基于ADAMS/Car軟件研究輪轂電機驅(qū)動電動汽車的平順性

（汽車工程學(xué)院 上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

隨著人們的生活水平的不斷提高，人們開始追求生活質(zhì)量，隨之而來的就是汽車的數(shù)量不斷的增加。然而傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車會帶來嚴重的環(huán)境污染問題。為了改善我們生活的環(huán)境，提高能源的利用率，所以提出了輪轂電動機驅(qū)動電動汽車，該輪轂電機汽車可以有效的減少能源的消耗量，并且可以減少大量的傳動部件，離合器，變速器等。然而由于輪轂電機直接安裝在車輪上，這導(dǎo)致了汽車的非簧載質(zhì)量的增加，進而影響到輪轂電機驅(qū)動電動汽車的平順性[1,2]。通過利用ADAMS/Car軟件進行仿真分析來提高汽車的平順性。

1 路面模型的建立

建立隨機路面激勵的時域模型有濾波白噪聲生成法，有以PSD模型為基礎(chǔ)的隨機時序生成法，諧波疊加法，快速Fourier反變換生成法等。以上幾種方法各有各的優(yōu)缺點，其中諧波疊加法適用于國標道路譜時域模型的生成。諧波疊加法缺點就是計算量大與其他方法相比的，諧波疊加法優(yōu)點是該方法理論基礎(chǔ)比較成熟和嚴密，算法簡單直觀，是一種高保真的頻域模型轉(zhuǎn)換木方法[3]本文采用諧波疊加法來創(chuàng)建隨機路面不平度的頻域模型。

通過隨隨機路面激勵的分析，隨機路面不平度位移功率譜密度擬合公式如下：

將空間頻率范圍(n1,nu)劃分為n個頻帶，取每個頻帶內(nèi)的中心頻nmi(i=1,2,…,n)處的頻譜密度值Gq(nmi)代替Gq(n)在整個頻帶內(nèi)的值則：

每一個頻帶中找到其頻率為nmi且其標準差為的正弦函數(shù)，然后將與各個小區(qū)間相對的正弦波函數(shù)疊加起來，隨機路面輸入：

根據(jù)不同等級路面的不平度系Gq(n0)的取值，計算空間頻率范圍內(nèi)的Gq(n)，對其離散化處理，代入式(4)計算出空間頻域內(nèi)的隨機路面 位移輸入q(x)，根據(jù)以上公式創(chuàng)建出ADAMS要求的不同等級路面文件。

表1 路面不平度系數(shù)

2 前懸架模型建立

汽車是縱向?qū)ΨQ的系統(tǒng)，通ADAMS/Car對前懸架系統(tǒng)建立模型時，只需要建立一半的模型就可以了，另外一半的前懸架模型會自動生成，這樣可以有效的減少建模型的時間，調(diào)高工作效率，提高了模型的準確度。

前輪懸架導(dǎo)向機構(gòu)采用的是雙橫臂形式，前懸架的導(dǎo)向機構(gòu)形式主要有上下擺臂，轉(zhuǎn)向橫拉桿以及轉(zhuǎn)向節(jié)。雙橫臂懸架導(dǎo)向結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雙橫臂懸架導(dǎo)向結(jié)構(gòu)簡圖

O為車輪中心，AB、AC組成轉(zhuǎn)向節(jié)，AD，DJ組成轉(zhuǎn)向橫拉桿，BE，BF為上控制臂，CG，CH為下控制臂。前輪雙橫臂懸架導(dǎo)向機構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)的約束主要有球鉸和轉(zhuǎn)動副兩種形式。

懸架是汽車上主要的組成部分，是汽車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總成。一般的組成部分包括彈性元件，導(dǎo)向機構(gòu)以及減震器和緩沖塊組成等。另外其具有緩和由不平路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，可以有效的減緩承載系統(tǒng)的振動，以滿足汽車的正常的行駛[4]在建模過程中需把彈簧、減震器、和輪胎外的部件簡化為剛體，這些簡化為剛體的部件在仿真時不考慮其仿真實驗時的變形。本文中的輪轂電機驅(qū)動電動汽車的前懸架采用的是雙橫臂式獨立懸架。主要的組成部件包括：上橫臂、下橫臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、主軸銷、減震器、螺旋彈簧、橫向穩(wěn)定桿等。如圖2所示。

圖2 前懸架模型

表2 前懸架硬點坐標表

3 后懸架模型的建立

本文所研究的汽車采用后懸架雙叉臂式獨立懸架，該懸架采用的是A字型控制臂和上下兩根不等長的V字型以及支柱式液壓減震器組成，一般來說上節(jié)臂短于下節(jié)臂。在整個雙叉臂式獨立懸架中，通過幾個支點的連接可以有效的提高了整體性，這個懸架的上下節(jié)臂還可以有效的消除橫向作用力的功效，這可以減少減震器不再承受橫向作用力，因此在彎道上具有良好的方向穩(wěn)定性[5]。

