（光學工程專業(yè)論文）電動輪汽車半主動懸架建模仿真及平順性研究.pdf

中文摘要 隨著石油資源的逐漸減少，電動汽車終究會成為未來汽車發(fā)展的主要形式。 電動輪汽車以其高度集成化的結(jié)構形式，高自由度的設計空間等優(yōu)點，也將成 為未來汽車發(fā)展的重要力量。電動輪汽車采用輪轂式電機驅(qū)動，在集成化的電 動輪與傳統(tǒng)懸架耦合時，會對懸架結(jié)構造成一些影響。如主銷參數(shù)的變化、非 簧載質(zhì)量的增加以及輪胎、輪轂等結(jié)構形式的變化。而這些影響因素會進一步 作用于整車的平順性，造成車輛行駛舒適性的惡化。傳統(tǒng)被動懸架的剛度、阻 尼等參數(shù)不能進行實時調(diào)節(jié)，因此有必要針對電動輪汽車平順性惡化的問題發(fā) 展懸架調(diào)節(jié)控制技術。 a d a m s c a r 是一種專業(yè)的汽車動力學仿真軟件，能夠?qū)④囕v物理模型轉(zhuǎn) 化為以多剛體動力學為基礎的動力學模型，進而可以進行整車或者部件的各種 虛擬樣機仿真實驗。其中的r i d e 模塊，能夠準確有效地進行平順性仿真實驗。 在m a t l a b s i m u l i n k 中能夠快捷、有效地實現(xiàn)各種現(xiàn)代控制方法，因此在本文 中將運用s i m u l i n k 工具建立半主動懸架控制模型。 本文以輪轂式電動輪汽車為研究對象，首先分析了電動輪中各個重要的組 成部分，以及傳統(tǒng)懸架與電動輪耦合時所產(chǎn)生的影響。在a d a m s c a r 的平臺 上建立了電動輪汽車整車動力學模型，并對所建立的整車模型進行平順性仿真 實驗。依照仿真結(jié)果以及本文所設定的平順性評價指標，分析了主銷偏移距初 始值的變化、輪胎剛度和阻尼的變化以及非簧載質(zhì)量的增加對電動輪汽車平順 性的影響。在a d a m s c a r 中建立整車模型時，需要考慮到半主動懸架的控制 作用。因此通過a d a m s c o n t r o l 工具建立與半主動懸架控制模型相連接的輸入 和輸出變量。運用m a t l a b s i m u l i n k 工具分別建立磁流變半主動懸架模型、p i d 控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)。將整車模型引入到s i m u l i n k 環(huán)境下，并與半主動懸 架控制系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)對電動輪汽車平順性的聯(lián)合控制仿真。最后對聯(lián)合仿 真控制結(jié)果分析，得到p i d 、模糊控制系統(tǒng)均能夠改善電動輪汽車由于非簧載質(zhì) 量增加、主銷偏移距初始值的變化以及輪胎剛度和阻尼的變化而引起的平順性 惡化的問題。 關鍵詞：電動輪汽車，半主動懸架，p i d 控制，模糊控制，平順性 a bs t r a c t w i t ht h eg r a d u a lr e d u c t i o no fo i lr e s o u r c e s ，e l e c t r i cv e h i c l ew i l lb e c o m et h e m a i nf o r mo ff u t u r ev e h i c l ee v e n t u a l l y a d v a n t a g e so fi n - w h e e lm o t o rd r i v ee v 嬲 h i g h l yi n t e g r a t e ds t r u c t u r e ，m u l t i p l el 自e e d o mo fd e s i g ne t c ，w h i c hu r g et h i sv e h i c l et o b e c o m ea ni m p o r t a n tf o r c eo ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y i n - w h e e l m o t o rd r i v ee ve m p l o yw h e e lt y p em o t o r s ，a n dw h i c he x e r ts o m ei n f l u e n c eo nt h e s t r u c t u r eo fs u s p e n s i o nw h e nc o u p l i n gw i t ht r a d i t i o n a ls u s p e n s i o n t h e s ee f f e c t s i n c l u d ep a r a m e t e rc h a n g e so fk i n g p 砘i n c r e a s e so ft h ea n - s p r u n gm a s s ，a n dt h e c h a n g e so fs t r u c t u r a lf o r m so ft i r e s ，w h e e lh u b t h e s ef a c t o r sw i l la c to nt h er i d eo f v e h i c l e ，r e s u l t i n gi nt h ed e t e r i o r a t i o no ft h et i d e c o n v e n t i o n a lp a s s i v es u s p e n s i o n s y s t e mi s u n a b l et om e e tt h en e e d so fr e a l - t i m ea d j u s t m e n t , s oi t s n e c e s s a r yt o d e v e l o pt h et e c h n o l o g yo fs u s p e n s i o na d j u s t m e n ta n dc o n t r o li na l l u s i o nt ot h e d e t e r i o r a t i o no f t h ei n - w h e e lm o t o rd r