輪轂電機對汽車瞬態操穩特性的影響

徐剛　龐赟　周毅　周鋐

摘要： 基于某A級車各總成性能試驗數據，利用CarSim建模仿真，并結合整車操作穩定性試驗結果驗證仿真模型的準確性.依據輪轂電機設計方案，對加裝輪轂電機后的汽車進行仿真，分別從開環和閉環的角度評價輪轂電機對汽車瞬態操縱穩定性的影響.結果表明：加裝輪轂電機后，汽車瞬態動態響應幅度減弱，響應變遲緩，軌跡跟蹤性降低，駕駛負擔增加.

關鍵詞： 汽車； 操縱穩定性； 輪轂電機； 參數化建模； CarSim

中圖分類號： U461.1文獻標志碼： B

Abstract： Based on the assembly performance test data of an A-class vehicle， the whole vehicle model is built and simulated by CarSim， and the accuracy of the model is verified combining with the handling behavior test results. According to the hub motor design scheme， the vehicle installed with hub motor is simulated， and the effect of hub motor on vehicle transient handling behavior is analyzed by open-loop and closed-loop evaluations. The simulation results show that， after the vehicle is installed with hub motor， the transient dynamical response is weakened， the response is delayed， the tracking ability is decreased， and the driving burden increases.

Key words： automobile； handling behavior； hub motor； parameterized modeling； CarSim

0引言

近幾年，新能源車得到迅猛發展，各大汽車廠家也都嘗試采用輪轂電機的驅動方式，如：日本三菱公司通過在后輪安裝2部20 kW的輪轂電機，推出Colt EV型電驅車；沃爾沃汽車公司在其C30車型的基礎上，采用英國PML公司的輪轂電機，推出C30增程式電動車[1]；德國寶馬公司也為其Mini Copper車加裝PML公司的輪轂電機[2]；國內的奇瑞公司通過在后輪加裝2部30 kW的輪轂電機，推出瑞麟X1.EV.

然而，輪轂電機的安裝會增加非簧載質量，對汽車行駛動力性、安全舒適性、操縱穩定性提出更高要求.日本豐田公司通過優化設計，降低輪轂電機對非簧載質量的影響，并通過控制手段增強車輛的制動穩定性、乘坐舒適性、轉向操控性等.[3]英國Protean Electric公司委托英國Lotus公司完成非簧載質量的改變對汽車動力學性能影響的研究.[4]奧地利格拉茨技術大學通過仿真分析不同類型輪轂電機對汽車舒適性和行車安全性的影響.[5]國內，為研究輪轂電機對汽車垂向性能的影響，同濟大學相繼研制出“春暉”系列車型[6-7]；吉林大學依托奇瑞的瑞麟，探索非簧載質量對汽車動力學性能的影響[1].

本文以某A級車各總成（懸架、轉向系、輪胎等）性能試驗結果為基礎，利用動力學軟件CarSim建立整車動力學模型，對典型操穩工況進行仿真，并與實車試驗結果對比驗證該動力學模型準確性后，依據輪轂電機設計方案，改變車輛質量和慣量參數，對加裝輪轂電機后的汽車進行瞬態工況仿真，并分別從開環和閉環的角度對加裝輪轂電機后的汽車瞬態操縱穩定性能的變化進行評價.

1參數化整車動力學模型建立

基于某A級車懸架總成K&C特性（運動學、彈性運動學特性）測試值，輪胎動態性能（側偏、外傾特性）測試值，轉向系統性能（轉向幾何、轉向傳動比、轉向干摩擦、轉向助力）測試值，以及外飾尺寸測量值和整車轉動慣量測量值，在車輛動力學軟件CarSim中進行整車動力學建模，對典型操穩工況進行仿真，并與實車試驗值[8-9]比較.