圖3 后懸架模型

表3 后懸架硬點坐標表

4 其他系統(tǒng)模型的建立

4.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型采用的是齒輪齒條式的轉(zhuǎn)向器。主要構(gòu)成部分有轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向齒條、齒輪和轉(zhuǎn)向橫拉桿。建立此模型前提是車身固定，轉(zhuǎn)向盤于車身為轉(zhuǎn)動鉸鏈，第一段的轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向盤之間采用固定連接，和車身采用圓柱鉸鏈。第一段轉(zhuǎn)向軸和第二段轉(zhuǎn)向軸之間、第二段轉(zhuǎn)向軸與第三段轉(zhuǎn)向軸之間都是采用的是萬向鉸鏈。轉(zhuǎn)向橫拉桿與第三根轉(zhuǎn)向軸的末尾連接，連接方式采用的是齒輪齒條式連接，轉(zhuǎn)向橫拉桿相對于車身為移動副，然而轉(zhuǎn)向橫拉桿的兩端一端與前懸架系統(tǒng)連接，另一端采用球鉸相連接。轉(zhuǎn)向齒條采用的一個移動副和一個轉(zhuǎn)向器的套筒連接，利用一個耦合副約束該旋轉(zhuǎn)副與移動副之間的運動情況，轉(zhuǎn)向齒條使用的是兩個橡膠襯套與左右兩根轉(zhuǎn)向拉桿連接，轉(zhuǎn)向拉桿在通過球副和轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接[6]。

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

表4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)坐標表

4.2 輪胎模型

輪胎是汽車非常重要的組成部分，輪胎的主要作用有：傳遞側(cè)向力和為車輛提供轉(zhuǎn)向，傳遞縱向力以實現(xiàn)驅(qū)動、加速和制動；支撐整車的重量；與懸架共同作用，衰減和抑制由路面不平引起的振動和沖擊。在ADAMS軟件中包含了多種汽車輪胎模型，并且具有足夠的精度，各個類型的輪胎適用于不同的場合，每種輪胎的側(cè)重點也是不一樣的。以下是本輪采用的SWIFT輪胎模型[7]。

車身模型起到連接前后懸架，轉(zhuǎn)向系的作用，只有建立起車身模型并正確定義與其他系統(tǒng)的通訊關(guān)系，才能夠保證整車仿真的順利。在建立車身過程中，將車身簡化為一個質(zhì)點，質(zhì)量集中在一點，同時設(shè)定質(zhì)量參數(shù)。

圖5 輪胎模型

5 整車模型的裝配

圖6 整車模型

圖7 整車測試模型

6 整車仿真分析

通過仿真分析，由于輪轂電機純電動汽車的結(jié)構(gòu)影響，電機是直接安裝在車輪上的，所以這將導(dǎo)致輪轂電機驅(qū)動電動汽車的非簧載質(zhì)量的增加，這將影響到汽車行駛的平順性。本次仿真是在瀝青路面上進行的仿真實驗。由于汽車多數(shù)是在城市上行駛的所以把汽車的行駛速度預(yù)定為60km/h。由于輪轂電機驅(qū)動純電動汽車，由于仿真的情況需求。把電機假設(shè)為剛體。隨著非簧載質(zhì)量的增加，輪轂電機驅(qū)動電動汽車的平順性的變化。根據(jù)需求的話，可能需要考慮到在汽車車架上考慮到座椅的振動情況。分為三個方向，x，y，z這幾個方向通過求出這幾個功率譜密度函數(shù)，再求出加權(quán)加速度均方根值[8]。最后計算出加權(quán)振級。計算出振動頻率實在那個階段，對人體的影響有多大。

影響汽車的平順性的主要的的影響因素主要是車身垂向加速度，懸架動擾度和車輪動載荷。首先把車輪的質(zhì)量定在25kg，根據(jù)ADAMS/Car軟件仿真著的結(jié)果結(jié)果分析得出了車身垂向加速度，懸架動擾度和車輪動載荷曲線[9,10]。非簧載質(zhì)量可以簡單的描述為整車上不受懸架彈簧支撐的重量。這部分包括車輪、制動器、懸架桿系、轉(zhuǎn)向節(jié)等，而在電動輪汽車上，輪轂電機直接驅(qū)動輪胎，將電機安裝在輪輞內(nèi)。因此驅(qū)動電機的質(zhì)量會被算作非簧載質(zhì)量，而且相對于傳統(tǒng)汽車，驅(qū)動電機的引入對非簧載質(zhì)量的增加時非常明顯的，非簧載質(zhì)量是整車振動系統(tǒng)中的主要組成部分，影響著車身所承受的沖擊載荷的大小，也是影響整車行駛平順性的重要因素[11,12]。

由于非簧載質(zhì)量包含的部件很多，這也隨測量其大小帶來很大的不便。本文所建的模型中，引入得驅(qū)動電機簡化部分，修改其質(zhì)量大小并仿真，觀察費簧載質(zhì)量的變化對車身垂向加速度、懸架動擾度以及懸架動擾度的影響。

圖8 質(zhì)量25kg示意圖

圖9 質(zhì)量35kg示意圖

圖10 質(zhì)量45kg示意圖

圖11 質(zhì)量55kg示意圖

6 結(jié)論

根據(jù)以上圖形分析可以看出隨著非簧載質(zhì)量的增加，車身垂向加速度、懸架動擾度及車輪動載荷有著明顯的增加，汽車的平順性有著明顯的下降。非簧載質(zhì)量的變化對車身垂向加速度和車輪動載荷的影響都是明顯的，并且都隨著非簧載質(zhì)量增加而增加。非簧載質(zhì)量的增加使得車輛行駛性有惡化的趨勢。電動輪汽車的輪轂驅(qū)動安裝在輪轂驅(qū)動電機的內(nèi)部，這將不可避免的增加非簧載質(zhì)量，進而影響車輛行駛平順性，非簧載質(zhì)量的的增加主要影響車輪載荷的增加，這將惡化車輛輪胎的接地性能。