基于半车振动模型的轮边驱动电动车平顺性分析

高雄 GAO Xiong

（福建华威钜全精工科技有限公司，福州 350001）

0 引言

针对轮边电机驱动引起的电动车平顺性问题，国内外进行了大量的研究工作。文献[1]基于轮边驱动系统非簧载质量增加恶化了车辆平顺性问题，研究了电机在不同输出扭矩下，通过调节主被悬架的参数来探讨改善车辆平顺性的可行性措施，文献[2]通过动力学模型，从理论上研究抑制驱动电机转矩波动和激振力的有效方式；文献[3]研究了电机本体中的定子形状对驱动电机振型电磁性能的影响，提出了电机设计模型、振型、激振力这三者之间的一个近似关系；文献[4]采用有限元法对驱动电机激振的电磁力波频域和时域进行了分析，研究了驱动电机激振磁力波随输入电流、转子位置的变化规律，文献[5]对某纯电动汽车的固有振动频率、车速及路面不平度之间的关系进行了研究。

分析过往的研究，通常以簧载质量、电机激振、路面不平度中的某个来研究轮边驱动电动车的平顺性，而以电机-路面耦合激励作用的研究较少。

本文基于电机和路面耦合激励的半车四自由度振动模型，采用白噪声滤波法对时域内的随机路面进行平顺性仿真分析，探究在电机-路面耦合激励作用下的轮边驱动电动车平顺性的影响及研究方法。

1 半车振动模型的建立

1.1 半车四自由度模型

为研究轮边电机驱动电动车的平顺性，本文采用如图1所示的振动模型。

图1 半车四自由度振动模型

其运动微分方程如下：

式中，{z}为位移向量；{q}为路面激励向量；[m]为质量矩阵；[c]为阻尼矩阵；[k]为刚度矩阵；[kf]为与路面激励对应的矩阵。

1.2 平顺性评价指标

式中，n为采样点个数，a为振动加速度。

2 半车模型的平顺性分析

2.1 电机激振力

电机转速与车速之间的关系可以表示为：

Rr为车轮半径Rr=0.36m；i为传动比i=10.6。

通过公式计算电机随机振动的激振力难度比较大且影响准确度。本文的电机激振力采用台架试验实测得到，电机在500rpm下的电机垂向加速度时域信号和垂向激振力时域信号如图2所示。

图2 电机垂向激振力测试与信号

2.2 路面激励

基于白噪声滤波方法的路面随机激励时域描述如下：

后轮所受路面激励qr与前轮所受路面激励qf之间的关系如下：

2.3 车辆参数及仿真

基于上述的分析，建立半车四自由度模型，采用Simulink软件对轮边驱动电动车进行平顺性仿真，仿真所需的车辆参数如表2所示，以B级路面作为随机路面激励的输入，两种激励结果如表3、表4所示。

表2 车辆仿真参数

表3 路面激励下的仿真数据

表4 电机-路面激励双激励下仿真数据

3 两种不同激励的比较分析

图3进一步说明了两种不同激励下系统的振动特性。

车辆车身加速度均方根值比较，由图3（a）可知：考虑电机激振力后车身加速度振幅明显变大，在初始的3s内表现尤为明显，在时间相位上更为延迟，即达到稳定所需更长时间。

车辆悬架动挠度加速度均方根值比较，由图3（b）可知：考虑电机激振力后车辆悬架动挠度在初始的2s内表现尤为明显，特别在车辆起步阶段，可见电机激励影响效果显著。

车辆轮胎动载荷均方根值比较，由图3（c）可知：考虑电机激振力后车辆悬架动挠度在初始的2s内表现尤为明显，特别在车辆起步阶段。

图3 两种不同激励下系统的振动特性

从以上的分析可知，驱动电机的垂向激振力对轮边驱动电动车的平顺性影响显著，不能忽略。因此，有必要对车辆的部分参数进行优化。

4 平顺性优化及仿真分析

采用AMGA法对表1参数进行优化进行多目标优化，优化后的目标参数如表5所示，其他的参数与表1一致。

表1 车速与电机转速关系表

表5 优化后的部分参数

优化前后系统的振动特性仿真效果如图4所示。

从图4可知，优化后系统的振动特性比优化前提升显著，车身振动加速度下降了7.2%；轮胎动载荷加速度下降了13.6%；尤其悬架动挠度加速度均方根值下降了27.6%，说明优化后的车辆平顺性提升明显。

图4 优化前后系统的振动特性比较

5 结论

①本文考虑了电机—路面耦合激励作用的轮边驱动电动车平顺性影响因素，建立了电机—路面耦合激励作用的半车四自由度模型，分析了有无电机激励的系统响应差别。

②仿真分析了以B级路面为代表的不同车速下的车辆平顺性。结果表明在同一路面与车速下，电机激励对轮边驱动电机的平顺性影响明显，特别在起步阶段。

③优化后系统的振动特性比优化前提升显著，尤其是悬架动挠度加速度均方根值。验证了该系统模型及优化的有效性，为后续研究轮边驱动电动车在路面、电机双激励源下平顺性分析提供了思路与方法。