i v ee v a d a m s c a ri sap r o f e s s i o n a lv e h i c l ed y n a m i c ss o f f c c a r e ，w h i c hc o u l d c o n v e r t e di n t ok i n e t i cm o d e lb a s e do nm u l t i b o d yd y n a m i c sf o r mp h y s i c a lm o d e l ， a n df u r t h e ro nv i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fv e h i c l eo rp a r t s t h e m o d u l eo fr i d ec o u l dd om a n yr i d ec o m f o r ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa c c u r a t e l ya n d e f f e c t i v e l y i t se f f e c t i v e l ya n dq u i c k l yt oa c h i e v eav a r i e t yo fm o d e mc o n t r o l m e t h o d si nt h em t l a b s i m u l i n k , s 0w ec o u l db u i l dt h em o d e lo fs e m i a c t i v e s u s p e n s i o nu s i n g t h es i m u l i n kt o o li nt h i sa r t i c l e i nt h i sp a p e r , t a k i n gi n w h e e lm o t o rd r i v ee va st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n a l y z et h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t so fe l e c t r i cw h e e lf i r s t l ya n dt h ei m p a c to fc o u p l i n gb e t w e e n t r a d i t i o n a ls u s p e n s i o na n de l e c t r i cw h e e l t h e nb u i l dt h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e l 、析也 a d a m s c a ra sap l a t f o r m ，a n dg oo ns o m er i d ec o m f o r ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so n t h eb a s i so ft h ev e h i c l em o d e l a c c o r d 迦t ot h es i m u l i n kr e s u l t sa n dt i d i n ge v a l u a t i o n w eh a v es e t ，w ea n a l y z et h ei m p a c to nr i d ef r o mt h ec h a n g e so ft h ei n i t i a lv a l u eo f k i n g p i no f f s e t , t h es t i f f n e s sa n dd a m po ft i r e s 嬲w e l l 嬲t h ei n c r e a s eo fu n s p r u n g m a s s w h e nb u i l d i n gt h em o d e lo fi n w h e e lm o t o rd r i v ee v , t h ei m p a c to f s e m i a c t i v es u s p e n s i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d s oc r e a t et h em p u ta n do u t p u tv a r i a b l e s n w h i c hc o n n e c tt ot h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o ni na d a m s c o n t r 0 1 w ee s t a b l i s h m a g n e t o r h e o l o g i c a ls e m i a c t i v es u s p e n s i o nm o d e l ，p i dc o n t r o ls y s t e ma n df u z z y c o n t r o ls y s t e mu s i n gm a t l a b s i m u l i n k t h ev e h i c l em o d e li si n t r o d u c e di n t ot h e s i m u l i n ke n v i r o n m e n t , c o n n e c t e d 、析t l lt h es e m i a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m , a n d m a k ej o i n tc o n t r o ls i m u l a t i o no nr i d eo fi n - w h e e lm o t o rd r i v ee v a tl a s t , o nt h eb a s e o ft h er e s u l t so f j o i n tc o n t r o ls i m u l a t i o n , p da n df u z z yc o n t r o ls y s t