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摘 要：本文采用频域分析方法，通过振动响应量的频率响应特性和统计特性表示。以B级路面和轮边电机作为双激励源，基于1/4汽车2自由度系统建立轮边电机驱动电动汽车的振动模型，仿真分析轮边驱动电机对电动汽车振动性能的影响。结果表明，相比非簧载质量的变化，车速的变化对电动汽车的振动影响较大。基于此提出了一种由轮内主动减振的电机充当吸振器的新型轮毂电机结构并进行了优化。

关键词：轮边电机 振动性能 非簧载质量 1/4汽车模型

Abstract：This paper adopts the frequency domain analysis method， which is expressed by the frequency response characteristics and statistical characteristics of vibration response quantities. Taking Class B road surface and wheel side motor as the dual excitation source， the vibration model of wheel side motor driving electric vehicle is established based on the 1/4 automobile 2 degree of freedom system， and the influence of wheel side drive motor on the vibration performance of electric vehicle is simulated and analyzed. The results show that compared with the change of unsprang mass， the change of vehicle speed has a greater impact on the vibration of electric vehicles. Based on this， a new in-wheel motor structure in which the motor with active vibration damping in the wheel acts as the shock absorber is proposed and optimized.

Key words：rim motor， vibration performance， unsprang mass， 1/4 car model

1 引言

轮边电机驱动电动汽车作为电动汽车的一种布置形式，由于驱动电机嵌入在车辆轮毂内，导致车辆非簧载质量的变化。驱动电机质量及车速产生的激励直接通过轮毂对车辆振动性能产生影响，

针对这一影响，国内外学者进行了大量研究。文献[1]指出，由于轮边电机的引入，导致了轮胎的动载荷和车身的振动加速度均方值都明显增大；文献[2]认为非簧载质量增加，使得车轮动载荷也相应增大，车辆的平顺性、友好性明显变差；文献[3]认为轮边电机嵌入在轮毂上，对整车的垂向振动产生负效应，并指出路况越差对车辆的平顺性影响越明显。

广大学者对如何优化轮边电机嵌入轮毂引起的平顺性不足问题也进行了研究。文献[3]基于车辆动力吸振器的数学模型，针对非簧载质量增大引起的垂向振动负效应问题进行了优化设计。但该文献没有说明非簧载质量的增大是如何影响整车的垂向振动性能。文献[2]以非簧载质量的垂向振动量为优化目标，对动力减振机构的弹簧刚度和阻尼参数进行优化，该方法并没有考虑车轮空间对轮边电机相对位移的限制。文献[4]通过在轮边电机与车轮之间增加弹簧和阻尼器来提高电动汽车平顺性设想，并对设定的减振系统参数进行仿真对比分析，由于该优化的参数选择仅局限于一组已知数据。其优化结果不具有代表性。

针对上述研究存在的不足，本文基于1/4汽车2自由度系统建立轮边电机驱动电动汽车的振动模型，提出一种新型的吸振器结构，采用改进遗传算法进行优化，为轮边电机驱动电动汽车平顺性的优化提供一定的参考借鉴。

2 轮边电机驱动电动汽车平顺性

2.1 振动模型

为研究轮边电机驱动电动车的平顺性，本文采用如图1所示的振动模型。

评价指标采用车身垂向加速度、悬架动挠度和车轮相对动载荷作为评价指标[4]，研究非对轮毂电机驱动电动汽车振动性能的影响。

基于该力学模型，1/4汽车两自由度振动模型的运动微分方程如下。

式中，m1为非簧载质量；m2为簧载质量；k为悬架刚度；kt为轮胎垂向刚度；c为悬架阻尼；q为路面不平度；z1、z2分别为车轮和车身的垂向位移。

2.2 振动性能及仿真分析

本文研究的基准车型的驱动电机质量为30kg，并以簧载质量在基准车型的基础上增减30kg作为研究对象车型，具体如表1所示的四组参数，分别代表了基准型（Conv-EV）、簧载质量减小型（IWD-1）、簧載质量不变型（IWD-2）、簧载质量增加型（IWD-3）四种。

