一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法及电机选型应用

摘要

本发明公开了一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法及电机选型应用，通过建立轮毂电驱动汽车的车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型，推导出车身加速度相对路面输入速度的幅频特性曲线的不变点，通过建模仿真分析指出轮毂电驱动汽车乘坐舒适性。同时公开了一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法在电机选型上的应用，分析得出由电机引起的非簧载质量增加是引起轮毂电驱动汽车乘坐舒适性变差的原因，并由不变点频率表达式给出轮毂驱动电机选型对电机质量的要求，改善高频段的乘坐舒适性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车乘坐舒适性分析方法，尤其涉及一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法及电机选型应用。

背景技术

随着汽车需求的不断提高，汽车的保有量连年增长，截止2015年底，我国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆。新能源汽车保有量达58.32万辆，其中纯电动汽车保有量达33.2万辆，占新能源汽车总量的56.93％，于2014年相比增长了317.06％。可见电动汽车的前景日新月异。而且，截止2015年底，机动车驾驶人3.27亿人，其中汽车驾驶人超过2.8亿人。可见汽车的需求量还远远没有达到饱和。而日益增长的汽车数量相对于不可再生的石油能源，使我们更要对电动汽车的发展加大关注。

轮毂电驱动汽车的出现，让我们对悬架、非簧载质量和乘坐舒适性等有了一个新的认识。和传统主动悬架相比，轮毂电驱动汽车用驱动电机取代了传统的发动机，用主动悬架取代了传统悬架，并且将驱动电机和主动悬架都集成在车轮内部。使汽车的结构紧凑，没有了传统的发动机、离合器、变速器、传动轴、差速器和机械悬架系统等结构。使电动汽车的整体质量减轻，更节能，可以实现驾驶员期望的续驶里程。但是，驱动电机的引入，会使非簧载质量增加使乘坐舒适性变坏。为了使乘坐舒适性提高，驱动电机选型就变成了一个重要的指标。

我国在修订GB/T 4970-1996《汽车能够随机输入行驶实验方法》时，评价汽车平顺性就考虑椅面x_s、y_s、z_s这三个轴。椅面垂直轴向z_s在频率4-8Hz范围内时，人的内脏器官产生共振，会使人感到不舒服。现在多用两个主振型的方法评价垂向车身加速度关于路面输入速度的频率响应对乘坐舒适性的影响，然而这种方法在高频段不能直接说明乘坐舒适性变化的原因，同时也不能定量的给出轮毂电机的选型应用。

发明内容

为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法及电机选型应用，通过建立轮毂电驱动汽车的车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型，推导出车身加速度相对路面输入速度的幅频特性曲线的不变点，分析指出轮毂电驱动汽车乘坐舒适性变差的原因，并给出轮毂驱动电机选型应用，改善高频段的乘坐舒适性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法，主要包含以下步骤：

步骤一、建立路面、车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型：

1.1)建立时域滤波白噪声路面输入系统数学模型：

其中：n₀₀为下截止空间频率，n₀₀＝0.011m^-1；

q(t)为路面随机高度位移，m；

W(t)为均值为零的高斯白噪声信号；

1.2)建立车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型，并列出坐标原点选在各自平衡位置时的运动方程，所述运动方程如下：

