二级减速式轮边驱动系统设计与仿真

时培磊，时培成



二级减速式轮边驱动系统设计与仿真

*时培磊，时培成

（安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽，芜湖 241000）

以电动轮为主要特征的分布式驱动渐成新能源汽车的主要研究方向，但具有减速机构的轮边驱动系统因引入了电机和减速器，显著增加了非簧载质量，恶化了车辆的操纵稳定性。为此，本文提出了一种将非簧载质量转移为簧载质量的二级减速式轮边驱动系统结构布置方案，并建立1/4车辆三自由度垂向振动系统模型，通过仿真分析验证此种设计方案的有效性。研究结果表明，二级减速式轮边驱动系统能有效抑制车身垂向振动的幅度，降低轮胎动载荷，提高汽车行驶平顺性和轮胎接地性。

汽车；振动；轮边驱动系统；平顺性；接地性

0 引言

现今，电动汽车的发展备受关注，尤其以电动轮独立驱动的轮边驱动技术逐渐成为汽车新技术研究的热点。轮边驱动由电机直接或经过减速器驱动车轮，有结构简洁、传递效率高等优点；同时车身重量也大幅度降低，整车布置相当灵活。但因为引入了电机和减速系统，导致非簧载质量显著增加，对汽车舒适性会造成一定的影响[1]。本文提出一种将高速电机与减速器集成一体的二级减速轮边驱动系统设计方案，并据此设计方案建立1/4车辆垂向振动模型，通过仿真模拟，研究此种设计方案的有效性，为实现本方案的产品化提供理论依据。

1 现有轮边驱动系统的结构

现有的轮边驱动系统结构一般是将驱动电机与减速器集成连接放置于车轮内，其减速器也内嵌在轮毂里，如图1所示[2]。减速器一般采用行星轮系减速机构，特点是刚性高、精度高、传动效率高。这种将轮边电机与减速器集成于一体的设计，虽然结构紧凑，空间利用率高，但因为在车轮上安装了轮边电机和行星轮减速器，使得非簧载质量大大增加，不利于汽车的行驶平顺性和舒适性。这种设计同时也增加了其安装难度，对电机的性能也提出了更高的要求，比如电机的防尘、防水、抗震等。

图1 现有轮边驱动系统结构原理

2 二级减速式轮边驱动系统设计

为克服以上设计缺陷，本文提出将高速电机和二级减速器集成于一体并固连于车架的设计方案[3]。此方案将汽车的非簧载质量转变为簧载质量，一定程度上改善了汽车的行驶平顺性和舒适性。此轮边驱动系统采用的减速器不是行星轮系而是两级圆柱斜齿齿轮减速器。选择此减速方式，一方面可以优化传动比，传递效率高；另一方面可以合理分配齿轮的大小，缩小减速箱的体积，减小制造成本。这种设计可为其结构的合理分配提供更自由的布置空间[4~5]。此驱动系统的高速电机和二级减速器上部通过橡胶悬置铰接于车架上，橡胶固接可减缓振动对高速电机和减速器的影响；二级圆柱斜齿齿轮减速器的输出轴通过万向节联轴器与车轮半轴连接，用此方式将电机提供的动力传递至车轮上；减速器底部通过弹性元件与减振器并联铰接于下横摆臂上，有利于减缓振动对减速器的影响。该方案的结构原理图如2所示，三维实体模型如图3所示。

图2 二级减速式轮边驱动系统结构原理（水平面）

图3 二级减速式轮边驱动系统三维实体模型

3 建立1/4车辆振动模型

为研究分析二级减速式轮边驱动系统对车辆平顺性和舒适性的具体影响和改善情况，根据所建的三维模型和结构原理图，建立包含二级减速式轮边驱动系统的1/4车辆垂向振动模型[6]，如图4所示。

图4 1/4车辆三自由度振动系统模型

图中1、2、3分别为车轮的质量、车身的质量和驱动系统中的高速电机和减速器的质量；1、2、3、4分别为车轮轮胎的刚度、悬架的弹簧刚度、减速箱底部减振器及弹性元件的弹簧刚度和铰接减速器和电机的橡胶悬置的刚度；2、3、4分别为汽车悬架减振器的阻尼系数、减速箱底部的减振器的阻尼系数和铰接减速器和电机的橡胶的阻尼系数；1、2、3分别为车轮垂向位移、车身垂向位移和轮边驱动系统的垂向位移；为路面激励。

根据图4所示的三自由度振动系统，利用拉格朗日法建立该振动系统的微分方程，其拉格朗日方程的形式为：

其中，代表系统的总动能，代表系统的总势能，代表系统的能量耗散函数，Q代表外部作用的广义激振力[7]。

设系统的广义坐标系分别为123。系统的动能为：

系统的势能U为：

系统的能量耗散函数为：

将式（2）~（4）代入式（1）中可得到汽车垂向振动系统的动力学方程为：

4 路面激励模型的建立

在实际生活中，路面的路况是复杂的，其基准平面的高度是沿着路面不断变化的，当汽车在不同路面上行驶时，汽车车轮受到的路面垂向激振励也是变化的。通常我们把路面分为A、B、C、D四个等级如表1所示。

表1 路面等级分类

对于模拟路面激励一般用白噪声滤波来模拟随机路面[8]，其公式为：

式中，q(t)是时域路面不平度，f0是下截止频率，Gq是路面不平度系数，u是汽车的行驶速度，是高斯白噪声。采用B级路面作为仿真对象，其中f0=0.1 Hz；Gq=64×10-6　m3；u=20 km/h，在Simulink中建立路面激励模型如图5所示，仿真所得随机路面激励曲线如图6所示。

图6 随机路面

5 仿真研究与分析

根据上述得出的振动微分方程在Simulink里建立1/4车辆垂向振动仿真模型如图7（a、b）所示。所需的车辆参数如表2所示。

表2 仿真参数

图7a 现有轮边驱动系统1/4车辆垂向振动仿真模型