史曉燕， 董明明， 丁 鵬， 何晨晨

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,寧波 315012；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車總體布置結(jié)構(gòu)簡化，傳動效率變高，開發(fā)成本變低，是國內(nèi)外電動汽車技術(shù)研究的重點和熱點之一[1-2].目前，許多著名的汽車集團(tuán)公司相繼推出輪轂電機(jī)驅(qū)動的概念車.但是，輪轂電機(jī)的引入使得輪轂電機(jī)驅(qū)動的車輛非簧載質(zhì)量顯著增大，并且由于電機(jī)固聯(lián)在車輪上，使得路面激勵直接作用在電機(jī)上，影響電機(jī)的電磁效應(yīng)，這些都會增加了車身垂直振動加速度和輪胎動載荷，嚴(yán)重影響了車輛乘坐舒適性[3-4].一旦解決或改善了垂直負(fù)面效果，輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)將得到更廣泛的使用.為了解決這個問題，提出了一種新型的動態(tài)吸振結(jié)構(gòu)，并提出新的半主動懸架控制策略.

1 新型輪轂電機(jī)模型

針對輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛由輪轂電機(jī)引起非簧載質(zhì)量過大以及路面激勵和電磁力的耦合作用帶來的垂向負(fù)效應(yīng)[5]，設(shè)計了一套輪內(nèi)減振機(jī)構(gòu).如圖1所示.

1-制動盤；2-減振器；3-輪軸；4-直線軸承；5-彈簧； 6-導(dǎo)向桿；7-定子；8-轉(zhuǎn)子；9-軸承；10-中間盤； 11-傳動盤；12-輪輞；13-輪胎；14-制動鉗； 15-連接裝置圖1 輪內(nèi)減振結(jié)構(gòu)

該動力吸振器采用了一套類似于十字聯(lián)軸器的裝置，即圖1中10和11來隔絕路面激勵對輪轂電機(jī)的影響，減少輪轂電機(jī)車輛在行駛過程中由于路面變化帶來的電機(jī)電磁效應(yīng)的變化,也能保證車輪和電機(jī)能有相同的轉(zhuǎn)速.同時該結(jié)構(gòu)為了解決輪轂電機(jī)在垂向的振動負(fù)效應(yīng)問題，在輪內(nèi)安裝了一套彈簧、阻尼結(jié)構(gòu)，即圖中的2、5，該裝置和十字連軸裝置構(gòu)成一套動力吸振機(jī)構(gòu).

路面激勵影響輪轂電機(jī)的電磁作用主要表現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子間隙變化引起的電磁擾動力的變化[6-7]，且他們之間的變化成正相關(guān)的變化趨勢，使得振動惡化.車輪與地面之間的接觸力采用線性模型描述，圖2是小轎車相應(yīng)的輪轂電機(jī)物理模型.其相應(yīng)的動力學(xué)方程如式(1)所示.

圖2 新型輪轂電機(jī)物理模型

(1)

式中：mb為簧上質(zhì)量；ms1為轉(zhuǎn)向節(jié)和輪軸質(zhì)量；mw1為輪胎和輪輞質(zhì)量；mr為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；ms為定子質(zhì)量；ks和cs為懸架剛度和阻尼；kb為傳動盤和車軸之間的軸承剛度，kt為輪胎剛度；kd和cd為輪內(nèi)減振機(jī)構(gòu)剛度和阻尼；ksa為定轉(zhuǎn)子之間的剛度；Fd為電機(jī)由定轉(zhuǎn)子之間的間隙變化帶來的擾動力.

2 半主動懸架控制策略

對于被動懸架來說，安裝在車身質(zhì)量和車輪質(zhì)量之間的被動彈簧和阻尼會對兩個質(zhì)量同時產(chǎn)生相反的作用，如果減振器阻尼較大，其動載荷較小，那么其車身加速度會變大.所以對于被動懸架系統(tǒng)來說，必須找到一個折中的方案[8].如果減振器的兩端不是固定在兩個質(zhì)量之間，而是將一端固定在慣性參考系上，就不會同時對兩個質(zhì)量塊產(chǎn)生作用.根據(jù)慣性參考系位置的不同，這樣的控制方式又分為“天棚控制”和“地棚控制”[9].

2.1 天棚控制模型

以二自由度懸架模型為例來闡述天棚、地棚控制原理.為了使減振器不同時對兩個質(zhì)量塊產(chǎn)生作用，可以將質(zhì)量塊的一端固定在慣性參考系上，另外一端固定在固定參考系，如圖3所示，此時稱該控制策略為天棚控制策略.

圖3 天棚阻尼結(jié)構(gòu)示意圖

在實際應(yīng)用中，減振器只能安裝在兩個質(zhì)量塊之間，參考車輛懸架結(jié)構(gòu)，其等效模型如圖3(b)所示，動力學(xué)方程為：

(2)

由式(2)可以得到等效的減振器系數(shù)usky：

等效的天棚系統(tǒng)減振器的阻尼力Fd可由式(3)表示.