其中：m₁和m₂分别是车轮质量和车身质量，kg；

z₁、和分别是车轮位移、车轮速度和车轮加速度，m、m/s、m/s²；

z₂、和分别是车轮位移、车轮速度和车轮加速度，m、m/s、m/s²；

C为减震器阻尼系数，N/(m/s)；

k和k_t分别为悬架刚度和车轮刚度，N/m；

q为路面不平度，m；

步骤二、计算分析不变点大小、位置：

将所述步骤1.2)列出的运动方程变形后进行拉氏变换：

m₂s²z₂(s)+m₁s²z₁(s)+k_t[z₁(s)-q(s)]＝0；

定义三个传递函数：

其中：H_A、H_SD和H_TD分别是车身加速度传递函数、悬架弹簧动挠度传递函数和轮胎弹性动挠度传递函数；s＝jω；

综合上述公式后得到关于|H_A(jω)|的不变点频率表达式：

其中：k_t为轮胎刚度，m₁为非簧载质量；

步骤三、路面、车辆仿真建模：

3.1)在simulink中搭建滤波白噪声形式的时域路面输入模型模块，并做成子模块用于不同路面或不同行驶速度的行驶工况；

3.2)根据所述步骤一中建立的车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型列出的运动方程在simulink模块中搭建模型，引入所述步骤3.1)中搭建的滤波白噪声形式的时域路面输入模型模块，并给出车辆模型参数，并向workspace中输出目标参数；根据搭建的仿真模型进行仿真，将仿真结果绘制曲线与计算结果对比得出乘坐舒适性分析结果。

本发明同时提供所述轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法在轮毂电机选型上的应用，其是在分析完乘坐舒适性之后，应用绘制曲线的方程，给出非簧载质量的驱动电机选型应用：

包括以下步骤：

步骤一、分析由电机引起的非簧载质量增加对不变点的影响：

由于轮毂电机的加入，使得非簧载质量增加，即m₁增加，根据ω_i减小；

所述不变点频率表达式如下式：

改变非簧载质量m₁，所述不变点的频率发生改变；

在4～8Hz频率范围内，人体内脏器官最容易产生共振，因此，轮毂电机引起的非簧载质量增加是引起轮毂电驱动汽车乘坐舒适性变差的根本原因；

步骤二、轮毂电机选型应用：

根据不变点频率表达式如下式：

设轮毂电机的质量为m₀，则新非簧载质量为：

m′₁＝m₁+m₀

可得：

由于人体对4～8Hz频率范围最为敏感，故要使f_i＞8Hz，即：

整理后获得轮毂电机质量的选取要求，即：

其中，m₀为轮毂电机质量，kg；k_t为轮胎刚度，N/m；m₁为除轮毂电机以外的非簧载质量，kg。

由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明定义了车身加速度对路面输入速度的幅频特性|H_A(jω)|的频率不变点

2、本发明提供一种新的计算方法，和传统计算方法相比，直观的说明了在不变点即高频段附近无法改变导致乘坐舒适性的原因；

3、直观说明轮毂电驱动汽车乘坐舒适性变差的根本原因，并依此给出了轮毂驱动电机选型应用，改善轮毂电驱动汽车乘坐舒适性。

附图说明

图1为本发明轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法及在电机选型上应用的流程图；

图2为轮毂电驱动汽车车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型图；

图3为simulink模块中搭建滤波白噪声形式的时域路面输入仿真图；

图4为车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型的simulink模块中仿真图；

图5为车身加速度对路面输入速度的幅频特性曲线(标出的点为不变点，未更改参数)；

图6为车身加速度对路面输入速度的幅频特性曲线(标出的点为不变点，更改参数后的多条曲线)；

图7为车身加速度对路面输入速度的幅频特性曲线(标出的点为不变点，改变非簧载质量后的两条曲线)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所提出的技术方案进行进一步阐述和说明。

本发明提供了一种一种轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法及电机选型应用，如图1所示，包括以下几个步骤：

1、建立路面、车身和车轮两自由度四分之一车辆振动系统数学模型：

本实验以某国产车型结构参数为例来进行计算和仿真，具体参数见表1。

表1

参数名称符号单位参数值车身质量m₂kg413车轮质量m₁kg43悬架刚度kN/m16300减震器阻尼系数cN/(m/s)1200车轮刚度k_tN/m143000

(1)建立时域滤波白噪声路面输入系统数学模型

根据在1984年国际标准化组织在文件ISO/TC 108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”和国内由长春汽车研究所起草制定的GB 7031《车辆振动输入——路面平度表示》标准之中，路面功率谱密度G_q(n)用下式作为拟合表达式：

式中，n为空间频率(m^-1)，表示每米长度中包含几个波长；n₀为参考空间频率，n₀＝0.1m^-1；G_q(n₀)为参考空间频率n₀下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m³；W为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。

