电传动矿用自卸车轮边电机驱动系统动态特性研究

田海勇，罗鹏军

电传动矿用自卸车轮边电机驱动系统动态特性研究

田海勇，罗鹏军

（中车大同电力机车有限公司，山西 大同 037038）

矿区环境复杂，电传动矿用汽车的轮边电机传动系统对整车动力性、制动性及平顺性有极大影响，为了综合路面激励和电机自身激励综合分析驱动系统动态特性，采用数值仿真软件建立轮边电机传动系统模型，分析其在启动加速、平稳运行及制动时的动态特性，为了验证模型的准确性进行了实车实验。结果表明该轮边电机传动系统的输出转矩发生考虑波动转矩后会较大影响整车加速和制动性能，常见车速的加速和减速性能会减弱5%，稳定行驶阶段差别不大。刚柔耦合模型能更准确地描述驱动系统及整车动力特性，对整车的设计有指导意义。

轮边电机驱动系统；动态特性；转矩脉动；系统振动

1 前言

轮边电机系统驱动行驶的车辆在节能、环保和操纵性方面具有极大优势，电传动形式在矿用车辆中得到了极大应用，矿用车辆的轮边驱动系统将柴油机带动发电机而产生的电能转化为动能，经轮边减速器后直接驱动车轮转动，轮边驱动系统的性能好坏直接决定了整车性能，对其动态性能研究十分必要[1-3]。

轮边电机驱动－传动系统省略了机械设计中复杂的齿轮和轴的传递机构，且综合传动效率更高，但也存在着自身特殊问题：（1）轮边系统位于悬架下方，因而加大了簧下质量，对整车平顺性破坏明显；（2）对于常见异步电机存在谐波转矩，产生转矩脉动[4-6]，脉动转矩难以消除，需要对其影响及不同工况进行评价；（3）针对不同车辆应用领域提出不同具体要求，比如矿用自卸车的长时上下坡工况要求轮边驱动系统可长时在发电制动模式下运行。电动汽车驱动－传动系统一定程度上呈现出弱阻尼特性。消耗能量的同时，有可能引发共振，扭转振动等问题，进一步影响整车动力参数。

目前，国内外学者对此已有较多的研究。文献[7]中针对某燃料电池轿车驱动传动系统的动态特性展开讨论，重点考虑了齿轮间隙等非线性特性以对比结果差异。文献[8]广泛总结了轮边驱动系统对车辆垂向性能影响，分析各种驱动系统振动特性及其研究现状。文献[9]对电动车动力传动系统建立了全扭转振动模型，旨在准确描述整个电动车辆的传动系统的扭转振动。综合目前常见研究可知，研究往往针对传统汽车或者常见轮毂电机驱动汽车，对于大吨位大功率的特种车辆鲜有涉及且往往没有结合整车特性进行论述。

本文研究对象为大吨位大功率的矿用自卸车轮边驱动系统，对轮边电机驱动－传动系统的动态特性进行分析，采用数值分析方法搭建仿真模型，描绘考虑电动机脉动及刚柔耦合模型下系统动态特性，分析考虑电动机自身转矩波动及传动系统的弱阻尼特性下实车的运动特性，对整车的设计有指导意义。

2 轮边电机驱动－传动系统动态特性仿真

2.1 驱动系统介绍

矿用自卸车轮边电动机及轮边减速系统示意图如图1所示。如图1所示，常见的电传动矿用车辆轮边驱动部分主要包括轮边驱动电机和轮边减速器。在车辆运行时，轮边电动机产生机械能并消耗由柴电机组发来的电能，轮边减速器则起到减速增扭的作用将机械能传送至轮胎以提供矿车行驶所需动力。因为轮边减速器是其唯一减速机构，这种设计在大吨位矿车中也对轮边驱动电机提出了更高的要求，希望轮边电机能够在低转速就能提供较大扭矩。

在矿用自卸车中为了实现轮边电机长时高效工作，轮边减速器必不可少，往往通过轮边减速器二级设计方案乃至三级减速方案来实现，减速比可以到达40乃至50。

2.2 仿真模型搭建

整个驱动系统的动态特性可以通过数值分析的动态模拟仿真来实现，本文选择在Matlab/Simulink软件建立其模型，取1/4车辆垂向振动模型进行研究和分析，同时考虑加入路面激励及电动机自身激励模型，如图2所示：

