基于HyperWorks/MotionView轮毂电机驱动电动汽车的平顺性分析

吕老师

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作者：提艳  崔晓迪      
关键字：电动汽车  轮毂电机  平顺性分析  MotionView  

本文通过某乘用车的建模为例，介绍MotionView的建模要点以及必要的修改数据方法。应用表明该软件可以有效的应用于整车平顺性的分析，对汽车的优化设计提供依据及进行验证。

1 概述

随着汽车技术的不断发展，轮毂电机驱动技术是一种较为新颖的电动汽车的驱动方式，如图1所示。轮毂电机是将轮毂和驱动装置直接合并为一体的电机，将电机放进轮毂里，让电机能直接驱动车轮，让车辆行驶。轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技术，它最大的一个特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合进轮毂内，以此来将电动车辆的机械部分简化，如图2所示。轮毂电机技术已经不是一种新事物了，早在1900年，保时捷就制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车。上世纪70年代，轮毂电机技术在矿山运输车等领域得到应用。乘用车轮毂电机方面，日系厂商的技术研发开展相对较早，目前处于领先地位，包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。近几年国内也逐渐有自主品牌汽车厂商开始研发 轮毂电机技术。

 

图1 轮毂电机驱动

 

图2 搭载轮毂电机的车辆

作为新型能源汽车的一种，轮毂电机驱动车辆具有零尾气排放、传动结构简单高效、动力输出可控等诸多优点。但因轮毂电机的存在导致非簧载质量增加，导致电动车的舒适性差，操纵稳定性恶化。曾有学者建立1/4整车模型和7自由度整车模型对轮毂电机分布式驱动电动汽车的平顺性分析。为了更好，更接近车辆行驶的实际情况，本文基于HyperWorks/MotionView软件，建立整车模型分析车辆的行驶平顺性。

 

图3 轮毂电机驱动1/4悬架模型

 

图4 整车模型

2 整车模型的建立

轮毂电机分布式驱动电动汽车主要包括：麦弗逊前悬架系统、多连杆后悬架系统、齿轮齿条式转向系统等。

2.1 整车模型

在MotionView中使用model菜单下的assembly wizard建模向导建立所有的悬架系统的各个部件的模型，依据已有的悬架硬点数据修改软件的相应参数数值或者自己建立新的悬架模版嵌入到模型构建向导中以供选择使用，建立与实际车辆一致的模型，如图4所示。在MotionView中各相应面板中根据实际的数据输入前悬架系统螺旋弹簧、减振器等部件的力学特性参数，修改并完成了整个悬架模型的构建。

2.2 直线行驶工况建立

 

图5 添加转动副drive_joint_1和drive_joint_2

根据analysis菜单下的分析工况向导task wizard选择Straight line accel analysis工况，设置车辆前进速度为30km/h，纵向加速度为零；在Straight line accel analysis和Drive torque controller的Attachments分别添加转动副drive_joint_1和drive_joint_2为车辆添加驱动力，如图5所示。在Drive torque controller模块中的force添加驱动力，作用在左前、右前轮与转向节的转动副上，如图6、图7所示。

 

图6 添加驱动力

 

图7 作用力的设置

减速带是一种强制汽车减速的设施，起着保护车辆安全行驶和遏制交通事故的作用，在学校、收费站、停车厂、高速公路的分岔道、隧道入口等都设置有减速带。由于减速带是凹凸不平的，所以当车辆行驶在减速带上时，会产生大幅度的振动，影响车辆的行驶平顺性和安全性。路面激励为减速带，如图8所示。在全局坐标系的x=（-20100，-20000）之间有减速带激励，车辆经过时分别对车身、前后轮的纵向和垂向加速度进行分析。以上完成分析前期准备，然后采用MotionSolve求解。

 

图8 减速带激励

 3 平顺性分析

传统车辆的动力来自发动机，经变速器、传动轴、差速器、半轴传递到车轮；轮毂电机驱动车辆的动力来自轮毂电机，直接将动力传递到车轮。本文以某乘用车为例，分别对两种情况进行平顺性分析（红线：轮毂电机驱动电动汽车，蓝线：传统车辆）。改装时，车辆的变速器、传动轴、差速器、半轴等全部拆除，将原来的轮毂更换为轮毂电机，在轮毂处施加驱动力矩，由此整车模型完成，然后进行计算。

 

图9 导入计算结果

调用HyperGraph，选择后缀为.abf的结果文件导入，如图9所示。分别读取车身、车轮的垂向和纵向的加速度，分析车辆的平顺性。

 

图10 车身垂向加速度曲线

 

图11 车身纵向加速度曲线

由图10-11可知，轮毂电机驱动电动汽车车身垂向加速度的值高于原车的值，垂向平顺性差于原车，超出原车20%；纵向加速度值相对于原车有所减小了11.7%，可以有效的减小车身的俯仰。

 

图12 前轮轮心垂向加速度曲线

 

图13 前轮轮心纵向加速度曲线

 

图14 后轮轮心垂向加速度曲线

 

图15 后轮轮心纵向加速度曲线

 

       由图12-15可知，车轮轮心的垂向和纵向加速度都优于原车，数值均有所减小。前、后轮垂向的加速度分别减小10%、28%；纵向加速度分别减小40%、37%。但是，X，Z两个方向的衰减速率比原车的要慢。

 4 结论

本文针对轮毂电机直接驱动电动汽车的平顺性进行了分析，得到如下结论：

        （1）簧下质量增加，导致车身的垂向加速度明显增加，导致车身的舒适性降低；

        （2）簧下质量增加，车身纵向加速度有所减小，车身的俯仰有一定的减小；

        （3）车轮轮心的垂向和纵向加速度均有所下降，车轮的振动有所减缓。

综上所述，基于HyperWorks/MontionView可以有效的对汽车平顺性进行分析，为悬架的弹簧刚度、减震器阻尼系数等参数的设计提供依据；同时，可以根据车辆仿真工况的结果提取下控制臂、减振器立柱、横向稳定杆等零部件的受力，利用HyperMesh等对需要进行改造的零部件进行选取材料或结构优化设计等，减少车辆的开发周期。

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来源：汽车NVH云讲堂