e mc o u l di m p r o v e t h ef i d ec o m f o r td e t e r i o r a t i o nc a u s e db yt h ei n e a s ei nu n s p r u n gm a s s ，t h ei n i t i a l v a l u eo fk i n g p i no f f s e ta n dt h es t i f f n e s sa n dd a m po ft i r e si nt h ei n - w h e e lm o t o rd r i v e e v k e y w o r d s ：i n w h e e lm o t o rd r i v ee v , s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n , p i dc o n t r o l ， f u z z yc o n t r o l ，r i d e i i i 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 前言 第一章：緒論 現(xiàn)今，汽車在不斷滿足人們對快捷、舒適生活追求的同時，也引起交通擁 堵、環(huán)境污染以及能源短缺等諸多問題，但是人類從沒有停止過針對問題解決 的探索。特別是人們對環(huán)境和能源問題的亟待解決，電動汽車越來越成為持續(xù) 關注的對象。若按照驅(qū)動系統(tǒng)中所采用的電機個數(shù)不同，電動汽車可以分為單 電機集中驅(qū)動和多電機輪轂驅(qū)動兩種。單電機驅(qū)動與傳動底盤兼容性較好，易 于改造和大規(guī)模生產(chǎn)，但是整車性能同樣要受制于底盤。采用雙電機或者多電 機直接驅(qū)動的電動形式以其結(jié)構緊湊，傳動高效，愈來愈受到各方的重視。其 中典型代表就是四輪驅(qū)動電動汽車。 采用四輪驅(qū)動的輪轂式電動輪汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和單電機集中驅(qū)動電 動汽車相比具有如下突出優(yōu)點【1 1 ： 1 ，可以通過電子控制器實現(xiàn)各個電動輪驅(qū)動速度的無級變速以及各個輪轂 電機間的差速。省略了傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動軸、差速器等機械傳動部分， 提高了傳動效率。 2 ，電動輪結(jié)構易于與懸架、制動、轉(zhuǎn)向等底盤零件組成一體化的集中模塊 結(jié)構形式，減少了零部件設計和制造成本。 3 ，電動輪結(jié)構運用于整車可大大簡化底盤的結(jié)構，使得整車布置以及車身 設計的自由度增加。進而將底盤的承載功能和傳動功能分離，易實現(xiàn)相同底盤 與不同車身造型相匹配，縮短新車的開發(fā)周期【2 】。 4 ，各個電動輪的獨立控制，給a b s ，a s r ，t c s 等集成控制方案提供可實 施的平臺，從而增強車輛的操作穩(wěn)定性和高速安全性能。 5 ，制動方面突破了傳統(tǒng)汽車的制動方法，易于實現(xiàn)機電復合制動和電氣制 動等制動方法。同時易于實現(xiàn)制動過程中的能量回饋，提高整車能源的利用效 率。 6 ，通過對多輪轉(zhuǎn)向和多輪驅(qū)動的聯(lián)合控制( 4 w s 4 w d ) ，減小轉(zhuǎn)彎半徑， 實現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向高性能化。 武漢理工大學碩士學位論文 7 ，電機轉(zhuǎn)矩控制具有高速響應性，通過對各個電動輪進行轉(zhuǎn)矩控制可防止 汽車在加速、啟動、減速時的滑轉(zhuǎn)。通過對左右轉(zhuǎn)矩的分配實現(xiàn)直接橫擺控制 ( d y c ) 以控制車輛在轉(zhuǎn)彎時的姿勢，提高行駛穩(wěn)定性。 所以四輪獨立驅(qū)動輪轂式電動汽車有著燃油汽車和傳統(tǒng)電動汽車所不具備 的優(yōu)勢。集新能源運用、計算機控制、電機伺服驅(qū)動等高新科技于一身的產(chǎn)物。 正因為這樣諸多優(yōu)勢，業(yè)界認為電動輪汽車或者輪轂式電動汽車將會是電動汽 車的最終驅(qū)動形式。 1 2 電動輪汽車 1 2 1 電動輪的分類及結(jié)構特點 電動輪汽車也可稱為輪轂式電動汽車。它是將驅(qū)動電機、制動系統(tǒng)甚至部 分懸架系統(tǒng)集成在車輪的輪轂內(nèi)，組成高度集成化的驅(qū)動系統(tǒng)。 至2 0 世紀5 0 年代，美國人羅伯特發(fā)明了第一個輪轂式電動輪以來，電動 輪的結(jié)構形式也根據(jù)不同作用而各不相同。運用最廣泛的當屬大型礦用電動輪， 它是將電機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)輸出軸傳遞給減速機構，經(jīng)減速機構減速增扭后在傳遞給 輪輞，最終驅(qū)動汽車行駛。因為電動輪可以實現(xiàn)四輪獨立驅(qū)動，很適合在惡劣 路面上行駛，所以這種結(jié)構首先運用于礦用車和越野車的驅(qū)動系統(tǒng)上。 圖1 1 羅伯特發(fā)明的輪轂裝置圖1 2 礦用車電動輪 按照驅(qū)動方式不同，汽車所用的電動輪可以分為直接驅(qū)動型和減速驅(qū)動型 兩類。 直接驅(qū)動型是將驅(qū)動電機，制動系統(tǒng)及部分懸架系統(tǒng)裝配在車輪的輪輞內(nèi)。 2 武漢理工大學碩士學位論文 在車輛起步時，需要電機提供低轉(zhuǎn)速、高扭矩的動力，這與普通電動機的高轉(zhuǎn) 速性能相矛盾。因此這種驅(qū)動系統(tǒng)所采用的電機與普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機不同，多 使用外轉(zhuǎn)子電機，直接將外轉(zhuǎn)子與輪輞相連驅(qū)動車輪。要求電動機有很寬的轉(zhuǎn) 矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍、較強的動力性以適應車輛在不同工況下的轉(zhuǎn)矩要求。 