图2 轮边驱动－传动仿真模型

2.2.1电机模型

电机模型主要考虑电机转速与输出转矩的描绘，考虑到电动机自身的弱阻尼特性，可简化为扭转弹簧模型，即其转子上的输出轴模型受到了电磁转矩和输出端负载扭矩的双重作用，将电机模型的动力学方程推导为[10]：

式中：为轮边电动机的输出转矩，也是后续主要讨论和变化的参数；为转子部分的转动惯量，需将电机转轴部分考虑在内；w对时间求导，表示为电机转子的角速度；简化为轮边扭转弹簧模型则需要有电机轴等效扭转刚度和阻尼，此处用表示；考虑电机转轴旋转刚度则θ、θ为电机转轴前端转角和转轴后端转角。

2.2.2减速器模型

电传动矿用汽车目前一般采用二级或三级轮边减速机构，此处取二级减速器为例进行分析，对于齿轮机构的啮合同样具有弱阻尼特性，二级轮边减速机构可以等效简化为一副齿轮传动，此时输出轴的动力学特性类似扭转弹簧特性。图3为轮边减速器行星齿轮系扭转振动模型，忽略齿侧间隙和静传递误差e，则轮边减速器模型的动力学方程为[11-12]：

（2）

图3 齿轮扭转振动模型

2.2.3轮胎模型

驱动系统动力学模型所受激励的主要部分还是来源于地面的不平激励，轮胎本身在激励下的响应是三维的，此处采用常见的“刷子”模型来进行描述，即简化轮胎为胎冠和胎体两部分，轮胎作为弹性体自身变形的特点不能更改用胎冠部分来描述，对于刚性体部分则用胎体描述，其刚性体与轮辋连接两者之间的动态特性同样具有弱阻尼性，其扭振动力学方程为：

式中：M为系统输入直接加载到轮毂的转矩；T为驱动轮轮胎胎体和胎冠之间的相互作用转矩；F为驱动轮轮胎与地面的相互作用力，这个力的大小会很大程度上影响胎体的变形程度；F为车轮垂向动载荷，对于本文探讨的垂向动力学有重要指导意义；、为轮毂转动惯量轮胎其余部分的等效转动惯量；K为轮胎等效扭转刚度和阻尼；θθ分别为轮毂的转角和胎冠的转角；为驱动轮滚动半径。

2.2.4矿用自卸车 1/4垂向振动系统模型

综前所述，本文只对轮边驱动系统自身垂向振动及其引起的悬架车身及车速部分进行探讨和定性定量分析，简化后包含了车身车轮的动力总成的动力学方程为：

式中：对于系统质量部分可以划分为动力总成部分、车身部分和非簧载部分分别用MM和M表示；ZZZ则分别表示了各自部分的垂向振动位移；此时系统中的转动部件为动力总成部分，此处用J为动力总成转动惯量；θ为动力总成的转角；在这系统中车辆的垂向刚度和阻尼不可忽略，用K、C为车轮垂向的刚度和阻尼；因为需同时考虑前悬后悬，此处用KC表示前悬置所用橡胶垫的刚度和阻尼；KC为后悬置所用橡胶垫的刚度和阻尼；K、C为悬架整体的刚度和阻尼；L、L为动力总成质心到前后悬置点的纵向距离。

3 仿真与分析

根据如前系统动力学的描述， Simulink 中建立仿真模型，主要仿真参数见表1：

表1 实车具体参数

3.1 启动加速工况分析

为了展示系统的动态特性可以输入阶跃信号进行仿真，本文于1s时在电机端输入5000N·m的转矩，观察系统动态响应及车速变化，因输入转矩并不大，车速会最终趋于稳定，其中假设电机转矩脉动最大幅值为设定输入转矩的10%，分析转矩脉动对轮边驱动系统动态特性的影响。为了对比分析系统模型的准确性，本文展开了实车实验，主要针对实车中悬架振动和实车速度进行了测量，其中车速可以通过自制惯性导航模块测量，其包含了两个加速度传感器模块如图4所示，后悬架部分及其上端线位移的测量如图5所示。

图4 整车及驾驶室上方的车速传感器

如前所述待分析模型包含了轮边电机、轮边减速器、轮胎和悬架，为了与实车工况更为相似，我们针对实车启动加速至平稳运行，制动减速到某车速两种工况展开分析，矿用车辆在5Km/h下则采用全机械制动方式。

