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恐惧魔王提托迪奥斯:基于MATLAB的轮毂电机驱动电动汽车的平顺性研究

摘 要:轮毂电机驱动技术是一种比较新颖的应用到电动汽车的驱动方式,作为新型能源汽车的一种,轮毂电机驱动车辆具有零尾气排放、传动结构简单高效、动力输出可控等诸多优点。但因轮毂电机的存在导致非簧载质量增加且电机激振力明显,导致电动车的舒适性差,操纵稳定性恶化。文章运用1/4电动车模型,应用频域分析法和时域分析法通过仿真分析振动系统在非簧载质量增加和电机运转时转矩波动引起的垂向激振力对车辆平顺性的影响。关键词:轮毂电机;电动汽车;平顺性中图分类号:U469.7 文献标识码:A 文章编号:1671-7988(2019)02-132-05

pk10开奖Study on Smooth of Electric Vehicle Driven by Hub Motor Based on MATLAB

Zhang Liping, Li Yongkai, Li Zhengpeng

( Liaoning University of Technology School of Automobile and Transportation Engineering, Liaoning Jinzhou 121001 )

Abstract: Hub motor drive technology is a relatively novel driving method applied to electric vehicles. As a new type of energy vehicle, hub motor drive vehicles have many advantages such as zero exhaust emission, simple and efficient transmission structure, and controllable power output. However, due to the existence of hub Motors, the non-reed load quality increases and the motor excitation force is obvious, resulting in poor comfort and deterioration of operating stability of electric vehicles. This paper uses 1/4 electric vehicle model, frequency domain analysis method and time domain analysis method to analyze the influence of vertical vibration force on vehicle smoothness caused by vibration system in non-reed load quality increase and torque fluctuation during motor operation.Keywords: hub motor; Electric vehicles; SmoothCLC NO.: U469.7  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2019)02-132-05

引言

隨着世界范围内汽车保有量不断增加和工业生产的迅速发展,资源消耗和空气污染等问题日益严重,未来大力发展新型能源汽车是解决环境污染与能源危机的有效方法[1]。电动汽车以其如下优点而备受重视,车辆在使用过程中零污染(或超低污染)、能源利用更加多元高效,以及有利于实现智能化控制等多方面的技术优势。当前新能源汽车在世界范围内呈现加速发展态势。按照车辆提供驱动力的方式不同,可以将电动汽车大体上分为两类,即集中电机驱动和轮毂电机驱动电动汽车。轮毂电机驱动相比于集中电机驱动电动汽车布局更加合理、空间利用充分、能量便于回收等特点,轮毂电机驱动技术具有很好的发展和实际应用前景[2]。作为电动汽车未来技术发展的一个重要方向,轮毂电机驱动技术是当前国内外发展研究的重点和热点之一。由于新型的驱动形式和特殊的结构布局,加剧了车辆的垂向振动,导致了车辆的平顺性和操纵稳定性变差。本文轮毂电机选择开关磁阻电机,主要从非黄载质量增加和电机运转时产生的转矩波动两个方面对车辆垂向振动的影响进行研究[3]

1 路面输入模型

轮毂电机驱动电动汽车行驶时,路面输入是系统的主要激励,对电动汽车进行平顺性分析时,首先研究路面输入。采用功率谱密度法,推导路面输入的时域模型,国际上常采用式(1)来表示路面功率谱密度Gqn):

qt)—路面随机不平度位移;wt)—均值为0和功率谱密度是1的高斯白噪声[4]在Simulink中建立单轮随机路面输入仿真模型如图1所示。

pk10开奖2 轮毂电机驱动电动汽车1/4汽车模型

选择8/6极开关磁阻电机作为轮毂电机,电机激励Ft)是由轮毂电机运转时由于转矩波动产生的,它是由电机的切向力和径向力在竖直方向的分力两部分组成[5],如图3所示。

轮毂电机的径向力和切向力经过一系列的推到变换,得到电机激励Ft)的等式:

这里b为极对极时气隙长度lg的最短距离;转子半径r=R-bφ为转子初相角,通过控制各相绕组的接通与断开顺序来控制电机的旋转方向,通过控制绕组中电流的大小和开通和断开角度来控制电动机的转速,进而影响电机激励的大小。具体参数如表1所示:

仿真模型搭建过程:依据电机激励Ftpk10开奖)的方程式在Matlab中进行编程,应用plot函数得电机激振力在时间域内的图像,如图4所示。

在假设悬挂质量分配系数ε=1,轮毂电机驱动电动汽车实际结构左右对称且左右车辙的不平度函数相等的情况下,轮毂电机驱动电动汽车简化为四分之一车两自由度振动系统,如图所示。此系统较集中驱动系统增加了电机激励Ft),即系统含两个输入:路面输入q、电机激励Ft);两个输出:车轮位移z1,车身位移z2

pk10开奖对图5所示的振动系统模型,应用拉格朗日方程,得到系统的运动方程为:

pk10开奖经整理得:式中,

pk10开奖车辆具体参数如表2,为单轮1/4车辆参数。

将路面激励和电机激励一同作用下的输入作为振动系统的激励,建立相对应的四分之一轮毂电机驱动电动汽车的二自由度simulink模型。如图5所示。

汽车平顺性分析常采用车身垂向加速度、悬架动挠度z2-z1以及能反映行駛安全性的车轮动位移z1-qpk10开奖综合评价车辆的行驶平顺性。

3 轮毂电机对垂向振动的影响

对于轮毂电机驱动电动汽车,其垂向振动的来源除了不平路面的输入激励外,还有来自轮毂电机因转矩波动产生的电机垂向激振力。因为轮毂电机的引入使得非簧载质量增加,加剧了车辆的垂向振动,导致了车辆平顺性变差。作为系统参数,非簧载质量的变动会影响振动系统的频率响应特性。通过将轮毂电机驱动电动车与集中电机驱动电动车进行频域对比分析,说明非簧载质量变大对车辆垂向振动的影响。和应用线性叠加原理,分析振动系统在时间域内路面和电机双激励情况下的响应情况。

