王 鶴，舒紅宇，靖長青，舒 然，楊 超，李澤陽

（重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

基于輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車具有傳動(dòng)簡潔、控制靈活、節(jié)約空間等顯著優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為智能網(wǎng)聯(lián)電驅(qū)動(dòng)汽車研究的熱點(diǎn)，并引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，以及工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究興趣［1-3］。雖然我國有很多大型汽車試驗(yàn)場，但是由于實(shí)車改裝、試驗(yàn)場租借費(fèi)用昂貴，試驗(yàn)周期長，真人駕駛車輛的安全性難以保障等因素，高校師生大多采用計(jì)算機(jī)仿真或者簡易的模型替代真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境和車輛，大大降低了教學(xué)和驗(yàn)證效果［4-6］，已成為高校師生教學(xué)科研中不可忽視的問題和額外負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)一個(gè)可以低成本制造，便于直接在校園環(huán)境布置試驗(yàn)場地，又能夠真實(shí)再現(xiàn)汽車運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性的小尺度分布式電驅(qū)試驗(yàn)平臺(tái)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和教學(xué)科研價(jià)值。羅劍等［7］設(shè)計(jì)了可拓展的柔性電動(dòng)平臺(tái)車，對(duì)外提供規(guī)范化的接口便于拓展改裝；陳辛波等［8］針對(duì)其開發(fā)的雙橫臂懸架-扭桿彈簧-電動(dòng)輪模塊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造了“春暉三號(hào)”試驗(yàn)平臺(tái)；柴陸路等［9］通過在內(nèi)燃機(jī)沙灘車上加裝輪邊電機(jī)搭建分布式驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)；高欣然等［10］采用型材和鋼板焊接車架來搭建試驗(yàn)車；來鑫等［11］同樣采用焊接車架，針對(duì)其4WIS-4WID系統(tǒng)設(shè)計(jì)了整車試驗(yàn)平臺(tái)。這些平臺(tái)往往因結(jié)構(gòu)受限或加工精度不足無法適應(yīng)復(fù)雜試驗(yàn)的要求。另外，由于上述試驗(yàn)平臺(tái)均需要試驗(yàn)人員乘車控制車輛而不能進(jìn)行具有危險(xiǎn)性的極限工況試驗(yàn)。Bill等［12］設(shè)計(jì)了遙控器控制的試驗(yàn)原型車，但該車基于RC模型改裝，無法用于輪轂電機(jī)試驗(yàn)。Grepl等［13］開發(fā)了四輪轉(zhuǎn)向-四輪驅(qū)動(dòng)的研究教育平臺(tái)，該車采用遙控方式，但其驅(qū)動(dòng)電機(jī)與底盤集成，車架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通用性欠佳。以上試驗(yàn)平臺(tái)都針對(duì)整車試驗(yàn)應(yīng)用提出了解決方案，但均為根據(jù)自己科研需要和特定場景設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)，其他教研團(tuán)隊(duì)無法直接使用或通過簡單改造定制而需要重新設(shè)計(jì)，限制了其適用范圍。本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種較為通用的小尺度分布式電驅(qū)試驗(yàn)平臺(tái)，通過將實(shí)際車輛按比例縮小的方式，真實(shí)再現(xiàn)汽車運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，能夠快速開發(fā)并低成本制造，方便在校園環(huán)境中進(jìn)行科研試驗(yàn)和教學(xué)演示。面向校園環(huán)境試驗(yàn)的需求，探討了該平臺(tái)的總體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制架構(gòu)和動(dòng)力學(xué)傳感及數(shù)據(jù)采集再現(xiàn)方案。所提出的設(shè)計(jì)方法具有通用性強(qiáng)、調(diào)整靈活、制造成本低的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)總體規(guī)劃與功能定義

本試驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用4 個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)，并采用雙子電動(dòng)輪［14］。該雙子電動(dòng)輪內(nèi)部具有2個(gè)子電機(jī)，兩個(gè)子電機(jī)功率不同且通過行星減速器轉(zhuǎn)速耦合，同時(shí)，前后軸的電動(dòng)輪之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合，以拓寬試驗(yàn)平臺(tái)輪轂電機(jī)高效工作區(qū)的適用范圍，可適應(yīng)實(shí)際汽車不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩動(dòng)力需求，能夠進(jìn)行各種分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力和能耗試驗(yàn)。雙子電動(dòng)輪基本結(jié)構(gòu)和工作方式如圖1 所示。當(dāng)鎖止器B1 釋放，B2鎖止，電動(dòng)輪處于MG1 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，MG1 輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)第1、第2 行星排減速增扭后，由第2 行星排齒圈輸出至輪轂。當(dāng)鎖止器B1 鎖止，B2 釋放，電動(dòng)輪處于MG2 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，MG2 輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)第1、第2 行星排減速增扭后，由第2 行星排齒圈輸出至輪轂。當(dāng)鎖止器B1、B2 均釋放，電動(dòng)輪處于雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)模式，兩電機(jī)動(dòng)力在第1 行星排轉(zhuǎn)速耦合，再經(jīng)第2 行星排減速增扭后輸出到輪轂。

