胡廷輝熊金峰杜衛彬張衛林文
Abstract
AnalysisandOptimizationontheRideComfortofanin-WheelDrivenElectricVehicle
Inviewofthein-wheeldriveelectricvehicles,duetothechangesofunsprungmass,ridecomfortisthereforeinfluenced.Aquartervehicledynamicsmodelisestablished,andindicatorstoevaluatetheridecomfortofsuchvehiclesarederivedbasedontherootmeansquareandamplitude-frequencycharacteristicofverticalresponse.A12meterin-wheelmotordrivenelectricbuswithairsuspensionsystemistakenasresearchobject,andtheabovementionedindicatorsareappliedtoanalyzetheeffectsofsuspensionstiffnessanddamping,withtheaimtoprovidearangeoffeasibleoptionsforparametermatchingandoptimizationofin-wheeldrivenelectricvehiclesuspensionsystems.
采用輪毂驅動系統的電動汽車，在結構上取消了傳統汽車的動力傳動系統，直接進行車輪驅動，具有可操控性好、傳動損失低、車身内部空間布置靈活、易于模塊化生産等諸多優勢。伴随我國新能源汽車産業的快速發展和國家對節能環保的切實需求，輪毂驅動系統将會得到快速發展。同時，非簧載質量将會發生變化，使得車輛的垂向、橫向以及縱向力學特性發生顯著變化，從而對輪毂驅動電動車懸架系統的參數匹配與優化提出了新的要求。因此，圍繞分析與評估輪毂驅動系統對汽車平順性、操縱穩定性的影響，廣大研究工作者們進行了大量的研究工作。本文結合業内多位學者的分析研究，采用了組合優化的算法，因求解的變量數目有限，在一定的計算精度内，可對變量的所有可能的組合進行遍曆計算。
平順性性能指标
影響車輛平順性的因素很多，主要有車輛的振動、噪聲、加速度等。車輛的振動表現在垂直、橫向和縱向3個方向上，當所處環境的振動頻率接近于器官固有頻率時，人體器官就會引起不舒适感。試驗證明，人體對4～8Hz的振動最敏感，為人體的第一共振區；10～12Hz的振動次之，為人體的第二共振區；20～25Hz的振動又次之，為人體的第三共振區。随着振動頻率的增高，外界振動對人體生理反應的影響程度逐步減弱。綜合車輛的性能參數，研究者們發現，汽車的共振頻率帶主要與人體的頭部和胸腔内髒的共振頻率接近，而幾乎都落在上述3個共振區。車輛一旦發生振動，極易引起駕乘人員的不舒适感。因此，研究車輛的動态特性、降低系統的共振頻率、減弱人體敏感頻帶上的振動幅度非常必要。依據論文《客車空氣懸架系統優化匹配技術與試驗研究》，汽車平順性随機輸入行駛試驗條件下，車身加速度均方根值≤1.3m/s2,汽車平順性脈沖輸入行駛試驗條件下，車身加速度均方根值≤30m/s2，這2個指标作為電動車垂向的平順性性能指标。
輪毂驅動車輛1/4車輛動力學模型
1.車輛動力學模型
輪毂驅動的電動車将輪毂電機、減速機構、制動器等部件高度集成布置于車輪内，将車輛的一部分質量m3由簧上轉到簧下m1，使車輛非簧載質量增加。為建立如圖1所示的1/4車輛簡化模型，特做出如下假設：電動汽車實際空間結構基本對稱于縱軸線，懸架質量分配系數接近1，且左、右車轍不平度函數相同。m1為除輪毂電機系統外的非簧載質量，即車輪系統質量(輪胎、車輪和制動器等)；m2為車輛簧載質量；m3為輪毂電機系統質量(對于非直接驅動，則含減速機構的質量)；q0為路面不平度；z1和z2分别為車輪和車身的垂向位移；k1、c1分别為輪胎垂向剛度和阻尼；k2、c2分别為懸架剛度和阻尼。
其車輛垂向振動方程為：
電動車輛的基本結構參數如表1所示，選取12m空氣懸架大客車為研究對象，該車輛具有2軸，雙後輪輪毂驅動。
2.評價指标
在平順性方面,本文選取車輪相對動載荷、車輪垂向振動加速度、懸架動撓度和車身垂向振動加速度作為評價車輛懸架系統的性能指标。車輪靜載荷為,依照汽車理論約定，車輪動載荷為考慮路面輸入，車輪相對動載荷的可表示為：此外，依照汽車理論，大客車的車身固有頻率推薦值為1.2～1.8Hz，懸架靜撓度的推薦值為70～150mm，懸架動撓度的限位行程推薦值為50～80mm，懸架阻尼比的推薦範圍為0.2～0.4。對于城市客車而言，由于采用空氣彈簧，車輛的固有頻率與阻尼比較之鋼闆彈簧客車有一定的區别。因此，本文中固有頻率f0可以選取0.8～2Hz，相對阻尼比取0.2～0.8。另據《輪毂驅動電動車垂向特性及電機振動研究》顯示，增大懸架阻尼比有利于減小車輪相對動載荷、車輪與車身垂向運動加速度以及車輛懸架動撓度等指标的峰值，而共振頻率變化很小，因此本文将懸架阻尼比的可選範圍調整為如表2所示。因此，上述條件作為參數匹配與優化的邊界限制條件。