最典型的直接驅(qū)動型電動輪是加拿大研制的專門用于電動輪車上的t m 4 電 動輪。此外日本i z a 電動汽車同樣采用直接驅(qū)動車輪，改驅(qū)動車輪采用的是外 轉(zhuǎn)子電動機。 一； 圖1 31 7 v 1 4 電動輪圖1 4 姒電動輪 減速驅(qū)動型電動輪來源于礦用車的電動輪，電機的輸出軸不直接驅(qū)動車輪， 而需要經(jīng)減速機構后再傳輸?shù)杰囕喩?。在此時情況下，可以允許電機高速運行， 提高電機的比功率。而不需要對電機的性能有什么特別要求，采用較為普通的 內(nèi)轉(zhuǎn)子高速電機。這里的減速機構相當于傳統(tǒng)汽車中的主減速器，對從電機傳 來的動力減速增扭再輸送給車輪，使得汽車在低速時能夠獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩。 2 0 0 1 年日本k e i o 大學推出的一款k a z 八輪全驅(qū)動純電動汽車以及后來英 國研制的用于方程式電動賽車的電動輪同樣也是采用的減速型電動輪。此外還 有日本c o m s 小型電動車、e e o 電動汽車以及l(fā) u e i o l e 電動汽車也都是采用的這 種驅(qū)動系統(tǒng)。 3 武漢理工大學碩士學位論文 罐黻勞號對塑型 靛港甍倫約l 垂 圖1 5k a z 前輪驅(qū)動系統(tǒng)圖1 6c o m s 電動輪 1 2 2 電動輪汽車研究現(xiàn)狀 在四輪驅(qū)動電動汽車的研究開發(fā)上，日美等傳統(tǒng)汽車強國起步較早，技術 也處于領先地位。日本慶應大學清水浩教授所領導的電動輪汽車研究開發(fā)小組， 一直致力于以輪轂電機為基礎的電動輪汽車的研發(fā)。1 9 9 1 年該小組與東京電力 公司合作共同開發(fā)了電動汽車i z a ，該車所采用的電動輪結(jié)構如圖1 4 示。該電 動輪所采用的是外轉(zhuǎn)子電動機，轉(zhuǎn)子與輪轂直接相連。四個電動輪所采用的電 機的額定功率均為6 8 k w ，最大功率2 5 k w ，最高時速為1 7 6 k m h ，一次充滿電 后若以4 0 公里每小時的勻速工況行駛下，i z a 具有5 4 8 k m 的續(xù)駛里程。2 0 0 1 年，該小組在前一款電動輪車的基礎上又推出一款輪轂式電動汽車k a z 。與傳 統(tǒng)車輛采用四輪驅(qū)動模式不同的是，k a z 采用8 個交流同步電機獨立驅(qū)動。外 形特別，長6 7 m ，寬1 9 5 m ，高1 6 8 m ，重2 9 8 0 k g ，可載8 人，如圖1 7 示。 k a z 中的電動輪采用高性能、高轉(zhuǎn)速的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，峰值功率為5 5 k w ，這大 大提高了該車的行駛性能。在勻速l o o k m h 情況下，該車在一次充滿電后的續(xù) 駛里程為3 0 0 k m h 。車輛動力來源為由8 4 塊鋰電池組成的動力系統(tǒng)，每顆電池 3 7 5 v 。由于采用的是高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，為了使電機的輸出扭矩滿足車輛的要求， k a z 電動輪都配備了一個減速比為4 5 8 8 的行星齒輪減速機構。k a z 電動輪的 前輪系統(tǒng)如圖1 5 示。2 0 0 4 年，該小組在k a z 的基礎上推出電動汽車e l i i e a ， 如1 8 示，該車的性能與k a z 相比有了較大提高。0 , - - 1 0 0 k m 加速時間僅需4 2 s ， 加速到1 6 0 k m h 不過7 s ，良好工況下的最大時速可達4 0 0 k m h ，這種動力性能 可以與跑車媲美。 4 武漢理工大學碩士學位論文 圖1 7k a z 電動輪汽車 圖1 8e l i i c a 電動輪汽車 美國同樣是最早研究開發(fā)電動汽車的國家之一。1 9 9 6 年美國通用汽車公司 推出了一款名為e v l 的電動汽車，以鎳氫電池為動力源，并將其實施出租計劃。 但是到2 0 0 2 年，通用公司又宣布放棄這個幾乎沒有盈利的計劃。雖然這件事給 整個電動汽車的研發(fā)帶來很大的負面影響，但是很快通用公司在北美國際汽車 展上就推出了他們比較看好的燃料電池汽車a u t o n o m y ，它采用電動輪驅(qū)動形式， 滑板式結(jié)構，燃料電池加上電動馬達取代了發(fā)動機、變速箱及傳動軸。這款車 被認為是未來汽車工業(yè)的趨勢，線控技術和模塊化設計在這款車上發(fā)揮到了極 致。2 0 0 5 年通用公司又推出前輪采用集中電機驅(qū)動，后輪電動輪驅(qū)動的燃料電 動汽車s e q u e l 。 其他汽車工業(yè)發(fā)達國家在輪轂式電動汽車領域也做了較大的突破，其中最 具代表性的為法國米其林公司研發(fā)的一款燃料電池電動輪車( h y 1 i g h t ) 。該車采 用的米其林主動輪將車輛的動力驅(qū)動系統(tǒng)全部集中安裝在了輪胎的輪輞中。輪 輞中集中了驅(qū)動電機，嵌入式主動懸掛，懸掛電機和制動器，這款高度集成化 的電動輪被稱為a c t i v e - w h e e l ，如圖1 9 示。 圖1 9 米其林公司的h y - l i g h t 及電動輪a c t i v e w h e e l 我國幅員遼闊，自然資源豐富，但是長期受到能源利用效率不高，空氣污 武漢理工大學碩士學位論文 染嚴重等問題的困擾。從緩解資源壓力的角度出發(fā)，也從振興汽車工業(yè)的考慮， 我國從政府，汽車公司再到科研院校都在積極開展電動汽車的研制和開發(fā)。在 輪轂式電動汽車領域，同濟大學汽車研究院走在了國內(nèi)的前列。 從2 0 0 2 年8 月起，同濟大學相繼推出“春暉一號，“春暉二號 ，“春 暉三號四輪驅(qū)動電動汽車。它們均采用四個永磁直流無刷低速輪轂電動機來 驅(qū)動車輛。由制動盤，輪轂電機，轉(zhuǎn)速傳感器組成的電動輪與獨立懸架采用模 塊化設計。春暉系列電動車所采用的電機為外轉(zhuǎn)子式，在設計時考慮電動輪與 獨立懸架的連接和電動輪內(nèi)部電機，輪輞和制動系統(tǒng)的連接。