基于前后驅布置方案的微型電動汽車平順性研究

黃如波

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

0 引言

平順性作為汽車的重要性能之一，已有許多學者對其影響因素開展了大量的研究,主要集中于輪胎剛度、懸架剛度和阻尼等方面[1-3]，而關于非懸掛質量與懸掛質量比率變化對平順性影響程度的研究較少。本文作者以一款微型電動汽車為例，通過建立整車八自由度平順性模型對前后驅布置時非懸掛質量與懸掛質量的變化對平順性的影響進行研究。

1 微型電動汽車的前后驅布置

在電動汽車總布置設計過程中，傳統汽車的發動機和燃油箱被電動汽車的電動機和動力蓄電池所替代[4-6]。動力蓄電池為懸掛質量且位置易于布置，因此微型電動汽車的前后驅布置主要是驅動部件的布置，采用前驅動布置時由于前輪轉向功能的存在，驅動部件不能直接布置在車輪附近，此時的驅動部件需布置于前艙，通過萬向節驅動車輪行駛，則驅動部件的質量表現為懸掛質量；而采取后驅布置時既可將驅動部件置于后車架上，也可將驅動部件布置為直接通過半軸驅動后輪行駛。前者驅動部件的質量是懸掛質量，而后者則為非懸掛質量。前者由于需要其他附屬零部件來實現驅動行駛，故對于微型電動汽車的實用性不強，因此后驅布置僅僅考慮驅動部件質量為非懸掛質量的情形。

2 微型電動車平順性模型的建立

在建立模型時，作如下假設：(1)路面的不平度系數不變，僅與所選的路面等級有關。(2)車身和車架的剛度足夠大，不考慮車架彈性變形引起的各階振型。(3)僅考慮輪胎的剛度，忽略寬度以及阻尼的影響。(4)在路面激勵的作用下，車身在平衡位置附近做微幅振動[7-8]。在以上假設的條件下，建立如圖1所示的整車八自由度模型。

圖1中：mi(i=1,2,3,4)為非懸掛質量；m5為人椅系統質量；mb為車身質量；ci(i=1,2,3,4)為懸架阻尼；c5為人椅系統阻尼；ki(i=1,2,3,4)為懸架剛度；k5為人椅系統剛度；kj(j=6,7,8,9)為輪胎剛度；qi(i=1,2,3,4)為輪胎的路面輸入；l1為座椅到質心水平方向的距離；l2為人椅系統到質心橫向的距離；l3、l4分別為左、右車輪到質心橫向的距離；l5為前輪到質心水平方向的距離；l6為后輪到質心水平方向的距離；z為車身的垂直位移；zi(i=1,2,......，5)分別為對應的垂直位移；θ為俯仰角；ψ為側傾角；Ix為車身繞x軸的轉動慣量；Iy為車身繞y軸的轉動慣量。

圖1 整車八自由度模型

2.1 振動微分方程的建立

在車身俯仰角和側傾角較小的情況下，車身與懸架連接處以及座椅的垂直位移方程為

(1)

車輪以及座椅的運動方程：

(2)

車身的運動微分方程為

(3)

將式(1)(2)(3)寫成如下形式：

(4)

其中：

M=diag(m1，m2，m3，m4，m5，mb，Iy，Ix)

Z=(z1，z2，z3，z4，z5，z，θ，ψ)T

Q=(q1，q2，q3，q4)T

將公式(4)寫成狀態方程：

(5)

2.2 路面輸入模型

路面不平度功率譜密度采用下式[9-10]：

(6)

式中：n為空間頻率(m-1)，為波長的倒數；n0為參考空間頻率，n0=0.1 m-1；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，單位為m-3；W為頻率指數，一般W=2。汽車振動的輸入除了路面不平度外，還要考慮車速因素。一定車速u下駛過空間頻率為n的路面不平度時的輸入的時間頻率f是n與u的乘積，即f=un，由此可以得到時間頻率譜密度與空間頻率譜密度的關系為

(7)

四輪汽車輸入中，前后輪處路面輸入相差一個時間滯后量Δt，它取決于軸距L與車速u：

Δt=L/u

(8)

2.3 評價方法

(9)

對記錄的加速度時間歷程a(t)進行頻譜分析得到功率譜函數Ga(f)[11]，對功率譜函數進行加權計算得到加權加速度均方根值aw的公式：

(10)