图5 后悬架及悬架位移传感器

图6为电动机转矩输出，从1s开始输出阶跃转矩5000N·m，考虑转矩自身波动的输出情况如图中虚线部分所示。图7为轮边减速器输出端转矩，经过轮边减速器自身弱阻尼性后仿真结果表明输出转矩无法达到标准的5000N·m，而考虑电动机自身的脉动转矩后，输出转矩最终降低为4800N·m左右。考虑电机转矩脉动的影响，输出端经阻尼系统的作用需延迟1s后才趋于稳定。

图6 电机转矩输出

图7 轮边减速器输出转矩

图8为在此阶跃转矩整车行驶速度描述，可见车速经过平稳加速最终稳定在6m/s，但是考虑脉动转矩结果明显小于未考虑转矩的结果，减小约5%，稳定为5.7m/s。加入实测车速会发现，实车车速更贴近考虑脉动转矩的模型，由于能量在实车中有更多的损耗，其最终速度最终稳定在5.5m/s。图9为轮边减速器加速度，可见在1s和6s时刻垂向振动较大，因为此时电动机自身波动较大。另一方方面也是整车速度波动较大的时刻。

图8 整车速度

图9 减速器加速度

图10为悬架形变曲线，此图反映的是悬架在垂向上的形变，与减速器自身加速度曲线相吻合，也是在1s输入阶跃转矩时刻及6s左右到达稳定车速时刻变化较大。对比忽略脉动转矩模型可以发现其最大振幅处明显更大，这与实测悬架并不相符，这也证明了考虑脉动转矩后的系统模型的正确性。

图10 悬架响应

3.2 制动减速工况分析

图11为制动工况下电机转矩输出情况的描述，其中前1s内假设车速稳定为6m/s此时输入制动转矩为2000N·m，减速到2m/s，通过5s的减速达到此车速并平稳运行。整车车速如图12所示。整个过程中轮边减速器输出转矩如图13所示，可见在制动阶段初始制动段波动最大，至6时慢慢减速至平稳车速此时转矩波动较小。

图11 制动阶段电机转矩输出

图12 制动阶段整车速度

图13进一步展示了制动阶段考虑转矩波动后轮边减速器输出端转矩差别。图14则展示了刚柔耦合模型和全刚度模型下制动阶段悬架形变的区别。总体可见刚柔耦合模型中一部分能量被系统自身的弱阻尼性所吸收，而刚性体在能量的传递过程中没有落差，对于矿用车辆轮边驱动系统，约有5%的能量被吸收，这对于实车设计有指导意义。

如上针对启动加速工况和制动减速工况以及其中的平稳运行工况分析可知，考虑电动机自身振动时，输出转矩产生抖动，这个抖动无法完全消除其作用主要影响整车的垂向动态特性，对纵向动态特性的影响较小小，能量在传递过程中损失，使得最终车速也无法达到预期设定值，实际工程中应考虑抑制转矩脉动的方法。

图13 制动阶段轮边减速器输出转矩

图14 制动阶段悬架形变

4 结论

针对电传动矿用车辆建立轮边电机驱动－传动系统动态特性的仿真分析和实验验证，结果表明：考虑轮边驱动电动机脉动转矩后系统垂向振动增加，整车垂向动力振动增加，刚柔耦合模型会更为清晰地表达车辆运动情况，在常见车速下综合刚柔耦合模型及电动机自身振动后车速应下降5%左右，系统地在启动和制动阶段的开始和终了时刻振动会加大。

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Study on the Dynamic Characteristics of Electric Wheel Drive System in Mining Vehicle

Tian Haiyong, Luo Pengjun

( CRRC Datong Co., Ltd., Shanxi Datong 037038 )

Mine environment is complex, the wheel side motor drive system of electric drive mining vehicle has a great influence on the vehicle dynamic performance, braking performance and ride comfort. In order to analyze the dynamic characteristics of the drive system and its influence, the simulation model of the wheel side motor drive system was established by using Matlab/Simulink software to analyze the starting and accelerating, stable running and braking dynamic characteristics. Results show that the wheel rim motor drive system output torque considering torque fluctuation will larger impact on vehicle acceleration and braking performance, the common speed acceleration and deceleration performance will be reduced by 5%, stable running stage had no significant difference. Rigid flexible coupling system and the vehicle model can more accurately describe the dynamic characteristics of the drive, has the guiding significance for the design of the vehicle.

In-wheel-motor drive system; Dynamic characteristic; Torque chattering; System vibration

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.019

TM352

A

1671-7988(2021)02-59-05

TM352

A

1671-7988(2021)02-59-05

田海勇（1980-），男，汉族，博士，高级工程师，就职于中车大同电力机车有限公司，主要研究方向为矿用汽车总体设计与动力系统设计。