北京理工大學所 研制開發(fā)的e - t o u r i n gc a r 電動游覽車，采用兩個2 2 k w 的直流串勵電動輪驅(qū)動 車輛前行。哈爾濱工業(yè)大學所研發(fā)的e v 9 6 1 電動汽車其動力系統(tǒng)同樣也采用了 輪轂式電機驅(qū)動形式。改電動汽車采用的是多態(tài)電動機，也就是說該電機兼有 異步電機和同步電機的雙重特性，額定功率6 8 k w ，峰值功率1 5 k w 。 1 2 3 半主動懸架介紹 懸架的主要作用就是傳遞路面作用在車身上的各種方向力、力矩，以及吸 收和緩沖作用在車身上的振動和沖擊。因此懸架系統(tǒng)對提高整車平順性有著非 常重要的意義。懸架按照其參數(shù)是否可控可以分為被動懸架和可控懸架。可控 懸架又可以分為車身高度可調(diào)節(jié)懸架、主動懸架以及半主動懸架。典型的車身 高度可調(diào)節(jié)懸架主要有空氣懸架和油氣懸架，而主動和半主動懸架是同調(diào)節(jié)懸 架剛度或阻尼參數(shù)來適應各種路況的需要。 主動懸架或者半主動懸架是相對于被動懸架而言的。所謂被動懸架也就是 傳統(tǒng)意義上的懸架，主要有減振器、彈簧等衰減振動元件和導向機構組成。這 其中減振器主要起衰減振動作用，彈簧起到緩沖沖擊力的作用。但是彈簧的剛 度值以及減振器的阻尼值是根據(jù)特定工況下設定好的，系統(tǒng)的振動特性不可改 變，不能根據(jù)車輛的運行狀況和路面情況進行實時調(diào)節(jié)，只能在特定的工況下 達到最佳減振效果。在實際運用中，為了使乘坐舒適性得到提高，需要采用剛 度較小的彈簧和阻尼較小的減振器。但是這樣會使懸架動撓度增大，進而導致 車身側(cè)傾嚴重，影響操縱穩(wěn)定性。相反若要采用剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)都比較大， 則會影響到懸架的隔振性能，進而會降低行駛平順性。所以被動懸架很難在平 順性和操作穩(wěn)定性上統(tǒng)籌兼顧，開發(fā)一種能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)懸架參數(shù)的智能懸架系 統(tǒng)勢在必行。 6 武漢理工大學碩士學位論文 主動懸架是在簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量之間增加了一個力作動器，使其具有 可變的彈簧剛度特性和阻尼特性。力作動器依靠外界能量向懸架系統(tǒng)提供作用 力，進而對懸架性能進行控制。與被動懸架相比，主動懸架可以根據(jù)車輛狀態(tài)， 路況信息隨時對剛度和阻尼進行調(diào)節(jié)，在很大程度上改善了操縱穩(wěn)定性和平順 性。但是主動懸架因其結(jié)構復雜，成本高，能耗大的特點阻礙了它的廣泛運用。 半主動懸架介于被動懸架和主動懸架之間，也是一種可以根據(jù)路況和行駛 狀況的變化而對彈簧剛度或者減振器阻尼進行調(diào)節(jié)的懸架系統(tǒng)。其結(jié)構示意圖 如圖1 1 0 示。在懸架系統(tǒng)中，彈簧不但起到緩沖沖擊力的作用，并且還要承受 部分車身靜載荷，因此根據(jù)車輛運行狀況實時改變彈簧的剛度比較困難。目前 半主動懸架系統(tǒng)通過檢測車輛運行狀況和車身加速的反饋信號調(diào)節(jié)減振器阻尼 系數(shù)，進而實現(xiàn)對懸架的可控。半主動懸架按照對阻尼的控制方式不同可以分 為阻尼系數(shù)連續(xù)可調(diào)的半主動懸架和可切換檔位的半主動懸架。可切換檔位的 半主動懸架是在已設定好的的幾個阻尼值上進行切換，一般分為“軟、中、硬 三個檔位，切換的時間大概在1 0 m s - 2 0 m s 之間。這種懸架系統(tǒng)結(jié)構及控制系統(tǒng) 相對簡單，在適應實時變換方面有一定的局限性。而對于阻尼系數(shù)連續(xù)可調(diào)的 半主動懸架可以分為節(jié)流孔徑調(diào)節(jié)和電流變或者磁流變粘性調(diào)節(jié)。節(jié)流孔徑調(diào) 節(jié)是通過調(diào)節(jié)減振器內(nèi)液體的流通面積來改變其阻尼特性。但是這種控制方式 結(jié)構復雜，成本較高，況且容易引起流量的脈動。 彈簧月度 輪胎 簧載質(zhì)量 毒中岸 j 簧載質(zhì)量 變阻尼力 圖1 1 0 半主動懸架結(jié)構示意圖 最早在1 9 7 4 年，以天棚阻尼的基礎，k a m o p 和c r o s b y 設計發(fā)明了半阻尼 器。將半主動懸架運用到車輛上是在1 9 7 5 年，選用的是“開關控制方法 。目 前對半主動懸架的研究主要集中于通過控制方法，實時調(diào)節(jié)減振器的阻尼，進 而改善車輛的行駛性能。但是不論國外還是國內(nèi)，對于半主動懸架的研究基本 7 武漢理工大學碩士學位論文 大都還停留在實驗室的實驗研究階段。從可控懸架的綜合因素看，主動懸架由 于其自身的成本高、復雜性以及高耗能等缺點，汽車懸架控制技術的發(fā)展方向 不是單單集中在全主動懸架的設計研發(fā)，而是在現(xiàn)有傳統(tǒng)懸架的基礎上進行改 進。 磁流變液具有較快速的響應速度、較寬的動態(tài)響應范圍以及低耗能的優(yōu)點。 目前以磁流變液為基礎的磁流變減振器越來越成為半主動懸架領域的應用研究 熱點。 1 3 本文的研究思路及方法 采用電動輪驅(qū)動系統(tǒng)可以降低整車的中心高度，使車輛在行駛過程中更加 趨于平穩(wěn)，提高操作穩(wěn)定性。同時在車身設計方面更具有靈活性，增加了車內(nèi) 的空間利用率。在這一過程中，減少了變速器、差速器和主減速器等部分傳統(tǒng) 傳動系統(tǒng)，減輕了整車的重量。但是由于將驅(qū)動電機引入輪輞，對于減速型驅(qū) 動輪，輪輞中甚至增加了減速機構，這將大大增加非簧載質(zhì)量。與傳統(tǒng)汽車相 比，車載簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量之比將嚴重失衡。我們知道簧載質(zhì)量與非簧載 質(zhì)量之比是影響車輛平順性的重要參數(shù)，將使車輪跳動趨于惡化。這是制約輪 轂式電動汽車發(fā)展的一個重要課題，影響其推廣運用。