其中：W(f)為頻率加權函數。

3 仿真過程

樣車的參數列于表1，對所建立的模型取B級路面，對以車速45 km/h行駛時的后驅布置車輛平順性進行仿真，其車身、座椅的垂向加速度和功率譜如圖2—圖5所示。

表1 電動汽車的部分參數

圖2 車身垂直加速度

圖3 車身垂直加速度功率譜

圖4 座椅垂直加速度

圖5 座椅垂直加速度功率譜

從圖3可以看出：車身的振動主要集中在2～3 Hz、5～10 Hz以及15 Hz的范圍內。從圖5可以看出：座椅振動集中在2～3 Hz內。

針對座椅的Z向加速度仿真結果，按照GB/T 13441.1-2007的評價準則做出的舒適性降低界限時間如圖6所示，其后驅布置的駕駛員舒適性界限時間為4.8 h。

圖6 座椅Z向舒適性降低界限時間

4 試驗驗證

依標準[12]給定的方法，在干燥瀝青路面，以45 km/h的速度行駛，在座椅上安裝三向加速度傳感器，測得的Z向加速度信號經過數據處理系統進行處理，得到座椅的加速度功率譜和舒適性降低界限時間分別如圖7和圖8所示。

圖7 試驗的座椅垂直加速度功率譜

圖8 試驗的座椅Z向舒適性降低界限時間

由試驗和仿真的座椅垂直加速度功率譜圖可以看出，兩者的圖形基本吻合，試驗的舒適性降低界限時間是4.5 h，而仿真的舒適性降低界限時間是4.8 h，這主要是由于道路不平度的差異以及試驗設備、數據分析設備的誤差引起的，可以認為所建仿真模型是可信的。

5 非懸掛質量與軸荷之比對平順性的影響

對微型電動汽車，由于各軸所分配載荷相對較小，驅動部件的質量由于采用不同的驅動電機、減變速裝置而有較大變化，這部分質量與軸荷的比例也會有較大變化，由此對整車平順性會帶來影響。

無論采用前驅或后驅布置，均假設此時的前后軸荷分配為1∶1，并且不隨驅動部件的質量而改變。在前后驅布置時，分別針對前軸及后軸的非懸掛質量與懸掛質量的比率對平順性的影響進行了研究。為此,以B級路面為輸入，在20、30和45 km/h時仿真得到的車身、座椅加速度均方根值及Z向舒適性界限時間變化分別如圖9—圖11所示。

圖9 前后驅布置的車身加速度均方根值

圖10 前后驅布置的座椅加速度均方根值

圖11 前后驅布置的Z向舒適性降低界限時間

驅動部件的質量增加時，前驅布置時前軸的非懸掛質量與懸掛質量的比例減小，后驅布置時后軸的非懸掛質量與懸掛質量的比值增加。從圖9中得出:對于車身加速度均方根值，前后驅布置時與相應的非懸掛質量與懸掛質量之比的變化一致。座椅加速度均方根值如圖10所示:前驅布置時，前軸的非懸掛質量與懸掛質量之比減小，座椅的加速度均方根值也減小;在30、45 km/h時后驅布置的座椅加速度數值隨著非懸掛質量與懸掛質量之比的增加而減小，而在20 km/h速度時的數值變化相反。Z向舒適性降低界限時間的變化見圖11：在相同的速度下，前驅布置的數值隨著前軸非懸掛質量比例的減小而增加；后驅的數值在30、45 km/h的速度下隨著后軸的非懸掛質量與懸掛質量之比的增加而增加，而在20 km/h速度下的舒適性界限時間逐漸減小。

前驅布置時前軸的非懸掛質量與懸掛質量的比率減小，車身、座椅加速度均方根值也減小，Z向的舒適性降低界限時間增加，并且車身加速度的變化趨勢比較明顯。這主要是前驅布置時驅動部件為懸掛質量，懸掛質量的增加帶來固有頻率的降低，車身加速度減小；而座椅加速度變化不明顯，主要是座椅衰減振動的作用。后驅時，車身加速度隨著非懸掛質量與懸掛質量的比例增加也增加，這種變化趨勢與20 km/h速度下的座椅加速度均方根值變化一致，而與30、45 km/h速度下的加速度變化相反。由于驅動部件此時表現為非懸掛質量，而非懸掛質量的增加對車身振動產生的不利影響有限，車身加速度變化不明顯。鑒于整車自由度之間的耦合作用，座椅加速度變化趨勢與車身的變化不一致。前后驅布置時，在20 km/h速度時的Z向舒適性降低界限時間小于30 km/h速度時的數值，關鍵是在不同的速度下最大垂向加速度的1/3倍頻程中心頻率不同，20 km/h速度時的中心頻率是5 Hz，而30 km/h速度時的數值是4 Hz。

6 結論

(1)前驅布置時，驅動部件質量的增加導致前軸非懸掛質量與懸掛質量之比下降，車身加速度和座椅加速度減小，舒適性的改善明顯。

(2)后驅布置時，后軸非懸掛質量與懸掛質量的比率增加對車身振動產生不利影響，但這種影響有限，座椅加速度在速度改變時出現不同趨勢。

(3)一定速度范圍內的Z向舒適性降低界限時間與車速成反比，而低速時的數值需要考慮峰值加速度對應的1/3倍頻程中心頻率大小的影響。