(3)

2.2 混合控制模型

“地棚控制”思想和“天棚控制”思想相似，通過將減振器和慣性參考系連接來抑制車輪跳動.理想的地棚阻尼力可由公式(4)進(jìn)行模擬.

(4)

天棚控制是以簧載質(zhì)量的加速度為輸入，以抑制簧載質(zhì)量加速度為目的.地棚控制是以非簧載質(zhì)量的加速度為輸入，以抑制輪胎跳動為目的.所以為了提高車輛整車平順性，需要將天棚控制和地棚控制結(jié)合起來，這就是混合控制[10].混合控制的結(jié)構(gòu)示意圖及其等效模型如圖4所示.

圖4 混合控制結(jié)構(gòu)示意圖

混合懸架天棚和地棚減振器阻尼的匹配，Ahmadian等人引入了權(quán)衡因子η來解決該問題[11]，式(5)是其經(jīng)典的表達(dá)式.

Fd=ηFsky-(1-η)Fgrd.

(5)

則混合懸架的阻尼系數(shù)為

(6)

其中η∈[0,1]，表示由駕駛員決定的混合懸架的權(quán)重.如果駕駛員需要較高的平順性，那么就選擇較大的權(quán)衡因子，反之，選擇較小的權(quán)衡因子即可[12].

對于動力吸振輪轂電機(jī)-懸架系統(tǒng)來說，除了懸架阻尼器，動力吸振器中還存在一個阻尼器，因此其控制策略存在多種組合方式.圖5是其混合控制結(jié)構(gòu)示意圖和等效的混合控制系統(tǒng)模型.

圖5 新型輪轂電機(jī)-懸架混合控制系統(tǒng)示意圖

對于輪轂電機(jī)驅(qū)動車輛來說，除了車輛操縱穩(wěn)定性和平順性外，定轉(zhuǎn)子之間的間隙同樣需要關(guān)注，定轉(zhuǎn)子間隙關(guān)系到電磁擾動力的大小，進(jìn)而影響電機(jī)的工作條件.綜合上面3個目標(biāo)，經(jīng)過對多種控制方法的對比，最終選用最優(yōu)控制策略：即天棚1+地棚1+天棚2，通過控制車輪內(nèi)的減振器阻尼實現(xiàn)半主動懸架控制.

3 仿 真

為了更直觀地顯示混合控制的控制效果，采用Matlab進(jìn)行建模仿真[13].對減速帶和隨機(jī)路面激勵下混合控制和被動模型的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對比，對于csky和cgrd的選取，采用多目標(biāo)的求解方法PSO和多目標(biāo)解集的評價方法Pareto最優(yōu)解.系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1.

表1 四分之一車輛模型參數(shù)

3.1 隨機(jī)路面激勵

車輛以60 km/h在ISO-B級路面上勻速行駛，路面生成方法采用諧波疊加法生成.

圖6、圖7分別是懸架構(gòu)型采用被動動力吸振和混合控制后的簧上加速度、輪胎動撓度時域圖對比.表2是其均方根值的對比結(jié)果.由表2可知，采用混合控制的懸架系統(tǒng)在平順性方面有相應(yīng)的提升，其中簧上加速度衰減了12.3%，輪胎動撓度衰減了5.5%.

圖6 簧上質(zhì)量加速度對比

圖7 輪胎動撓度對比

表2 懸架響應(yīng)對比

3.2 減速帶激勵

減速帶激勵可由式(7)表示.其v=60 km/h，t1為減速帶激勵開始時間，th為結(jié)束時間.

(7)

從圖8、圖9可以看出，采用混合控制后其簧上加速度和輪胎動撓度在幅值和收斂時間上要明顯優(yōu)于被動懸架，說明采用混合控制的懸架能夠提升懸架的平順性.

圖8 簧上加速度對比

圖9 輪胎動撓度對比

4 結(jié) 論

針對輪轂電機(jī)的振動惡化問題，提出了一種新型動力吸振機(jī)構(gòu)，并針對此結(jié)構(gòu)提出一種半主動懸架混合控制策略，最后通過Matlab建模仿真，結(jié)果顯示簧上加速度和輪胎動撓度都有所衰減，表明采用混合控制策略的懸架系統(tǒng)在平順性方面有相應(yīng)的提升.目前已經(jīng)初步制作輪轂電機(jī)樣機(jī)，后續(xù)將結(jié)合四立柱道路模擬試驗臺、單輪懸架試驗臺、上位機(jī)測控系統(tǒng)，進(jìn)一步對懸架策略的控制效果和可靠性進(jìn)行試驗驗證.