化为刚体的部件在仿真时不考虑其仿真实验时的变形。本文中的轮毂电机驱动电动汽车的前悬架采用的是双横臂式独立悬架。主要的组成部件包括：上横臂、下横臂、转向横拉杆、主轴销、减震器、螺旋弹簧、横向稳定杆等。如图2所示。

图2 前悬架模型

表2 前悬架硬点坐标表

3 后悬架模型的建立

本文所研究的汽车采用后悬架双叉臂式独立悬架，该悬架采用的是A字型控制臂和上下两根不等长的V字型以及支柱式液压减震器组成，一般来说上节臂短于下节臂。在整个双叉臂式独立悬架中，通过几个支点的连接可以有效的提高了整体性，这个悬架的上下节臂还可以有效的消除横向作用力的功效，这可以减少减震器不再承受横向作用力，因此在弯道上具有良好的方向稳定性[5]。

图3 后悬架模型

表3 后悬架硬点坐标表

4 其他系统模型的建立

4.1 转向系统

该转向系统模型采用的是齿轮齿条式的转向器。主要构成部分有转向盘、转向轴、转向柱、转向齿条、齿轮和转向横拉杆。建立此模型前提是车身固定，转向盘于车身为转动铰链，第一段的转向轴与转向盘之间采用固定连接，和车身采用圆柱铰链。第一段转向轴和第二段转向轴之间、第二段转向轴与第三段转向轴之间都是采用的是万向铰链。转向横拉杆与第三根转向轴的末尾连接，连接方式采用的是齿轮齿条式连接，转向横拉杆相对于车身为移动副，然而转向横拉杆的两端一端与前悬架系统连接，另一端采用球铰相连接。转向齿条采用的一个移动副和一个转向器的套筒连接，利用一个耦合副约束该旋转副与移动副之间的运动情况，转向齿条使用的是两个橡胶衬套与左右两根转向拉杆连接，转向拉杆在通过球副和转向节臂连接[6]。

图4 转向系统模型

表4 转向系统坐标表

4.2 轮胎模型

轮胎是汽车非常重要的组成部分，轮胎的主要作用有：传递侧向力和为车辆提供转向，传递纵向力以实现驱动、加速和制动；支撑整车的重量；与悬架共同作用，衰减和抑制由路面不平引起的振动和冲击。在ADAMS软件中包含了多种汽车轮胎模型，并且具有足够的精度，各个类型的轮胎适用于不同的场合，每种轮胎的侧重点也是不一样的。以下是本轮采用的SWIFT轮胎模型[7]。

车身模型起到连接前后悬架，转向系的作用，只有建立起车身模型并正确定义与其他系统的通讯关系，才能够保证整车仿真的顺利。在建立车身过程中，将车身简化为一个质点，质量集中在一点，同时设定质量参数。

图5 轮胎模型

5 整车模型的装配

图6 整车模型

图7 整车测试模型

6 整车仿真分析

通过仿真分析，由于轮毂电机纯电动汽车的结构影响，电机是直接安装在车轮上的，所以这将导致轮毂电机驱动电动汽车的非簧载质量的增加，这将影响到汽车行驶的平顺性。本次仿真是在沥青路面上进行的仿真实验。由于汽车多数是在城市上行驶的所以把汽车的行驶速度预定为60km/h。由于轮毂电机驱动纯电动汽车，由于仿真的情况需求。把电机假设为刚体。随着非簧载质量的增加，轮毂电机驱动电动汽车的平顺性的变化。根据需求的话，可能需要考虑到在汽车车架上考虑到座椅的振动情况。分为三个方向，x，y，z这几个方向通过求出这几个功率谱密度函数，再求出加权加速度均方根值[8]。最后计算出加权振级。计算出振动频率实在那个阶段，对人体的影响有多大。

影响汽车的平顺性的主要的的影响因素主要是车身垂向加速度，悬架动扰度和车轮动载荷。首先把车轮的质量定在25kg，根据ADAMS/Car软件仿真着的结果结果分析得出了车身垂向加速度，悬架动扰度和车轮动载荷曲线[9,10]。非簧载质量可以简单的描述为整车上不受悬架弹簧支撑的重量。这部分包括车轮、制动器、悬架杆系、转向节等，而在电动轮汽车上，轮毂电机直接驱动轮胎，将电机安装在轮辋内。因此驱动电机的质量会被算作非簧载质量，而且相对于传统汽车，驱动电机的引入对非簧载质量的增加时非常明显的，非簧载质量是整车振动系统中的主要组成部分，影响着车身所承受的冲击载荷的大小，也是影响整车行驶平顺性的重要因素[11,12]。

由于非簧载质量包含的部件很多，这也随测量其大小带来很大的不便。本文所建的模型中，引入得驱动电机简化部分，修改其质量大小并仿真，观察费簧载质量的变化对车身垂向加速度、悬架动扰度以及悬架动扰度的影响。

图8 质量25kg示意图

图9 质量35kg示意图

图10 质量45kg示意图

图11 质量55kg示意图

6 结论

根据以上图形分析可以看出随着非簧载质量的增加，车身垂向加速度、悬架动扰度及车轮动载荷有着明显的增加，汽车的平顺性有着明显的下降。非簧载质量的变化对车身垂向加速度和车轮动载荷的影响都是明显的，并且都随着非簧载质量增加而增加。非簧载质量的增加使得车辆行驶性有恶化的趋势。电动轮汽车的轮毂驱动安装在轮毂驱动电机的内部，这将不可避免的增加非簧载质量，进而影响车辆行驶平顺性，非簧载质量的的增加主要影响车轮载荷的增加，这将恶化车辆轮胎的接地性能。