整個輪邊驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì) 量變大會進而引起車輪轉(zhuǎn)動慣量以及動載荷的變大，這也是影響制動和平順性 的因素。 電動輪汽車的懸架系統(tǒng)結(jié)構與傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)結(jié)構相同，但由于輪輞內(nèi)部安 裝了驅(qū)動電機，這將對影響整個輪邊系統(tǒng)的軸向尺寸。在電動輪系統(tǒng)與懸架系 統(tǒng)耦合時，會對主銷偏距，主銷內(nèi)傾角等參數(shù)造成影響，進而影響整車的穩(wěn)定 性和平順性。 本文將針對以上電動輪懸架耦合后懸架特性的諸多因素進行分析，提出結(jié) 果的改進方案。研究內(nèi)容如下： 1 ，建立電動輪雙橫臂懸架和電動輪多連桿懸架三維參數(shù)模型。并在 a d 伽訂s c a r 中建立懸架阻尼力可控的整車多體動力學參數(shù)化模型，并設置懸 架阻尼力作為輸入變量以及整車其他輸出變量。 2 ，討論分析電動輪輪邊驅(qū)動系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)耦合后產(chǎn)生的影響。在仿真模 型的基礎上分析主銷偏移距、非簧載質(zhì)量以及輪胎參數(shù)對平順性的影響。 8 武漢理工大學碩士學位論文 一_ _ 3 ，在分析磁流變減振器工作模式的基礎上，在m w 正a b 中建立磁流變減 振器模型，并以此產(chǎn)生的阻尼力作用于整車懸架系統(tǒng)。 4 ，設計用于整車半主動懸架的p d 和模糊控制器模型，將其作用于所建立 的電動輪汽車整車模型，進行聯(lián)合控制平順性仿真。并分析這兩種控制器作用 結(jié)果和對平順性的改善。 9 武漢理工大學碩士學位論文 第二章電動輪模塊一獨立懸架方案分析 2 1 電動輪一獨立懸架類型 2 1 1 驅(qū)動形式及電機 常見的電動輪驅(qū)動系統(tǒng)由輪轂式驅(qū)動電機、制動器、減速機構和懸架等部 分組成。其中的不同子系統(tǒng)類型組合會形成性能差異很大的電動輪驅(qū)動系統(tǒng)。 一個輪邊驅(qū)動系統(tǒng)首先要確定它的驅(qū)動形式。常用的電動輪形式有直接驅(qū)動型 和減速驅(qū)動型，二者所選用的驅(qū)動電機形式也不一樣。直接驅(qū)動型選用的是低 速外轉(zhuǎn)子型輪轂電機，減速驅(qū)動型選用的是高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型輪轂電機。 對于低速外轉(zhuǎn)予電機，電機布置在車輪輪輞內(nèi)部，轉(zhuǎn)子與輪輞固定連接并 驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。這種低速外轉(zhuǎn)子電機的主要優(yōu)點是體積較小，質(zhì)量輕，傳動效 率高。但是其單個功率不高，進而影響整車的性能。汽車在起步時需要較大的 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，這就要求低速外轉(zhuǎn)子電機必須有較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍。對電 機性能提出非常高的要求，相對來說價格成本也很高。 而高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機在作為輪邊驅(qū)動系統(tǒng)時要配合使用輪邊減速器，這種方 式能夠滿足現(xiàn)代高性能電動汽車的要求。這種電機可以在較高的轉(zhuǎn)速下工作， 提高了電機的比功率，與常規(guī)電機結(jié)果，輸出特性基本相同。這時的電機輸出 軸需要通過減速機構，經(jīng)其減速增扭后再將動力傳遞給驅(qū)動車輪。這種動力傳 動方式使得驅(qū)動電機軸承沒有受到來自車輪的各種沖向力，延長了電機軸承的 壽命。輪邊減速機構選用常用的行星齒輪減速機構。隨著緊湊型行星齒輪減速 機構的出現(xiàn)，再配合現(xiàn)有的高速電機技術，組成高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式驅(qū)動系統(tǒng)。這比 低速外轉(zhuǎn)子電機在壽命、價格及性能方面都有較強的競爭力。高速內(nèi)轉(zhuǎn)子型驅(qū) 動電機和路邊減速機構所組成的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)將成為主要的驅(qū)動形式。 目前國內(nèi)外電動汽車上所采用的電機形式主要有一下四種：直流有刷電機、 感應交流電機、開關磁阻電機和永磁無刷直流電機。 直流有刷電機結(jié)構簡單，具有符合汽車運行工況的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性。但 是這種電機也有固有缺點，所采用的機械換向機構在碰撞時易產(chǎn)生火花，不宜 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 在潮濕，易燃易爆的場合下使用。況且換向器維護困難，很難向大容量，高功 率方向發(fā)展。早期有采用直流有刷電動機的電動汽車，但是目前這種電動機己 逐步被淘汰。 三相交流感應電機是目前得以運用最為普遍的電動機。這種電機結(jié)構簡單， 零部件標準化，能夠適應惡劣環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動。但是由感應電機 發(fā)出的為交流電，不能直接給蓄電池充電，另外其具有非線性輸出特性。若要 在電動汽車上使用這種電動機，需要將車載電源輸出的直流電變?yōu)轭l率和幅值 都可調(diào)節(jié)的交流電，進而才能對電機控制。啟動力矩小，調(diào)速性差等固有的缺 點與電動車的性能要求相悖，最終將影響其在電動汽車上的推廣和應用。 從結(jié)構上說，開關磁阻電機最為簡單，定轉(zhuǎn)子都采用凸極齒槽結(jié)構。轉(zhuǎn)子 上沒有繞組，也就是說銅耗為零，非常適合高速運行，最高轉(zhuǎn)速可達十萬轉(zhuǎn)每 分鐘。