本文以B级路面并选择城市工况的60km/h作为仿真车速，在Matlab软件环境下进行仿真[4]，结果如图2所示。

振动响应量的均方根值仿真结果如表2所示。

从图2可知，非簧载质量增加导致车身加速度、悬架动挠度以及轮胎相对动载的峰值频率向低频移动，且IWD-1、IWD-2、IWD-3的车身垂向加速度幅频特性峰值依次降低；悬架动挠度幅频特性峰值基本不变；轮胎相对动载幅频特性峰值与车身加速度幅频特性峰值相似。

由表2可知，轮边驱动电机对车身垂向加速度、悬架动挠度、轮胎相对动载荷产生影响，IWD-3与Conv-EV相比，车身垂向加速度反而降低，说明簧载质量的增加对垂向振动有直接影响；IWD-1型对车身垂向加速度、轮胎相对动载的影响程度较IWD-2、IWD-3更为明显。

3 新型轮边电机驱动电動车平顺性

3.1 动态吸振器型的轮毂电机振动模型

基于上述的分析，为改善非簧载质量增加、簧载质量减小型轮毂电机驱动电动车的整车平顺性，本文引入了一种电机充当吸振器的新型结构的轮毂电机结构系统，该系统由上弹簧、上阻尼、驱动电机、下弹簧、下阻尼构成，其结构以及振动模型如图3、图4所示。

图中，ma为电机质量；kau、kad为动态吸振器系统刚度；cau、cad为动态吸振器系统阻尼；z3为电机的垂向位移。

3.2 仿真分析与结果

根据图3建立的振动模型，对表3三种轮毂电机驱动电动汽车平顺性进行仿真，仿真结果如图4所示。

由表4的振动响应量均方根值仿真结果可得，采用新型动态吸振器的轮毂电机驱动电动车悬架动挠度均方根值较IWD-1型、Conv-EV型都下降了17.6%；轮胎相对动载荷较IWD-1型、Conv-EV型分别下降了33%和11%；车身垂向加速度均方根值较IWD-1型下降了7%，但与Conv-EV型相比仍高出5%，说明车身垂向振动效应并没有因为引入新型动态吸振结构而得到有效改善。

4 新型轮边电机驱动电动车平顺性优化

4.1 参数影响分析

为进一步对新型动态吸振型结构的参数进行优化，采用拉丁超立方的方法对设计参数进行DOE分析，具体如图5所示。

4.2 优化结果与分析

基于图5的结果分析，选择车身加速度、悬架动挠度和轮胎相对动载荷均方根值作为目标函数，以Conv-EV的相应均方根值作为约束函数的上限，在未考虑悬架偏频的条件下，采用改进遗传算法进行多目标优化，优化后的参数取值如表5所示。

基于表5的参数，在Matlab软件环境下进行仿真，均方根值如表6所示：

从表6得知，优化后的IWD车身垂向加速度、悬架动挠度、轮胎相对动载荷均方根值较Conv-EV分别下降了2%、16%、18%；较优化前都下降了7%；悬架动挠度虽有2.1%的增加，但其约束函数的上限是基于Conv-EV型的参数为基准。因此优化后的IWD整车平顺性显的更优。

5 结语

（1）提出了将电机作为动态吸振器的一种新型轮毂电机减振系统，用来解决轮毂电机增加了非簧载质量对整车平顺性造成的负效应问题。

（2）采用改进遗传算法进行多目标优化，优化后的轮毂电机驱动系统，能够有效的降低轮毂电机驱动电动车的车身垂向加速度、悬架动挠度及车轮相对动载荷。

注：国家自然科学基金国际（地区）合作与交流重点项目（61520106008）和中国汽车产业创新发展联合基金重点项目（U1564213）资助。

参考文献：

[1]Purdy JD. A brief investigation into the affection suspension motions of high unsprung mass[J].Journal of battlefield technology，2004，7（1）：15-20.

[2]LiQiang Jin，Yue Liu，Jian Hua Li. LQR Control Strategy for Enhancing Ride and Safety Performance of Electric Vehicle Driven by In-Wheel Motors[J].The Open Mechanical Engineering Journal，2015，9，293-301.

[3]夏存良，宁国宝．轮边驱动电动车大质量电动轮垂向振动负效应主动控制[J].中国工程机械学报，2006，4（1）：31-34，42.

[4]赵艳娥，张建武，韩旭．轮毂电机独立驱动电动汽车动力减振机构设计与研究[J]．机械科学与技术，2008，27（3）：395-398，404.