论文部分内容阅读
摘 要：由轮毂电机驱动的电动汽车，其簧下质量较集中电机驱动的电动汽车有所增加，从而导致车辆行驶的平顺性和操纵性有所恶化。针对此类问题，以自主研发的轮毂电机驱动汽车为基础，提出对原车的悬架进行重新的设计优化，此方案共分为两部分，一为在轮内加装橡胶衬套，使电机处于被隔离状态，二为将原车的减震器替换为半主动减震器，此套悬架系统对整车的平顺性和操纵性有一定程度上的改善。
关键词：轮毂电机;悬架系统;平顺性;操纵性
0 前言
目前汽车行业的发展重心为新能源电动汽车，在众多种类的电动汽车中，轮毂电机这种驱动形式渐渐走入众多学者和企业的眼中，受到各个国家的高度重视[1]，与其他形式驱动的电动车相比，轮毂电机直接驱动的电动汽车具备更好的空间利用率、NVH、安全性以及更简化的底盘结构。
但不可忽视的是，由于轮内电机的引入，将增加汽车的簧下质量，使车辆的垂向性能发生了很大变化，恶化车辆行驶的平顺性和操纵性。文献[2]通过建立汽车二自由度垂向振动模型，在其他因素保持不变的情况下只改变非簧载质量，并对比分析不同簧载质量下汽车平顺性评价指标的变化，分析簧载质量对汽车平顺性的影响大小。文献[3]和[4]分析了轮毂电机驱动形式与集中电机驱动形式的不同之处，并得出了二者非簧载质量不同是造成平顺性恶化的根本原因。
随着此种驱动类型技术难题的不断攻关，轮毂电机电动汽车拥有巨大的市场前景。为了提高轮毂电机驱动汽车的平顺性及操纵性，对其悬架系统的研究有十分重要的意义[5]。
1 轮内减震系统设计研究
1.1 轮毂电机驱动系统的研究
此种驱动形式最早由美国人发明，在1950年代，罗伯特发明了一种电机、传动系统、制动系统一体的轮毂装置。目前来说，此种驱动系统共分为两类，第一类为装备内定子外轉子类型电机的电动轮系统，第二类为装备内转子外定子类型电机的电动轮系统，但是此系统需要为电机适配一个减速机构。我国对轮毂电机驱动系统的研究起步较晚，但也取得了一定成果，如我校自主研发的轮毂电机驱动汽车采用内定子，外转子型电机，并且可以实现四轮独立控制，其轮内结构如图1所示。
1.2 轮内减震系统设计研究
虽然由轮毂电机驱动的电动汽车已经研发多年，并成功造出了实车，但为了使轮毂电机能够完美的安装在电动汽车上，消除由于簧下质量增加产生的垂向负效应，国内外学者以及各大企业进行了很多研究。
为了应对轮毂电机驱动系统垂向性能变差的问题，目前主要有三种解决思路：第一种是轻量化设计;第二种思路是对轮毂电机安装方式进行改进研究;第三种是对改进原车的悬架系统，如重新匹配减震器参数等。对于轮内减震系统的设计，比较著名的为米其林的“主动车轮”，其为轮毂电机在轮内设置了一套主动减震装置，可以减弱转弯时的颠簸以及侧倾，对汽车的平顺性和操纵性也有一定程度的优化，但是其轮内结构过于复杂，无法量产。
考虑到减震效果以及结构实现难度，本文提出可以在轮内设置一套橡胶衬套，其安装位置为电机与车轮结构的连接处，利用橡胶衬套本身具有的刚度和阻尼，使电机在轮内处于被隔离状态。在路面激励的输入下，振动的传递路线为：轮胎、轮辋、橡胶衬套、电机。此种设计对于车辆平顺性和操纵性的优化效果虽不如米其林“主动车轮”好，但是胜在结构简单，易于维修保养，且由于橡胶质量很小，没有进一步增加汽车的簧下质量，同时又可以同时对车辆的车身加速度，轮胎动载荷，悬架动行程起到一定的优化作用。
2 半主动悬架控制策略的研究
考虑到轮内减震系统对于车身加速度、轮胎动载荷、悬架动行程的优化效果有限，提出将原车的减震器替换为半主动减震器，二者共同构成轮毂电机驱动汽车悬架系统，其中对于平顺性和操纵性优化效果影响最大的为半主动减震器的控制策略。
目前现存的控制策略可分为经典控制策略、现代控制策略以及智能控制策略三种。其中典型的经典控制策略为天棚阻尼控制，其原理是模拟在虚拟空间与车身之间安装一个阻尼器来控制簧载质量的振动，当振动频率小于一阶共振峰后不动点处的频率时，此种控制策略对于车身加速度有很好的优化效果。现代控制策略有线性二次型最优控制、自适应控制等。智能控制策略以模糊控制为代表，它利用人类的经验来建立控制规则，根据信号来决定输出。为了能够将不同控制策略的优势发挥到最大，同时避免其先天劣势造成的不良影响，目前主流的发展方向是将不同的控制策略相结合，以达到互补的效果。因此复合控制策略被广大学者认为是汽车悬架未来的主要发展方向。
