基于轮边驱动电动车的馈能型悬架综合性能研究

摘要

为了满足乘坐舒适、安全可靠、操纵方便、环保节能和人类不断实现完美的追求，汽车产品己经由初期的完全机械式发展到现在的融合机械、电子、材料、控制等多种学科和科技新成果应用的阶段，而且功能越来越强，可靠性越来越高，正朝着电动车和智能车的方向发展。作为电动车发展的一个独特方向，轮边驱动被视为电动汽车的最终驱动形式，但由于其特殊的驱动形式，使得整车非簧载质量明显增加，这不仅影响汽车平顺性，也降低行驶安全性。与之相矛盾的是人们对电动车能量效率以及乘坐舒适性和行驶安全性的要求又与日俱增。因此，与轮边驱动电动车的乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶安全性能密切相关的轮毂电机驱动系统和主动悬架系统及其综合控制己成为汽车工程领域研究的热点。本文结合国内外轮边驱动电动车研究现状及存在的问题，以馈能型电磁悬架为中心，从车辆动力学理论分析的角度出发，研究开关磁阻电机垂向激励对轮边驱动电动车动力学性能的影响，分析电磁主动悬架的馈能规律，采用馈能悬架对轮毂电机的垂向激励进行抑制，并实现车辆舒适性、安全性和节能性的综合控制。具体工作包括以下几个方面：
　　①分析了整车各运动姿态在车辆系统坐标下对其整车性能的影响及其相互关系；采用联合工况下的Magic Formular轮胎模型，建立了包含开关磁阻电机垂向激励和主动悬架的整车非线动力学耦合模型，并在 MATLAB/SIMULINK环境下搭建了整车仿真模型。研究了电机垂向激励对车身振动的影响;并确定了电机垂向激励的幅值和频率的基本特性。最后通过实车实验对仿真模型及其参数的正确性进行了实验验证。
　　②在开关磁阻电机垂向激励和车辆基本特性分析的基础上，以临界侧翻因子，轮胎力和车身振动加速度等作为评价指标，讨论开关磁阻电机垂向力对车辆稳定性、舒适性和节能性的影响。针对开关磁阻电机垂向激励给轮边驱动电动车带来的新问题，提出借助主动悬架的优势，开发考虑轮毂电机垂向激励的悬架控制策略，同时利用悬架的馈能特性，实现能量的回收。
　　③以两种典型的馈能型悬架—馈能型电磁悬架和馈能型磁流变悬架为研究对象，采用功率流方法分析了馈能型悬架的馈能特性和馈能规律。建立了馈能型悬架模型及其馈能电路的模型；提出了能量转换量和转换率的量化方法。在此基础上，比较分析了馈能式主动悬架系统、馈能式被动悬架系统和最大馈能系统的馈能特性,并在 B、C级路面下进行了仿真对比分析。最后对自制的馈能型磁流变悬架进行了实验研究。
　　④分析了悬架主动、半主动、被动和零能耗四种工作模式的馈能特性。围绕馈能悬架的馈能潜力；馈能特性与车速和路面的关系；影响悬架馈能特性的关键参数和悬架馈能特性与悬架动力学特性的耦合关系四个基本问题综合讨论了电磁悬架馈能特性对其动力学性能的影响。分析了馈能型悬架的舒适性、安全性和馈能特性的评价指标，设计了馈能型悬架评价系统，明确了悬架馈能特性与舒适性和安全性的关系。
　　⑤针对轮边驱动电动车安全性、舒适性和节能性之间复杂的耦合关系，提出一种基于多目标的悬架工作模式及其切换策略。根据车辆行驶状态、储能情况和路面条件，对主动悬架实现多目标协调控制。为了验证所提出的工作模式及其切换策略的有效性，分别在能量不足工况、能量充足中速直线行驶工况、能量充足高速直线行驶工况和转向有侧翻倾向四种典型工况下进行仿真研究。
　　最后总结了全文的研究工作，介绍了论文的特色与创新之处，指出了近期有待深入研究的问题。

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 轮边驱动电动车的发展现状

1.3 开关磁阻电机的发展现状

1.4 馈能型悬架的发展现状

1.5 存在的问题

1.6 本文的研究目的和研究内容

2 基于开关磁阻电机的轮边驱动电动车模型

2.1 引言

2.2 整车非线性系统动力学模型

2.3 开关磁阻电机控制模型

2.4 整车系统仿真模型的建立

2.5 模型基本分析

2.6 模型仿真及实验验证研究

2.7 本章小结

3 开关磁阻电机垂向力对车辆动力学影响分析

3.1 引言

3.2 鱼钩转向和稳定性系数

3.3 电机垂向力对车辆稳定性的影响

3.4 电机垂向力对车辆舒适性的影响

3.5 电机垂向力对悬架节能性的影响

3.6 本章小结

4 基于功率流的馈能型悬架能量转换特性分析

4.1 引言

4.2 馈能型悬架设计

4.3 馈能型悬架模型

4.4 馈能型悬架功率流分析

4.5 馈能型悬架控制策略

4.6 仿真与分析

4.7 实验研究

4.8 本章小结

5 悬架馈能特性对其动力学性能的影响

5.1 引言

5.2 悬架馈能特性分析

5.3 悬架馈能特性与其动力学性能的耦合关系

5.4 悬架零能耗工作模式

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

6 馈能悬架工作模式及多目标控制策略

6.1 引言

6.2 基于多目标的悬架工作模式

6.3 控制策略设计

6.4 虚拟实验与结果分析

6.5 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 论文创新点

7.3今后研究工作展望

致谢

参考文献

附录