路面不平度8级分类标准参见表2。

表2

当汽车以一定车速u(m/s)驶过空间频率n(m^-1)的路面不平度时输入的时间频率f(Hz)是n与u的乘积，即：

f＝un (2)

并且时间频率功率谱密度和空间频率功率谱密度的关系为：

将方程(1)(2)(3)联立求解得：

将分级路面谱的频率指数W＝2带入方程(4)得:

将ω＝2πf带入方程(5)得：

假设截止频率为ω₀，则方程(6)变换成：

式(7)可视作白噪声激励的一阶线性系统的响应，根据随机振动理论，可知：

G_q(ω)＝|H(ω)|²S_ω>

其中：H(ω)为频响函数；

S_ω为白噪声W(t)功率谱密度，取S_ω＝1。

所以有：

即：

其中：n₀₀为下截止空间频率，n₀₀＝0.011m^-1；

q(t)为路面随机高度位移，m；

W(t)为均值为零的高斯白噪声信号。

(2)建立车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统数学模型

车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型如图2所示，假设轮胎没有离开地面，z₂和z₁是从静态平衡位置开始测量的，那么运动的线性方程可以描述成如下形式：

其中：m₁和m₂分别是车轮质量和车身质量，kg；

z₁、和分别是车轮位移、车轮速度和车轮加速度，m、m/s、m/s²；

z₂、和分别是车轮位移、车轮速度和车轮加速度，m、m/s、m/s²；

C为减震器阻尼系数，N/(m/s)；

k和k_t分别为悬架刚度和车轮刚度，N/m；

q为路面不平度，m；

2、计算分析不变点大小、位置：

将方程(11)和(12)相加得到如下方程：

假设初始值是零，对方程(13)进行拉氏变换的到如下方程：

m₂s²z₂(s)+m₁s²z₁(s)+k_t[z₁(s)-q(s)]＝0>

将方程(14)变换成如下形式：

m₂s²z₂(s)+(k_t+m₁s²)z₁(s)＝k_tq(s)>

然后定义我们想要的研究的三个传递函数：

其中H_A、H_SD和H_TD分别是车身加速度传递函数，悬架弹簧动挠度传递函数和轮胎弹性动挠度传递函数。这三个传递函数都是和路面输入速度相关的。一般使用的路面输入速度是“时域滤波白噪声路面”。

将方程(16)(17)(18)带入方程(15)得到如下三个方程：

m₂H_A(s)+(k_t+s²m₁)H_TD(s)＝-sm₁>

s²m₂H_SD(s)+[k_t+s²(m₂+m₁)]H_TD(s)＝-s(m₂+m₁)>

[k_t+s²(m₂+m₁)]H_A(s)-(k_t+s²m₁)s²H_SD(s)＝k_ts>

将s＝jω代入方程(19)(20)(21)中，得到如下方程：

m₂H_A(jω)+(k_t-ω²m₁)H_TD(jω)＝-jωm₁>

-ω²m₂H_SD(jω)+[k_t-ω²(m₂+m₁)]H_TD(jω)＝-jω(m₂+m₁)>

[k_t-ω²(m₂+m₁)]H_A(jω)+(k_t-ω²m₁)ω²H_SD(jω)＝k_tjω>

从方程(22)(23)(24)中可以看出来，一旦三个传递函数中的一个被确定下来了，其它两个传递函数就被确定下来了。方程(22)(23)(24)可以用来确定传递函数中的不变点，这些不变点的值对应着一些特殊的频率，这些特殊的频率只与k_t、m₁和m₂有关。在方程(22)中，令含有H_TD(jω)的相恒为零，那么只需要令前面的系数恒为零即可，即：k_t-ω²m₁＝0。这样就获得一个和H_A(jω)有关的特殊的频率ω_i，即：其中，k_t为轮胎刚度，m₁为非簧载质量。那么和他对应的这个点定义为车身加速度响应的不变点，对于大多数的车辆ω_i的值是10Hz左右。