综合考虑，本文采用频分控制法对半主动减震器进行控制，其主要思想为根据车身震动频率，切换合适的控制策略进行相应的控制，频率选择器的切换频率为车身加速度幅频特性曲线中一阶共振峰后不动点处的频率。由于天棚阻尼控制算法对于低阶频率振动有很好的抑制效果，ADD控制算法在整个频段都能很好的抑制车身振动。因此，本文所提出的频分控制法具体操作为当悬架振动频率小于等于不动点处频率时根据天棚阻尼控制算法设计控制器;当悬架振动频率大于不动点处的频率时根据ADD控制算法设计控制器，频分控制策略对车辆的平顺性和操纵性有很大程度上的优化效果。
3 结论
本文以自主研发的轮毂电机驱动汽车为基础，以优化车辆的平顺性和操纵性为目标，提出设计一套由两部分组成的悬架系统，第一部分为以橡胶衬套为基础的轮内减震机构，第二部分为由频分控制法控制的半主动减震器。此套悬架系统的提出，对轮毂电机驱动汽车的平顺性和操纵性有一定程度上的优化，对轮毂电机驱动汽车减震系统的发展也有一定意义。
参考文献：
[1]Andres Eduardo Rojas Rojas，Haymo Niederkofler， Johann Willberger.Comfort and Safety Enhancement of Passenger Vehicles With In-Wheel Motors[C].SAE 2010 World Congress.2010：11273-11295.
[2]D.Hroat.Influence of unsprung weight on vehicle ride quality[J].Journal of Sound and Vibration， 1988（3）：497-516.
[3]张中南.轮毂电机式电动汽车行驶平顺性与安全性研究[D].南京：南京林业大学，2014.
[4]汪志强.轮毂电机对车辆操纵稳定性和平顺性的影响研究[D].长春：吉林大学，2014.
[5]马英.电动车轮构型分析与结构研究[D].重庆大学，2013.
关键词：轮毂电机;悬架系统;平顺性;操纵性
0 前言
目前汽车行业的发展重心为新能源电动汽车，在众多种类的电动汽车中，轮毂电机这种驱动形式渐渐走入众多学者和企业的眼中，受到各个国家的高度重视[1]，与其他形式驱动的电动车相比，轮毂电机直接驱动的电动汽车具备更好的空间利用率、NVH、安全性以及更简化的底盘结构。
但不可忽视的是，由于轮内电机的引入，将增加汽车的簧下质量，使车辆的垂向性能发生了很大变化，恶化车辆行驶的平顺性和操纵性。文献[2]通过建立汽车二自由度垂向振动模型，在其他因素保持不变的情况下只改变非簧载质量，并对比分析不同簧载质量下汽车平顺性评价指标的变化，分析簧载质量对汽车平顺性的影响大小。文献[3]和[4]分析了轮毂电机驱动形式与集中电机驱动形式的不同之处，并得出了二者非簧载质量不同是造成平顺性恶化的根本原因。
随着此种驱动类型技术难题的不断攻关，轮毂电机电动汽车拥有巨大的市场前景。为了提高轮毂电机驱动汽车的平顺性及操纵性，对其悬架系统的研究有十分重要的意义[5]。
1 轮内减震系统设计研究
1.1 轮毂电机驱动系统的研究
此种驱动形式最早由美国人发明，在1950年代，罗伯特发明了一种电机、传动系统、制动系统一体的轮毂装置。目前来说，此种驱动系统共分为两类，第一类为装备内定子外轉子类型电机的电动轮系统，第二类为装备内转子外定子类型电机的电动轮系统，但是此系统需要为电机适配一个减速机构。我国对轮毂电机驱动系统的研究起步较晚，但也取得了一定成果，如我校自主研发的轮毂电机驱动汽车采用内定子，外转子型电机，并且可以实现四轮独立控制，其轮内结构如图1所示。
1.2 轮内减震系统设计研究
虽然由轮毂电机驱动的电动汽车已经研发多年，并成功造出了实车，但为了使轮毂电机能够完美的安装在电动汽车上，消除由于簧下质量增加产生的垂向负效应，国内外学者以及各大企业进行了很多研究。