圖1 電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)及工作模式

試驗(yàn)平臺(tái)在車身質(zhì)心位置安裝3DM-S10B姿態(tài)傳感器［15］，可實(shí)時(shí)測量車身縱向、橫向和垂向的速度、加速度、側(cè)傾角、橫擺角速度等參數(shù)，并輸入給整車控制器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制，方便全方位檢測試驗(yàn)平臺(tái)行駛過程中的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)變化。該姿態(tài)傳感器利用地磁原理檢測，為保證其正常工作，車身需采用鋁材制造以避免鐵磁性材料產(chǎn)生干擾。另外，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中配置有方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可通過旋變器檢測轉(zhuǎn)速、溫度傳感器檢測溫升，電池監(jiān)控系統(tǒng)記錄充／放電功率和電量消耗等。上述動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等大量數(shù)據(jù)均通過電腦進(jìn)行存儲(chǔ)，方便試驗(yàn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和處理分析。試驗(yàn)平臺(tái)采用獨(dú)立的動(dòng)力電池組和輔助電池組分別為電動(dòng)輪和支持設(shè)備供電，以方便計(jì)量分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗與效率分析。試驗(yàn)平臺(tái)直接采用筆記本電腦代替整車控制器，通過USB 接口與下層的單片機(jī)通信。這種架構(gòu)不僅可以實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)平臺(tái)試驗(yàn)過程的海量數(shù)據(jù)，也方便師生使用Simulink、Carsim等汽車動(dòng)力學(xué)仿真和控制軟件，利于控制模型修改和整車在線調(diào)試，避免單片機(jī)底層的繁瑣編程和調(diào)試。為了保障安全性，試驗(yàn)平臺(tái)還采用遙控器控制，可避免在進(jìn)行極端條件動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)人員直接乘坐操控所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)方案

試驗(yàn)平臺(tái)車體大小按照實(shí)際典型車輛的1∶3比例縮小，長寬高尺寸約為1 500 mm×700 mm ×600 mm，小于一般實(shí)驗(yàn)室的門口尺寸和電梯尺寸，便于校園環(huán)境下的通行。為此，參考車輛的選擇和比例縮小方法如下：

（1）為方便設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)的獲取，采用Adams／Car中的經(jīng)典示例樣車作為目標(biāo)參考，按比例縮小確定試驗(yàn)平臺(tái)車的懸架三維硬點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）為降低加工成本、提高部件加工精度以及總成布置的方便性和可視化，試驗(yàn)平臺(tái)將簡化車身殼體結(jié)構(gòu)，采用便于精確定位的雙層平板車架代替車身。

（3）根據(jù)比例縮小的硬點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)計(jì)雙層平板車架懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)鉸接安裝座。

（4）試驗(yàn)平臺(tái)采用雙橫臂懸掛和前后獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更靈活的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，開展四輪轉(zhuǎn)向相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

（5）雙層平板車架上布置電池組、控制器、傳感器、冷卻系統(tǒng)、管線等支持系統(tǒng)，并規(guī)劃管線連接方式。

（6）建立試驗(yàn)平臺(tái)車三維模型，檢查整車干涉并在ADAMS 中驗(yàn)證車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)與參考車輛的一致性。

2.2 懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)緊湊，在車輪跳動(dòng)時(shí)輪距、定位參數(shù)變化小［16］，設(shè)計(jì)過程中參數(shù)調(diào)整靈活［17-18］。本試驗(yàn)平臺(tái)的4 個(gè)電動(dòng)輪懸架均采用了雙橫臂結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)的真實(shí)車輛模擬功能，滿足空間布置和加工方便等要求，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了以下調(diào)整：