從輸出特性上說，開關磁阻電機具有高度非線性特性。啟動轉(zhuǎn)矩大，啟 動功率小，低速為恒轉(zhuǎn)矩輸出，高速為恒功率輸出，并且可以在較寬的轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行。這些特點是開關磁阻電機能夠滿足電動汽車的高性能要求。 永磁無刷直流電動機同樣也是一種高效率、高性能電動機。其具有直流有 刷電機的輸出外特性但卻沒有直流電機電刷的機械接觸機構，這也就使其具有 良好的環(huán)境適應性，同時也沒有無線電干擾，運行可靠，壽命長，便于維修。 它的轉(zhuǎn)子采用永磁體，也就是說沒有勵磁損耗，效率較高。由于采用了永磁體， 所以幅值磁場為一定值，因此這種電動機適用于在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域工作。另外該種 電機還有過載能力強，啟動力矩大，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點，這種特點也使得 其能夠適用于電動汽車的運行工況。 表2 1 不同驅(qū)動電機問性能比較 、， 直流有刷電機。感應電機。永磁電機c開關磁阻電機。 控制方式廬差p一般p協(xié)優(yōu)廬 大小，質(zhì)螢，差一優(yōu)一優(yōu)一一般廬 高速運行 差一優(yōu)一一般礦優(yōu)一 能力。 維修性p 差p優(yōu)一一般p伽 效率p差p一般一仳優(yōu)， 控制性。一般p優(yōu)p優(yōu)一一般p 綜合評價，差p一般，優(yōu)一優(yōu)一 武漢理工大學碩士學位論文 通過綜合考慮電機性能，與電動汽車形式工況是否匹配等因素，永磁無刷 直流電機和開關磁阻電機是適用于輪轂式電動汽車的選擇。再考慮到電機質(zhì)量， 尺寸，與輪輞安裝和效率的要求，而對高速運轉(zhuǎn)能力和功率要求不是很高，目 前許多電動輪汽車選用永磁無刷直流電機。 2 1 2 制動器形式 目前在汽車上運用的最為廣泛的制動器為摩擦制動器，可分為盤式制動器 和鼓式制動器。鼓式制動器的摩擦工作表面為圓弧面，制動鼓隨車輪旋轉(zhuǎn)，制 動蹄在輪輞內(nèi)部固定，隨著制動蹄的張開與制動鼓內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦阻力矩，進 而使車輪減速。 盤式制動器的制動盤結(jié)構形式有鉗盤式和全盤式兩類。鉗盤式制動器是由 兩塊帶摩擦襯塊的制動塊組成。制動塊固定在轉(zhuǎn)向節(jié)或者制動鉗體中。在兩個 制動塊之間是隨車輪旋轉(zhuǎn)的制動盤，制動盤采用螺栓連接的方式固定在輪輞上。 隨著制動塊不斷加緊制動盤，產(chǎn)生制動力矩，使車輪減速。全盤式制動器的旋 轉(zhuǎn)元件和摩擦元件的外形都是圓盤形，工作時摩擦表面全部接觸，這樣可以產(chǎn) 生較大的制動力矩。但是這種全盤式制動器散熱性能差，冷卻結(jié)構較為復雜。 盤式制動器沒有像鼓式制動器那樣的摩擦助勢作用。因此摩擦面間的摩擦 系數(shù)對盤式制動器的影響較小，盤式制動器的熱衰退性和水衰退性比較好。另 外產(chǎn)生同樣的制動力矩，盤式制動器的質(zhì)量和尺寸都比較小。在軸向上制動盤 的熱膨脹量較小，制動間隙在正常的壽命中變化不大，維護方便。就目前制動 器在乘用車上的發(fā)展運用形式，盤式制動器還是占了大多數(shù)。 2 1 3 懸架形式 懸架系統(tǒng)是車輛上的重要總成之一。懸架系統(tǒng)采用彈性元件和阻尼元件將 車架和車輪彈性連接，傳遞車輪和車架間的力和力矩。懸架系統(tǒng)主要由彈性元 件( 彈簧) 、阻尼元件( 減振器) 、緩沖塊、導向裝置以及橫向穩(wěn)定器組成。 懸架常分為非獨立懸架和獨立懸架。非獨立懸架采用整體式車橋，再經(jīng)過 彈性和阻尼元件將左右車輪與車架相連接。這種懸架左右車輪相互影響，當兩 側(cè)車輪不同步跳動時，車輪會左右搖擺，前輪會產(chǎn)生擺振。現(xiàn)代乘用車為了達 到較高的操縱穩(wěn)定性和平順性，已逐步取消了這類懸架的使用。而獨立懸架的 1 2 武漢理工大學碩士學位論文 左右車輪分別通過各自的彈性和阻尼元件與車架相連接。與此相對應的是這類 懸架采用斷開式車橋，當一側(cè)車輪跳動時，另一車輪不受影響?；上沦|(zhì)量小， 懸架占有空間小，彈性元件只承受垂直力，車身振動頻率降低，改善了形式平 順性，這些優(yōu)點使獨立懸架廣泛運用于乘用車中。 麥弗遜式獨立懸架是目前普通汽車運用較廣泛的懸架系統(tǒng)。麥弗遜懸架的 車輪在上下跳動過程中沿著主銷滑動，但主銷又可以擺動。其結(jié)構特點是將導 向機構和減振裝置等多個元件集中在一起。減小了質(zhì)量，簡化了結(jié)構，降低了 制造成本，幾乎不占用橫向空間是麥弗遜懸架突出的優(yōu)點。其缺點是導向套和 減振器活塞桿之間存在有摩擦作用，這種摩擦力能夠增加懸架的剛度，進而使 得懸架彈性特性變差。麥弗遜懸架在結(jié)構上有其自身不可調(diào)節(jié)的缺點，對左右 兩側(cè)的沖擊力缺乏緩沖作用。另外剎車時點頭作用明顯，轉(zhuǎn)彎時抗側(cè)傾作用差。 雙橫臂獨立懸架也是一種比較典型的懸架系統(tǒng)結(jié)構形式。其按照上，下橫 臂的長度不同可以分為等長和不等長兩種類型的懸架系統(tǒng)。等長雙橫臂式懸架 在行駛時可以使主銷內(nèi)傾角和車輪外傾角維持為一定值。但是同時也有輪距變 化較大的缺點，輪胎磨損嚴重，現(xiàn)代乘用車已經(jīng)很少采用這種懸架結(jié)構形式。 而不等長雙橫臂式懸架，只要選擇合適的上下臂長度，并通過合理選擇空間導 向桿系的交接點坐標，就可以使車輪定位參數(shù)及輪距維持在汽車要求的合理范 圍內(nèi)?，F(xiàn)今中高級轎車的前懸架所普遍采用就是雙橫臂不等長獨立懸架。 羚國敷 漱 揪嗲 圖2 1 麥弗遜、雙橫臂、多連桿獨立懸架結(jié)構簡圖 多連桿式懸架是指由四至五根導向連接拉桿組成，并能夠傳遞多個方向控 制力的懸架結(jié)構形式。采用多連桿懸架導向控制形式，可以使輪胎有更加可靠 地行駛軌跡，提高行駛穩(wěn)定性。常用的多連桿懸架形式為五連桿，包括主控制 臂、前置定位臂、后置定位臂、上臂以及下臂，這些連接桿的作用就是傳遞和 1 3 武漢理工大學碩士學位論文 抵消來自車輪的各向力。