3.1 振动系统响应特性对比分析

集中电机驱动电动汽车非簧载质量包括车轮、转向机构、制动机构和悬架杆系等部分,而对于轮毂电机驱动电动汽车,这部分质量还包含轮毂电机质量。采用集中驱动电动汽车和轮毂电机驱动电动汽车作为对比,假定簧载质量相同,研究电动汽车因引入轮毂电机而使非簧载质量增加,对车辆垂向振动的影响。

图6为集中电机驱动四分之一车模型。图中,m2+m3为簧载质量(车身质量+驱动电机质量);m1为非簧载质量(车轮质量);K为弹簧刚度;C为阻尼系数;Kt为轮胎刚度。

pk10开奖由上述公式可以得出低频共振的车身型振动和高频共振的车轮型振动。

pk10开奖3.1.1 系统传递特性和幅频特性

pk10开奖将有关各复振幅代入式(7),处理得系统各传递函数:

在参考车速upk10开奖=30km/h,以B级随机路面为路面激励得情况下,用Matlab进行仿真分析对比,得到系统幅频特性。经Matlab程序处理可得,车身、车轮部分固有频率分别为表3所示:

下图7、图8、图9分别为轮毂电机电动车和集中驱动电动车的幅频特性曲线图。

由图7、图8、图9的车身加速度、悬架动挠度和车轮相对动载的幅频特性图可以看出,双质量系统幅频特性曲线出现两个共振峰,在f=f0的低频共振区,轮毂电机驱动车辆的幅频特性与集中驱动电动汽车的幅频特性曲线大致重合,二者无明显差异;而在f=ft高频共振区,二者幅频特性出现明显差异,由于轮毂电机驱动车辆车轮固有频率ft比集中驱动电动车低,所以较先达到高频共振峰值,随后幅频特性以较大斜率明显衰减。并且集中驱动电动汽车的高频峰值低于轮毂电机驱动车辆,也就是说,轮毂电机驱动系统因为轮毂电机的引入而使非簧载质量增加造成平顺性变差,车身加速度增大则乘员舒适度差,悬架动挠度过大会增加撞击限位块的几率,影响行驶品质,而车轮相对动载相对路面上输入速度的幅频特性过大则影响轮胎与地面的接地性从而影响操纵稳定性,进而危及行车安全。

pk10开奖3.2 路面激励+电机激励共同作用下的系统响应

根据图所建路面+电机双重激励Simulink仿真模型,对该系统进行仿真,模拟车辆以u=30km/h的车速通过B级随机路面,得到振动系统在时间历程内的响应特性,通过只加随机路面输入作为激励和加入路面+电机垂向激振力作为激励进行对比,仿真结果数据如表4所示。

表4表明:在u=30km/h车速下,三个评价指标的均方根值均有增长,其中车身加速度和轮胎动载荷影响较大,悬架动挠度影响较小。说明电机在垂直方向的激振力对车辆的平顺性和操纵稳定性影响较大。双输入下车身加速度均方根值明显加大,严重影响乘坐的舒适性,车轮动载荷的影响比

车身加速度更为明显,轮胎与地面的接地性变差,行驶安全性降低,由此引起的车辆操稳性恶化的问题更值得关注[7]

4 总结

轮毂电机驱动电动汽车因轮毂电机的引入而使非簧载质量增加和电机运行时转矩波动引起的激振力,经过统计车身垂向加速度、悬架动挠度、车轮动载荷三个评价指标的均方根值,可以初步得出:当电动轮汽车以 upk10开奖=30km/h车速通过B级路面时,非簧载质量增加和垂向激振力均造成了车身垂向加速度均方根值、车轮动载荷均方根值、悬架动挠度的增加,其中,车身垂向加速度和车轮动载荷的波动更加显著。这两个评价指标的显著波动将使平顺性和操控稳定性变差。

参考文献

[1] 宁国宝,万钢.轮边驱动系统对车辆垂向性能影响的研究现状[J].汽车技术,2007(03):21-25.

[2] 彭冲,郑玲,李以农.基于粒子群优化算法主动悬架作动器多目标优化设计[J].中南大学学报(自然科学版),2017,48(04):968-976.

pk10开奖[3] 夏存良,宁国宝.轮边驱动电动车大质量电动轮垂向振动负效应主动控制[[J].中国工程机械学报,2006,4(1): 31-34.

[4] 张立军.车辆非平稳行驶动力学及控制研究[D].东北大学,2006.

[5] 薛玉春,张义民,贺向东.电动汽车开关磁阻电机的激振力研究[J].农业机械学报,2008(02):25-29+19.

pk10开奖[6] 余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,2009.3.

[7] 韩桂忠.轮边驱动电动汽车的垂向振动分析与结构优化[D].重庆大学,2015.