非簧载质量对轮毂电机电动汽车平顺性的影响分析.docx

? ? 非簧载质量对轮毂电机电动汽车平顺性的影响分析 ? ? 杨明，吴心杰 （200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院） 0 引言 由于轮毂电机直接与车轮相连,增加了非簧载质量，将会引起电动汽车垂向振动幅度加大，影响轮胎接地特性，不利于车辆的动力学控制与行驶平顺性[1～2]。针对电机导致汽车垂向振动恶化，国内众多学者提出了很多改善设计策略。赵艳娥[3]等通过优化策略提出最优的弹簧刚度和悬架阻尼，改善汽车垂向振动特性，提高汽车行驶舒适性；同济大学陈新波教授[4～5]等研究了吸振式的轮边电机驱动系统，又提出了一体化单纵臂减速式轮边驱动系统，此结构形式很大程度减少了簧下质量，降低了轮边电机对悬架性能恶化的影响。 1.1 随机路面模型 根据GB/T 7031-2005《机械振动道路路面谱测量数据报告》，路面功率谱密度可确定为： 式中：n——空间频率，m-1；n0——参考空间频率，n0=0.1 m-1；Gq（n0）——参考空间频率下的路面谱值，m2/m-1；w——频率指数，通常取w=2。 将速度设为v，空间与时间频谱之间的转换关系为 式中：f——时间频率，Hz；v——汽车速度，m/s。 空间频率n 与时间频率f 的关系为： 式中：w（t）——单位白噪声。 建立MATLAB/Simulink 模型，如图1 所示。 图1 随机路面Simulink 模型Fig.1 Random road Simulink model 本文采用B 级随机路面，Gq（n0）=64×10-6m3/m-1，v=20 m/s，路面振幅变化情况如图2 所示。 图2 B 级随机路面Fig.2 Random road of Grade B 2 非簧载质量增加对悬架动态特性的影响 在Simulink 中建立整车七自由度模型，随机路面作为输入进行仿真，得到车身加速度、悬架动挠度、车轮动载荷等。 2.1 时域分析 非簧载质量的增加会影响悬架在汽车行驶中的能量消耗，从而影响汽车行驶平顺性，与此同时，非簧载质量的增加严重影响汽车的转向性能和操纵性能。在B 级随机路面的激励下以20 km/h 的速度进行仿真，研究非簧载质量增加对悬架性能的影响。表1 为非簧载质量增加对各指标的影响，图3—图5 分别为车轮动载荷、车身垂向加速度、悬架动扰度随非簧载质量增加的变化情况。 表1 非簧载质量增加对评价指标的影响Tab.1 Influence of unsprung mass increase on evaluation index 由图3—图5 和表1 可以看出，在随机路面的激励下，非簧载质量的不断增加导致轮胎动载荷和车身垂向加速度增加比较明显，而悬架动行程增加得比较细微。特别是轮胎动载荷的增大幅度明显大于悬架动行程与车身加速度的变化。 图3 轮胎动载荷随非簧载质量增加的变化Fig.3 Variation of tire dynamic load with increase of unsprung mass 图4 车身加速度随非簧载质量增加的变化Fig.4 Variation of body acceleration with increase of unsprung mass 图5 悬架动行程随非簧载质量增加的变化Fig.5 Variation of suspension dynamic stroke with increase of unsprung mass 2.2 频域分析 在Simulink 中对整车模型进行垂向振动仿真分析，获得了各垂向特性指标变化的仿真数据。将非簧载质量为40 kg 和70 kg 的时域仿真数据转化为频域进行分析。 从频域分析的图6 悬架动行程功率谱密度可见，1 Hz 以下非簧载质量的增加使得悬架动行程略微增大，1～5 Hz 变化不是很明显，但是在5～15 Hz非簧载质量增大明显造成悬架动行程变化增大。 图6 悬架动行程功率谱密度Fig.6 Power spectral density of suspension dynamic stroke 从图7 和图8 可以看出，在4～14 Hz 之间，非簧载质量增加使得车身加速度和轮胎动载荷明显增大，特别是轮胎动载荷在8 Hz 附近增加的最大，人体在此频率下是比较敏感的。 图7 车身加速度功率谱密度Fig.7 Power spectral density of body acceleration 图8 轮胎动载荷功率谱密度Fig.8 Power spectral density of tire dynamic load 综上所述，从频域范围分析非簧载质量增大会导致汽车垂向特性指标参数有增大现象，特别是轮胎动载荷在人体敏感范围内明显增大，影响汽车轮胎的抓地力，降低汽车的乘坐舒适性和安全性。 3 车身加速度灵敏度