（1）由于參考車縮小后的擺臂力臂較短，所需的彈簧剛度過大，在保持?jǐn)[臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向不變的前提下，將上下橫臂內(nèi)點(diǎn)向車身內(nèi)側(cè)移動(dòng)，以放大懸架力臂。

（2）由于連接擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)的球鉸與電機(jī)殼體和輪輞均發(fā)生干涉，調(diào)整了電動(dòng)輪布置以及輪心、橫臂外點(diǎn)坐標(biāo)。其中在調(diào)整輪心時(shí)應(yīng)注意輪胎拖距變化，調(diào)整橫臂外點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)應(yīng)沿主銷軸線，保持前輪定位參數(shù)不變。

（3）在車輪跳動(dòng)和轉(zhuǎn)向過程中，擺臂與輪輞、減振器都會(huì)發(fā)生干涉，重新調(diào)整了擺臂結(jié)構(gòu)以避開干涉位置。

（4）懸架與車身和轉(zhuǎn)向節(jié)的連接均采用球鉸接頭。在車身側(cè)，球銷可以抵消擺臂旋轉(zhuǎn)軸線的傾斜，保持車架水平；轉(zhuǎn)向節(jié)側(cè)只需保證球銷硬點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)，就能夠安裝到試驗(yàn)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)車身和電動(dòng)輪的模塊化設(shè)計(jì)，提高了平臺(tái)的通用性。

調(diào)整后的懸架結(jié)構(gòu)如圖2 所示?；谡{(diào)整過的擺臂結(jié)構(gòu)，重新計(jì)算了減振器的剛度、阻尼和行程［19］，并定制加工。加工的減振器實(shí)物及其測試結(jié)果如圖3所示。

在圖3（b）中，舍去位移0～1.5 mm 彈簧不起作用的非線性數(shù)據(jù)點(diǎn)（紅色），對(duì)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)（藍(lán)色）進(jìn)行線性擬合，得到彈簧剛度為6.1 N／mm，預(yù)緊力為269 N，與計(jì)算值基本吻合。圖3（c）顯示了不同速度測試下，伸張和壓縮行程內(nèi)的峰值阻尼力，在設(shè)計(jì)常用速度0～300 mm／s區(qū)間內(nèi)，通過線性擬合得到的等效伸張阻尼系數(shù)為780 N·s／mm，等效壓縮阻尼系數(shù)為72 N·s／mm，符合伸張阻尼大于壓縮阻尼的設(shè)計(jì)原則。該減振器可用于試驗(yàn)平臺(tái)懸架。

圖3 減振器總成實(shí)物及特性

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)采用的轉(zhuǎn)向器的尺寸與參考車輛不同，需要重新優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)。為方便分析，將轉(zhuǎn)向器置于如圖4 所示的坐標(biāo)系中，并提取出轉(zhuǎn)向梯形。圖4中，坐標(biāo)系原點(diǎn)O為主銷軸線與地面交點(diǎn)，x軸正向?yàn)檐嚿碜髠?cè)，y軸正向指向車尾。

圖4 轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化示意圖

對(duì)于本試驗(yàn)平臺(tái)，拉桿外點(diǎn)坐標(biāo)（xo，yo）可視為固定。因?yàn)檩嗇瀮?nèi)空間狹小，拉桿外點(diǎn)只能在很小的范圍內(nèi)變動(dòng)，才能保證車輪轉(zhuǎn)向過程中橫拉桿不與輪輞、電機(jī)殼體干涉。故優(yōu)化對(duì)象為轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)（xi，yi）。轉(zhuǎn)向齒條的長度確定，所以拉桿內(nèi)點(diǎn)的橫坐標(biāo)xi已經(jīng)確定，優(yōu)化變量只有其縱坐標(biāo)yi，即轉(zhuǎn)向器的縱向安裝位置。由圖4 可知，轉(zhuǎn)向器前后分別有控制器和電池組，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)的縱向坐標(biāo)范圍［yimin，yimax］，當(dāng)yi超出該范圍時(shí)，會(huì)與控制器或電池組發(fā)生干涉。通過MATLAB 求解各位置時(shí)不同內(nèi)輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的外輪轉(zhuǎn)角［20-21］，并計(jì)算與阿克曼關(guān)系曲線的離差平方和，即