3、建立路面、车身和车轮两自由度四分之一车辆振动系统simulink仿真模型，并给出仿真结果：

(1)建立时域滤波白噪声路面输入系统simulink模型

选取行驶工况为在C级路面上，以50km/h的速度行驶。

根据1中方程(10)在simulink中搭建时域滤波白噪声路面输入系统模型如图3所示，其中W(t)为数学期望为零的高斯白噪声。并做成子模块用于不同的路面和行驶速度的行驶工况。

(2)建立车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统simulink模型

选取和(1)中一样的行驶工况，使用(1)中建立的子模块作为路面输入信号。

根据方程(11)(12)在simulink中搭建车身与车轮两自由度四分之一车辆振动系统模型如图4所示。并将车身加速度和路面输入速度数据(matlab中分别用BAcc和RIVe表示)，输出到matlab中workspace模块中。

(3)编写m文件，绘制车身加速度对路面输入速度幅频特性曲线

根据步骤(2)中simulink输出到workspace的两组数据，车身加速度(BAcc)和路面输入速度(RIVe)，编写m文件绘制车身加速度对路面输入速度幅频特性曲线。绘制曲线如图5所示，图中标记的点为不变点。可以看出不变点的幅值基本等于曲线的最大值，不变点的位置可以直接反应乘坐舒适性的好坏。

(4)改变弹簧刚度k

根据不变点的表达式与弹簧刚度k无关。所以，改变弹簧刚度k(16300N/m→20000N/m)，绘制新的曲线，和原曲线绘制在同一张图里，并观测不变点的位置。绘制的图片如图6所示，其中黑色曲线为未改变参数曲线，蓝色曲线为改变参数k后绘制的曲线，标记的点为不变点的位置。

和图5中绘制曲线的不变点位置比较发现，改变参数后的不变点的位置是一样的，所以参数k对不变点的位置没有影响。

(5)改变阻尼系数c

根据不变点的表达式与阻尼系数c无关。所以，改变阻尼系数c(1200N/(m/s)→2000N/(m/s))，绘制新的曲线，和原曲线绘制在同一张图里，并观测不变点的位置。绘制的图片如图6所示，其中黑色曲线为未改变参数曲线，红色曲线为改变参数c后绘制的曲线，标记的点为不变点的位置。

和图5中绘制曲线的不变点位置比较发现，改变参数后的不变点的位置是一样的，所以参数c对不变点的位置没有影响。

4、所述轮毂电驱动汽车乘坐舒适性分析方法的在轮毂电机选型上的应用：

(1)由电机引起的非簧载质量增加对不变点的影响

由于轮毂电机的加入，使得非簧载质量增加，即m₁增加，根据ω_i减小。

改变非簧载质量m₁(模拟轮毂电机引起的非簧载质量增加，43kg→70kg)，绘制新的曲线，和原曲线绘制在同一张图里，并观测不变点的位置。绘制的图片如图7所示，其中一条曲线为未改变非簧载质量m₁的曲线，另一条曲线为改变非簧载质量m₁后的曲线，标记的点为改变后的不变点。将该不变点和图5中的不变点对比发现，不变点的频率从9.18Hz减小到7.19Hz，使得频率小于8Hz，而且|H_A(jω)|从5.969增加到7.678，产生了明显的增长。而在4～8Hz频率范围内，人体内脏器官最容易产生共振，即人感觉最不舒服的频率范围。所以，轮毂电机引起的非簧载质量增加，导致不变点左移，是引起轮毂电驱动汽车乘坐舒适性变差的根本原因。

(2)轮毂电机选型应用

由于轮毂电机的加入，使得非簧载质量增加，即m₁增加，根据ω_i减小。

不变点频率表达式如下式：

设轮毂电机的质量为m₀，则新非簧载质量为：

m′₁＝m₁+m₀>

将方程(26)代入方程(25)得：

由于人体对4～8Hz频率范围最为敏感，故要使f_i＞8Hz，即：

所以，我们可以获得轮毂电机质量的选取要求，即：

其中，m₀为轮毂电机质量，kg；k_t为轮胎刚度，N/m；m₁为除轮毂电机以外的非簧载质量，kg。