圖1和2為依據文獻[10]方向盤轉角階躍輸入瞬態響應試驗，按車速約100 km/h，在方向盤峰值轉角25°輸入下，側向加速度與橫擺角速度時域曲線試驗值與仿真值的對比.圖3和4為車速約100 km/h，依照文獻[10]方向盤中間位置試驗，方向盤力矩梯度特性曲線試驗值與仿真值的對比.在圖2中，試驗與仿真曲線在階躍峰值點幅值基本一致，無相位偏差；響應穩定后，兩者誤差在10%以內；在圖4中，試驗與仿真曲線的力矩梯度值較一致，兩者誤差在10%以內，說明汽車動姿態響應和方向盤力矩反饋仿真結果達到滿意精度，為后續研究提供保障.

2輪轂電機對整車操縱穩定性瞬態性能的仿真

2.1考慮輪轂電機整車模型的建立

由于本文不進行底盤結構形式的修改，在保持懸架、轉向系統和輪胎性能參數不變的前提下，換裝輪轂電機后，原車非簧載質量、整車轉動慣量及質心位置是對操穩性改變最顯著的參數.輪轂電機質量設計值約30 kg，分別安置在4個軸頭處，其對轉動慣量的改變按式（1）計算，對質心高度的改變按式（2）計算.Ijj=Ijj+4i=1mir2ji（1）式中：Ijj為安裝輪轂電機前（原車）繞三軸（側傾/橫擺/俯仰）的轉動慣量；Ijj為安裝輪轂電機后（設計車）的轉動慣量；rji為各輪轂電機至3條軸線的距離.H′=（H×M+Hhub×m）/（M+m）（2）式中：H′為設計車的質心高度；H為原車的質心高度；Hhub為輪轂電機安裝高度；M為原車整備質量；m為輪轂電機總質量.原車及設計車后的質量、慣量參數見表1.

2.3考慮汽車運動及響應反饋的閉環評價

對瞬態操縱的評價還應包含人-車-路的交互作用.ISO的規范中以雙移線[11]和避障[12]試驗，結合主觀評價評估汽車運動和響應反饋的綜合性能.

文獻[13]和[14]以14類車在駕駛模擬器上獲取的主觀評價結果，采用“總方差評價方法” [15]，建立反映駕駛主觀感受的客觀評價體系.體系中包含汽車的軌道跟蹤精度、駕駛員操作負擔、翻車危險性、側滑危險性以及駕駛員路感等指標.本文對原車和設計車分別進行車速為80 km/h的雙移線工況仿真（見圖7），并采用文獻[16]列出的標準門檻值和權值，計算各評價指標，見表3.由表3可知：加裝輪轂電機后車輛軌跡跟蹤性下降.雖然軌跡誤差指標（橫向位移偏離規劃路徑的方差）略有上升（原車為3.558 8，加輪轂電機為3.437 4），但方向誤差指標（縱向車速與側偏角速度乘積）下降明顯（原車為1.594 9，加輪轂電機為2.201 8）.這是因為非簧載質量的增加影響汽車瞬時的行駛方向，進而影響道路跟隨性.反映駕駛員負擔指標的項，設計性能下降也十分顯著.無論是方向盤操縱的繁忙程度（方向盤轉角頻率）還是方向盤力矩沉重程度，加裝輪轂電機后均增加駕駛負擔.

3結束語

本文以某A級車總成性能試驗參數為基礎，在CarSim中建立整車動力學模型，對典型操穩工況進行仿真，并與實車試驗值比較，驗證該動力學模型的準確性.依據輪轂電機設計方案，改變車輛相應參數，進行典型瞬態操縱穩定性工況的仿真.由汽車響應的開環評價可知，時域和頻域結果均表明加裝輪轂電機后，汽車瞬態運動（側向加速度、橫擺角速度）的響應幅值下降，反應遲滯度增加，振蕩效果降低；由汽車動態響應反饋的閉環評價可知，加裝輪轂電機后，汽車人-車-路操縱的總體性能下降，主要體現在軌跡跟蹤性和駕駛負擔性2項指標上.以上仿真研究結果還需通過后續實車試驗進行驗證.參考文獻：

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