參數影響分析
針對上述輪毂驅動車輛，根據車輛參數的取值範圍，分析了車輛參數匹配組合下各指标對應的均方根響應，然後分析了主要參數的幅頻特性。
1.參數選取
各變量初值及其取值範圍見表2，換算後得到該車輛懸架剛度和懸架阻尼的變化範圍，本文中假設輪胎的剛度不變化。
2.路面激勵譜的确定
作為車輛振動輸入的路面不平度，主要采用路面功率譜密度描述其統計特性。在模拟道路試驗時，均取試驗中所采用的路面譜。1984年國際标準化組織在文件ISO/TC108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”和國内由長春汽車研究所起草制定的GB7031《車輛振動輸入-路面不平度表示》标準中，2個文件均建議路面功率譜密度用公式(3)作為拟合表達式：
式中：n：空間頻率(m-1)，是波長的倒數；n0：參考空間頻率，n0=0.1m-1；Gq(n0)：參考空間頻率下的路面功率譜密度值，它表明路面不平的程度，單位m3；w：頻率指數，決定路面功率譜密度的頻率結構。按照路面功率譜密度把路面的不平程度分為A-H8個等級。本文選用的是安徽定遠平順性試驗專用路段，瀝青路面的等級為B級，砂石路面的等級為C級，其路面不平度系數分别為64×10-6m3，256×10-6m3，試驗速度分别為30km/h和60km/h，模拟路面在時域下的幅值特性如圖2所示。
3.均方根響應分析
選取B級路面，在滿載情況下的車速為60km/h，計算各指标對應的均方根響應，由此分析車輛具體參數組合的影響，并充分考慮表2所述的邊界條件，結果如圖3所示。懸架剛度與懸架阻尼的匹配影響，圖中曲面分别表示車輪加速度、車身加速度、車輪相對動載荷與懸架撓度均方根值的三維視圖，底部平面曲線為其等高線，顔色由淺至深表明上述4個指标的結果由差變好。
由圖3可知，懸架阻尼和剛度對車輪動載荷、車輪垂向振動加速度2個指标影響趨勢一緻，即懸架剛度對2個指标的影響較小，增大阻尼利于減小這2個指标的均方根值。對于車身加速度和懸架撓度而言，較小的懸架剛度比較有利，增大阻尼會使得懸架動撓度變小，但是對車身加速度帶來不利的影響。
但是，由于有表2所列的限制條件，懸架的剛度與阻尼不能夠在圖中所示的整個區域内選取，因此，考慮限制條件後的可選區域如圖4所示，深色實線内為可選區域的邊界線。此外，将懸架的動撓度作為輸出，分析優化前與優化後的結果，如圖5所示。優化後，懸架動撓度的幅值較優化前有明顯降低，其方均根值降低7.9%。同等情況下，C級路面下各指标的均方根響應趨勢與B級路面相同，懸架剛度與阻尼的可選區域相同，優化後懸架動撓度的方均根值降低8.3%。
此外，客車的載荷變化較大，研究了不同載荷情況下的響應特性，其響應趨勢與滿載情況下相同。在半載情況下，優化後懸架動撓度的方均根值降低8.1%。對于城市客車而言，其日常運行的路況較為固定。以B級路面為例，車身、車輪振動加速度的方均根值分别為0.7m/s2和5.9m/s2，低于第一節所述的1.3m/s2和30m/s2，因此優化後的車輛動态響應滿足指标要求。對于C級路面而言，車身、車輪振動加速度的方均根值分别為1.4m/s2和11.7m/s2。在脈沖輸入條件下，車身加速度的峰值均在30m/s2範圍以内，懸架動撓度的最大位移也在表2所示的範圍之内。
4.相對幅頻特性分析
計算結果表明，不同懸架剛度、阻尼的配合對車身、車輪垂向振動加速度、懸架動撓度和車輪相對動載荷幅頻特性影響趨勢可總結如下：即減小車身的固有頻率f0、增大懸架的阻尼比ξ，有利于降低車身加速度、車輪相對動載荷及懸架動撓度響應的幅值。對于輪毂驅動系統而言，有必要分析優化前、後車輪垂向振動加速度的幅頻特性，結果如圖6所示：優化後車輪垂向加速度的幅值得到了很大程度的降低，有效的降低了車輪負荷。
計算結果與文獻《輪毂驅動電動車垂向特性及電機振動研究》所述一緻，評價指标的均方根響應分析用于整體評估，相對幅頻特性能直觀展示性能惡化的局部頻帶。因此，匹配輪毂驅動系統電動車輛各參數應根據評價指标的特殊要求來選取合理的分析方法。對于輪毂驅動系統，需要特别注意輪胎垂向振動對輪毂電機運行的影響。電機的異常振動會引起定轉子磁隙變化，進而影響輸出轉矩的平穩性，惡化車輪的垂向振動。由于車身垂向加速度的最優取值範圍與車輪垂向加速度的最優取值範圍沖突，優化車輪的垂向振動，會對車身的振動帶來不利的影響，但是結果在可接受範圍内。
結論
依據1/4車輛垂向動力學模型，提出了以車輪相對動載荷、車輪垂向振動加速度、懸架動撓度及車身垂向振動加速度為基礎，用于評價車輛平順性的指标。
在輪胎剛度、阻尼不變化的情況下，分析了懸架剛度和阻尼的不同組合對各性能均方根響應的影響，并參考車輛實際的限制條件，推薦了上述參數的可行性選取區域。車身垂向加速度的最優取值範圍與車輪垂向加速度、相對動載荷的最優取值範圍沖突，降低輪毂驅動系統車輪的垂向振動，會對車身加速度帶來不利影響。由于空氣懸架的剛度可以調整，當車輛載荷發生變化時，根據制定的4個指标來确定空氣懸架系統的最佳剛度，可以有效提升車輛性能。