取離差平方和最小的位置。為兼顧優(yōu)化精度和計(jì)算規(guī)模，計(jì)算步長為實(shí)際加工精度0.01 mm。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在Adams中進(jìn)行仿真，結(jié)果與參考車的對(duì)比如圖5 所示?？梢钥闯?，當(dāng)內(nèi)輪達(dá)到最大轉(zhuǎn)角36°時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)的外輪轉(zhuǎn)角與阿克曼轉(zhuǎn)角的誤差約為3°，而參考車的誤差約為13°，優(yōu)化效果顯著，且符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 模型車與參考車外輪轉(zhuǎn)角與阿克曼轉(zhuǎn)角誤差對(duì)比

轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)距離縮短，因此取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，采用結(jié)構(gòu)更緊湊的轉(zhuǎn)接軸，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)向器。所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接軸與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.4 輔助與支持設(shè)備

考慮到安全性和較小的動(dòng)力需求，試驗(yàn)平臺(tái)采用鉛酸蓄電池供電。參考車身尺寸和各器件的供電，選取12 V、12.6 Ah 電池作為單元?？紤]到電池組質(zhì)量較大，所有電池被布置在車身中部，使質(zhì)心靠近整車幾何中心，從而有利于通過配重塊調(diào)節(jié)質(zhì)心位置。

為模擬不同載荷分布和動(dòng)力參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了配重使試驗(yàn)平臺(tái)質(zhì)心參數(shù)可調(diào)。配重塊均布置在車身上板，4 塊一組堆疊放置，可用于調(diào)整質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及質(zhì)心位置。試驗(yàn)平臺(tái)搭載所有配重塊后，質(zhì)心高度較無配重時(shí)上升20 mm，此外可通過搭載單側(cè)配重模擬車輛偏載。考慮到姿態(tài)傳感器工作要求，配重采用銅塊。

為避免液壓制動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，制動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)方式。另外，由于試驗(yàn)平臺(tái)輪轂電機(jī)功率較小，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，同時(shí)由于電動(dòng)輪模式切換所需的電機(jī)鎖止器為氣動(dòng)離合器，因此試驗(yàn)平臺(tái)配備了一臺(tái)小型空氣壓縮機(jī)提供氣壓源?？諌簷C(jī)布置在試驗(yàn)平臺(tái)前端以避免對(duì)姿態(tài)傳感器產(chǎn)生干擾。

輪轂電機(jī)控制器被布置在兩層車身板之間，位于車身前后端，分別控制前后軸的電動(dòng)輪，減小布線的復(fù)雜程度。

3 控制架構(gòu)與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)平臺(tái)的控制架構(gòu)及控制單元的連接關(guān)系如圖7 所示。試驗(yàn)平臺(tái)采用了外設(shè)豐富、代碼資源豐富、成本低而廣泛使用的STM32 微控制器，并將其作為整車的信息交換中心，用來接收遙控器信號(hào)、收集傳感器數(shù)據(jù)、分配控制指令。筆記本電腦既作為上層的整車控制器又作為海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，并通過USB 接口與STM32 微控制器相連。其優(yōu)點(diǎn)在于：可方便直接運(yùn)行Carsim和MATLAB高級(jí)仿真軟件而不需要單片機(jī)編程，可將控制策略和指令直接發(fā)送給STM32 微控制器而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)的高級(jí)控制；試驗(yàn)后還可方便利用各種可視化軟件回放、處理海量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制成圖表等。在試驗(yàn)過程中的基本控制方法和流程為：試驗(yàn)人員通過遙控器發(fā)送加減速和和方向轉(zhuǎn)角指令，STM32 接收后并同采集到的姿態(tài)傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器以及電動(dòng)輪的當(dāng)前轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等信息傳遞給筆記本電腦，筆記本電腦作為最上層控制器，經(jīng)過模型預(yù)測控制MPC等計(jì)算4 個(gè)電動(dòng)輪所需瞬態(tài)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、前后軸轉(zhuǎn)矩分配、電動(dòng)輪工作模式、步進(jìn)電機(jī)（方向盤）轉(zhuǎn)角指令等發(fā)送給STM32，再以50 ms間隔的數(shù)據(jù)幀形式通過CAN總線傳送給電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)控制器以控制加減速和轉(zhuǎn)向。實(shí)際上筆記本電腦、STM32 和CAN總線構(gòu)成了上層控制，上層控制和電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)控制均按照50 ms間隔進(jìn)行循環(huán)信息交互，試驗(yàn)過程的所有信息均存儲(chǔ)在電腦中用于事后再現(xiàn)和分析。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各器件關(guān)系