为了应对轮毂电机驱动系统垂向性能变差的问题，目前主要有三种解决思路：第一种是轻量化设计;第二种思路是对轮毂电机安装方式进行改进研究;第三种是对改进原车的悬架系统，如重新匹配减震器参数等。对于轮内减震系统的设计，比较著名的为米其林的“主动车轮”，其为轮毂电机在轮内设置了一套主动减震装置，可以减弱转弯时的颠簸以及侧倾，对汽车的平顺性和操纵性也有一定程度的优化，但是其轮内结构过于复杂，无法量产。
考虑到减震效果以及结构实现难度，本文提出可以在轮内设置一套橡胶衬套，其安装位置为电机与车轮结构的连接处，利用橡胶衬套本身具有的刚度和阻尼，使电机在轮内处于被隔离状态。在路面激励的输入下，振动的传递路线为：轮胎、轮辋、橡胶衬套、电机。此种设计对于车辆平顺性和操纵性的优化效果虽不如米其林“主动车轮”好，但是胜在结构简单，易于维修保养，且由于橡胶质量很小，没有进一步增加汽车的簧下质量，同时又可以同时对车辆的车身加速度，轮胎动载荷，悬架动行程起到一定的优化作用。
2 半主动悬架控制策略的研究
考虑到轮内减震系统对于车身加速度、轮胎动载荷、悬架动行程的优化效果有限，提出将原车的减震器替换为半主动减震器，二者共同构成轮毂电机驱动汽车悬架系统，其中对于平顺性和操纵性优化效果影响最大的为半主动减震器的控制策略。
目前现存的控制策略可分为经典控制策略、现代控制策略以及智能控制策略三种。其中典型的经典控制策略为天棚阻尼控制，其原理是模拟在虚拟空间与车身之间安装一个阻尼器来控制簧载质量的振动，当振动频率小于一阶共振峰后不动点处的频率时，此种控制策略对于车身加速度有很好的优化效果。现代控制策略有线性二次型最优控制、自适应控制等。智能控制策略以模糊控制为代表，它利用人类的经验来建立控制规则，根据信号来决定输出。为了能够将不同控制策略的优势发挥到最大，同时避免其先天劣势造成的不良影响，目前主流的发展方向是将不同的控制策略相结合，以达到互补的效果。因此复合控制策略被广大学者认为是汽车悬架未来的主要发展方向。
综合考虑，本文采用频分控制法对半主动减震器进行控制，其主要思想为根据车身震动频率，切换合适的控制策略进行相应的控制，频率选择器的切换频率为车身加速度幅频特性曲线中一阶共振峰后不动点处的频率。由于天棚阻尼控制算法对于低阶频率振动有很好的抑制效果，ADD控制算法在整个频段都能很好的抑制车身振动。因此，本文所提出的频分控制法具体操作为当悬架振动频率小于等于不动点处频率时根据天棚阻尼控制算法设计控制器;当悬架振动频率大于不动点处的频率时根据ADD控制算法设计控制器，频分控制策略对车辆的平顺性和操纵性有很大程度上的优化效果。
3 结论
本文以自主研发的轮毂电机驱动汽车为基础，以优化车辆的平顺性和操纵性为目标，提出设计一套由两部分组成的悬架系统，第一部分为以橡胶衬套为基础的轮内减震机构，第二部分为由频分控制法控制的半主动减震器。此套悬架系统的提出，对轮毂电机驱动汽车的平顺性和操纵性有一定程度上的优化，对轮毂电机驱动汽车减震系统的发展也有一定意义。
参考文献：
[1]Andres Eduardo Rojas Rojas，Haymo Niederkofler， Johann Willberger.Comfort and Safety Enhancement of Passenger Vehicles With In-Wheel Motors[C].SAE 2010 World Congress.2010：11273-11295.
[2]D.Hroat.Influence of unsprung weight on vehicle ride quality[J].Journal of Sound and Vibration， 1988（3）：497-516.
[3]张中南.轮毂电机式电动汽车行驶平顺性与安全性研究[D].南京：南京林业大学，2014.
[4]汪志强.轮毂电机对车辆操纵稳定性和平顺性的影响研究[D].长春：吉林大学，2014.
[5]马英.电动车轮构型分析与结构研究[D].重庆大学，2013.