基于半車振動模型的輪邊驅動電動車平順性分析

高雄 GAO Xiong

（福建華威鉅全精工科技有限公司，福州 350001）

0 引言

針對輪邊電機驅動引起的電動車平順性問題，國內外進行了大量的研究工作。文獻[1]基于輪邊驅動系統非簧載質量增加惡化了車輛平順性問題，研究了電機在不同輸出扭矩下，通過調節主被懸架的參數來探討改善車輛平順性的可行性措施，文獻[2]通過動力學模型，從理論上研究抑制驅動電機轉矩波動和激振力的有效方式；文獻[3]研究了電機本體中的定子形狀對驅動電機振型電磁性能的影響，提出了電機設計模型、振型、激振力這三者之間的一個近似關系；文獻[4]采用有限元法對驅動電機激振的電磁力波頻域和時域進行了分析，研究了驅動電機激振磁力波隨輸入電流、轉子位置的變化規律，文獻[5]對某純電動汽車的固有振動頻率、車速及路面不平度之間的關系進行了研究。

分析過往的研究，通常以簧載質量、電機激振、路面不平度中的某個來研究輪邊驅動電動車的平順性，而以電機-路面耦合激勵作用的研究較少。

本文基于電機和路面耦合激勵的半車四自由度振動模型，采用白噪聲濾波法對時域內的隨機路面進行平順性仿真分析，探究在電機-路面耦合激勵作用下的輪邊驅動電動車平順性的影響及研究方法。

1 半車振動模型的建立

1.1 半車四自由度模型

為研究輪邊電機驅動電動車的平順性，本文采用如圖1所示的振動模型。

圖1 半車四自由度振動模型

其運動微分方程如下：

式中，{z}為位移向量；{q}為路面激勵向量；[m]為質量矩陣；[c]為阻尼矩陣；[k]為剛度矩陣；[kf]為與路面激勵對應的矩陣。

1.2 平順性評價指標

式中，n為采樣點個數，a為振動加速度。

2 半車模型的平順性分析

2.1 電機激振力

電機轉速與車速之間的關系可以表示為：

Rr為車輪半徑Rr=0.36m；i為傳動比i=10.6。

通過公式計算電機隨機振動的激振力難度比較大且影響準確度。本文的電機激振力采用臺架試驗實測得到，電機在500rpm下的電機垂向加速度時域信號和垂向激振力時域信號如圖2所示。

圖2 電機垂向激振力測試與信號

2.2 路面激勵

基于白噪聲濾波方法的路面隨機激勵時域描述如下：

后輪所受路面激勵qr與前輪所受路面激勵qf之間的關系如下：

2.3 車輛參數及仿真

基于上述的分析，建立半車四自由度模型，采用Simulink軟件對輪邊驅動電動車進行平順性仿真，仿真所需的車輛參數如表2所示，以B級路面作為隨機路面激勵的輸入，兩種激勵結果如表3、表4所示。

表2 車輛仿真參數

表3 路面激勵下的仿真數據

表4 電機-路面激勵雙激勵下仿真數據

3 兩種不同激勵的比較分析

圖3進一步說明了兩種不同激勵下系統的振動特性。

車輛車身加速度均方根值比較，由圖3（a）可知：考慮電機激振力后車身加速度振幅明顯變大，在初始的3s內表現尤為明顯，在時間相位上更為延遲，即達到穩定所需更長時間。

車輛懸架動撓度加速度均方根值比較，由圖3（b）可知：考慮電機激振力后車輛懸架動撓度在初始的2s內表現尤為明顯，特別在車輛起步階段，可見電機激勵影響效果顯著。

車輛輪胎動載荷均方根值比較，由圖3（c）可知：考慮電機激振力后車輛懸架動撓度在初始的2s內表現尤為明顯，特別在車輛起步階段。

圖3 兩種不同激勵下系統的振動特性

從以上的分析可知，驅動電機的垂向激振力對輪邊驅動電動車的平順性影響顯著，不能忽略。因此，有必要對車輛的部分參數進行優化。

4 平順性優化及仿真分析

采用AMGA法對表1參數進行優化進行多目標優化，優化后的目標參數如表5所示，其他的參數與表1一致。

表1 車速與電機轉速關系表

表5 優化后的部分參數

優化前后系統的振動特性仿真效果如圖4所示。

從圖4可知，優化后系統的振動特性比優化前提升顯著，車身振動加速度下降了7.2%；輪胎動載荷加速度下降了13.6%；尤其懸架動撓度加速度均方根值下降了27.6%，說明優化后的車輛平順性提升明顯。

圖4 優化前后系統的振動特性比較

5 結論

①本文考慮了電機—路面耦合激勵作用的輪邊驅動電動車平順性影響因素，建立了電機—路面耦合激勵作用的半車四自由度模型，分析了有無電機激勵的系統響應差別。

②仿真分析了以B級路面為代表的不同車速下的車輛平順性。結果表明在同一路面與車速下，電機激勵對輪邊驅動電機的平順性影響明顯，特別在起步階段。

③優化后系統的振動特性比優化前提升顯著，尤其是懸架動撓度加速度均方根值。驗證了該系統模型及優化的有效性，為后續研究輪邊驅動電動車在路面、電機雙激勵源下平順性分析提供了思路與方法。