圖7 還反映了整車能量供應(yīng)關(guān)系。動(dòng)力電池組只對(duì)電動(dòng)輪供電，供電電壓為72 V。輔助電池組則主要為步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)角傳感器和空氣壓縮機(jī)供電。其中，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為36 V，由3 塊輔助電池串聯(lián)提供，轉(zhuǎn)角傳感器和空氣壓縮機(jī)均需要12 V 電壓，由單塊輔助電池供電。筆記本電腦自帶電池，STM32 微控制器和姿態(tài)傳感器通過USB 接口供電。在該供電體系下，只需要檢測動(dòng)力電池組的電量信息即可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得電動(dòng)輪的電力消耗情況，與其他電器用電區(qū)別。

4 動(dòng)態(tài)特性仿真與分析

本試驗(yàn)平臺(tái)的三維模型如圖8 所示，通過上述設(shè)計(jì)調(diào)整最終參數(shù)及其對(duì)比如表1 所示。可以看出：試驗(yàn)平臺(tái)的幾何尺寸基本為參考車的1／3，質(zhì)量分布系數(shù)、懸架固有頻率與參考車接近，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 試驗(yàn)平臺(tái)和參考車參數(shù)對(duì)比

為了驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與參考車的相似性，在Adams／Car 中建立了多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行直線制動(dòng)、單移線換道和路面凸起等動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)。

圖9 是制動(dòng)仿真中試驗(yàn)平臺(tái)和參考車的縱向加速度和俯角對(duì)比。圖9（a）中，縱向加速度的波動(dòng)為Adams自動(dòng)調(diào)整車速時(shí)產(chǎn)生，兩車在t＝1 s時(shí)刻開始制動(dòng)，在t＝1.5 s 時(shí)均達(dá)到設(shè)定的縱向加速度-0.6g；圖9（b）中，t＝1.5 s 時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)與參考車的俯角均為0.6°。圖9（c）和（d）分別為t＝1.5 s 時(shí)兩車的俯仰狀態(tài)?？梢?，車身縱向動(dòng)態(tài)響應(yīng)與參考車接近。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)和參考車制動(dòng)仿真結(jié)果

單移線換道工況仿真的結(jié)果如圖10 所示。圖10（a）顯示兩車的側(cè)向加速度在t＝3 s 和7 s 時(shí)刻達(dá)最大值，約為0.45g。圖10（b）表明試驗(yàn)平臺(tái)的最大側(cè)傾約為1.6°，而參考車約為1.5°。圖10（c）和（d）分別為t＝3 s時(shí)兩車側(cè)傾狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)車身側(cè)向響應(yīng)略大于參考車，偏差為0.1°。

圖10 試驗(yàn)平臺(tái)和參考車單移線仿真結(jié)果

在路面凸起仿真中，參考車以36 km／h 勻速通過高60 mm，長300 mm的三角形障礙，模擬通過減速帶產(chǎn)生的沖擊。為方便結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以12 km／h勻速通過縮小的三角形障礙，使兩車前后輪通過障礙的時(shí)間近似相同，調(diào)整障礙大小使激勵(lì)產(chǎn)生的垂向加速度與參考車相近，觀測兩車垂向加速度響應(yīng)見圖11?？梢娫囼?yàn)平臺(tái)的懸架固有特性、瞬態(tài)響應(yīng)曲線與參考車相似，符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 試驗(yàn)平臺(tái)和參考車平順性仿真結(jié)果

綜上所述，所設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)在縱向、側(cè)向和垂向的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與參考車接近，能夠真實(shí)再現(xiàn)汽車的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文提出并設(shè)計(jì)出一種按照1∶3比例縮小的，面向校園試驗(yàn)環(huán)境的小尺度多功能分布式電驅(qū)試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)的懸架、轉(zhuǎn)向行走系統(tǒng)基于典型車輛的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，整車動(dòng)力學(xué)特性可調(diào)，具有一定的通用性，可在校園環(huán)境中布置較簡單的實(shí)驗(yàn)場地、安全方便地再現(xiàn)多種汽車的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性。該分布式電驅(qū)試驗(yàn)平臺(tái)直接通過筆記本電腦實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)仿真和模型預(yù)測方法進(jìn)行控制，具有遙控、姿態(tài)傳感、動(dòng)力學(xué)控制、海量數(shù)據(jù)采集和回放處理等功能，可模擬實(shí)際車輛的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)行為，方便師生在開展智能網(wǎng)聯(lián)電驅(qū)動(dòng)汽車的教學(xué)和科學(xué)研究中替代大尺度真實(shí)汽車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)。