在多連桿懸架系統(tǒng)中增加了主控制臂，在車輪上下跳 動時對車輪進行約束。同時主控制臂還具有調(diào)整后輪前束的作用，這樣可以有 效得降低輪胎摩擦。也就是說由于增加了主控制臂一方面可以更好的使車輪定 位，另一方面可以使懸架的控制可靠性進一步提高。常用麥弗遜獨立懸架、雙 橫臂獨立懸架以及多連桿懸架結(jié)構簡圖如圖2 1 示。 要對懸架的性能進行評價，可以從側(cè)傾中心高度、車輪定位參數(shù)的變化、 懸架側(cè)傾角剛度、橫向剛度以及占用空間的大小來進行評判。如下表2 2 示三種 懸架性能特點比較。 表2 2 三種懸架性能特點比較 茂 麥弗遜懸架，不等長雙橫臂懸架p 多連桿懸架p 特性入 側(cè)傾中心離鏖。比較高，比較低一比較低p 車輪外傾角和主銷 車輪跳動時，車輪 變化小一 內(nèi)傾角均膏變化， 設計魚由賽大，各類 定位參數(shù)的變化礦參數(shù)較容易控裁。一 在可接受范圍。p 變化綴小，輪駱窘 輪距， 交化4 , o變化小一 損速受漫；一 較大，可不裝較小，需裝橫向穩(wěn) 懸架側(cè)顛角岡度一較小一 橫向穩(wěn)定器， 定器。一 橫向剛剪大一大p， 一 占用的空閹尺寸p 占用空閏，、一 占再空懲大一占用空聞較大。 現(xiàn)代汽車在追求高的操控性能的同時，對舒適性也提出了更高的要求。因 此在中高檔汽車上，廣泛采用以雙橫臂懸架作為前懸架而多連桿懸架作為后懸 架的形式。在電動輪汽車上由于車身設計自由度的增加，對懸架占用空間尺寸 大小要求沒有像傳統(tǒng)汽車那樣高，本文將嘗試用電動輪與雙橫臂懸架進行前懸 架耦合，而用電動輪與多連桿懸架進行后懸架耦合。 1 4 武漢理工大學碩士學位論文 2 2 電動輪一獨立懸架三維模型 2 2 1 電動輪汽車主要參數(shù) 整車原始性能參數(shù)要求：整車滿載質(zhì)量：1 5 0 0 k g 最高車速：1 2 0 k m h 最大爬坡度：3 0 。 四輪驅(qū)動電動輪汽車的其他設計參數(shù)如下表2 3 示： 表2 3 電動輪汽車設計參數(shù) 長宰寬木高 4 2 0 0 幸2 1 0 0 幸1 6 0 0載客5 人 軸距 3 0 0 0 r a m最小轉(zhuǎn)彎半徑 - - c ( 6 5 ) 5 5 武漢理工大學碩士學位論文 6 2 2 2 論域、量化因子、比例因子的確定 模糊控制中，輸入變量實際變化范圍定義為輸入變量的論域。設車身垂向 加速度與設定值之間的誤差基本論域為卜e ，明，誤差變化的論域為卜e c ，e c 】。 根據(jù)前面所建立的磁流變模型，磁流變減振器輸出阻尼力隨激勵電流的增大而 正向變化。因此輸出變量選用磁流變減振器激勵電流，其論域為【一，】。在 模糊化的過程中，須將輸入變量從實際論域轉(zhuǎn)化成對應的模糊集論域，這個論 域轉(zhuǎn)換過程通過量化因子來實現(xiàn)的。設車身垂向加速度與設定值之間的模糊子 集論域為【一n ，- r l + 1 ，0 ，挖一l ，刀】，其誤差變化值的模糊子集論域為 卜m ，一m + 1 ，o ，m l ，m 】，輸出變量控制激勵電流的模糊子集論域為 o ，o + 1 ，0 ，z 一1 ，】。這里的以，m ，分別為誤差，誤差變化以及輸出控制力 離散化后分成的檔數(shù)。一般刀，m ，珀勺取值為6 或7 。 在實際控制系統(tǒng)中，變量的取值范圍不是整個模糊子集論域范圍中的元素。 也就是說，在求取量化因子和比例因子時，要對模糊子集中的變量進行處理， 求取式實際用到的是實際變量變化范圍的最大值。誤差量化因子，誤差變化量 化因子可有由下式( 6 6 ) 得到： k = 老，k = 乏缸6 ， 有以上可知，當量化等級檔數(shù)n 確定以后，量化因子后。的取值可以隨著基 本論域的變化而變化。當縮小時，基本論域卜e ，明放大，砧增大時，基本論 域縮小，也就是說通過量化因子的大小來調(diào)節(jié)模糊控制中的控制精度。同理對 于量化因子七職也是一樣。 而對于輸出變量來說，定義方法類似，只是這里稱為比例因子，可以表示 為： k ，= 篁 。 z ( 6 6 ) 量化因子，k 和比例因子毛的取值大小影響著模糊控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn) 定性。k 選的較大時，上升速率變大，隨之系統(tǒng)控制超調(diào)量增加。量化因子 選的較小時，系統(tǒng)的響應速度會變慢。的取值較小時，可以減小超調(diào)量，同 時要犧牲部分響應時間。比例因子七，的取值影響著整個模糊系統(tǒng)的增益，一般 情況下，取小值會增大系統(tǒng)反應速度，取大值系統(tǒng)上升速度變快，過大時則容 武漢理工大學碩士學位論文 易使系統(tǒng)振蕩。 根據(jù)前面對所建電動車汽車半主動懸架模型的在隨機路面激勵下的仿真結(jié) 果，可以得到車身垂向振動加速度變化范圍為【0 5 ，0 5 1 ，此即為誤差值的基本論 域。同樣的對加速度曲線進行求導處理可以得到車身垂向加速度誤差的基本論 域為【5 ，5 】。而選擇輸出控制激勵電流的基本論域為【- 1 6 5 ，1 6 5 】。為了盡量覆蓋 整個模糊集，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象，取誤差和誤差變化的模糊集論域都為【6 ，6 】。 激勵電流的模糊集論域取 0 ，7 】。所以得到量化因子值：= 1 2 ，七盯= 1 2 。比例 因子值島= 0 2 7 5 。 6 2 2 3 半主動懸架模糊控制規(guī)則的設計 模糊控制規(guī)則作為模糊控制的核心，反應了輸出變量隨輸出變量的變化關 系。控制規(guī)則設計來源主要是專家經(jīng)驗和經(jīng)過仿真調(diào)試后的修改。雙維模糊控 制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則已經(jīng)較為廣泛的運用，將其修改調(diào)試后作為半主動懸架 模糊控制規(guī)則。 當車身垂向振動加速度為負大時，若此時加速度的變化即誤差變化同樣為 負大，則車身垂向振動加速度有加大的趨勢。此時需要對半主動懸架進行最大 的阻尼力。根據(jù)前章中的描述，當減振器活塞速度一定時，磁流變減振器輸出 控制阻尼力隨外加激勵