電動輪-懸架系統(tǒng)臺架振動特性試驗分析

左曙光，段向雷，吳旭東

(1.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

快速增長的汽車保有量導(dǎo)致能源緊缺、環(huán)境污染與交通安全的三大嚴(yán)重問題，發(fā)展電動汽車是改善上述問題的有效途徑[1]，而分布式驅(qū)動電動汽車則是電動汽車技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其主要結(jié)構(gòu)特征是將驅(qū)動電機(jī)分別直接安裝在各驅(qū)動輪內(nèi)或驅(qū)動輪附近，與傳統(tǒng)汽車和集中式驅(qū)動電動汽車相比，在結(jié)構(gòu)、安全、節(jié)能和環(huán)保上都有較大的優(yōu)勢，代表著未來電動汽車發(fā)展的重要方向。

由于驅(qū)動電機(jī)與車輪直接相連，由此帶來了與傳統(tǒng)汽車不同的NVH問題。分布式驅(qū)動電動車的驅(qū)動電機(jī)集成在各驅(qū)動輪內(nèi)，驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩具有明顯的階次特性[2-3]，且激勵頻率要明顯高于路面激勵頻率，電動輪驅(qū)動電機(jī)振動還會引起車身板件振動并輻射車內(nèi)噪聲[4]，同時輪轂電機(jī)與輪胎作為一整體，電機(jī)振動會引起輪胎接地部分振動，影響輪胎接地附著性能，因此有必要分析輪轂電機(jī)電動輪-懸架系統(tǒng)的振動特性。

針對電動輪-懸架系統(tǒng)振動特性，目前的研究尚不充分，現(xiàn)有的分析多考慮輪轂電機(jī)質(zhì)量增大對車輛平順性的影響。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用剛性環(huán)輪胎模型建立了輪轂電機(jī)-輪胎總成模型，指出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動會引起輪胎縱向接地力的振蕩，但是沒有分析清楚所建輪胎總成模型的固有特性以及從機(jī)理上解釋電機(jī)轉(zhuǎn)矩對輪胎的作用規(guī)律。Go[6]考慮地面沖擊對電機(jī)疲勞壽命和工作性能的影響，將輪轂電機(jī)懸置轉(zhuǎn)化為吸振器質(zhì)量元件。Jin等[7]驗證了在輪轂電機(jī)與車輪之間增加彈簧和阻尼器可以提高電動汽車舒適性。文獻(xiàn)[8]建立1/4車輛—動力吸振器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以降低車輪動載荷為目標(biāo)對吸振器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。上述研究考慮了輪轂電機(jī)與輪胎之間的耦合動力學(xué)關(guān)系，但是分析對象是路面激勵下考慮增加電機(jī)質(zhì)量對垂向振動的影響，分析頻率較低，采用的輪胎模型也較為簡單，均不能反映輪轂電機(jī)高頻轉(zhuǎn)矩激勵下的電動輪振動特性。同濟(jì)大學(xué)研究小組對分布式驅(qū)動車用永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動和徑向力波產(chǎn)生機(jī)理和電機(jī)振動進(jìn)行了分析[9-11]，指出了電磁轉(zhuǎn)矩波動是引起永磁同步電機(jī)振動的主要原因，且分析了轉(zhuǎn)矩波動的頻率成分。并基于電機(jī)振動模型建立電動輪-懸架系統(tǒng)高頻動力學(xué)模型分析系統(tǒng)振動響應(yīng)[12]，但所建立的電動輪-懸架系統(tǒng)高頻動力學(xué)理論模型仍缺少相應(yīng)的試驗驗證。

基于此本文針對具體的輪轂電機(jī)電動輪-懸架進(jìn)行了振動特性測試試驗，在電動輪-懸架系統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓試驗臺上安裝了某分布式驅(qū)動電動車用電動輪及懸架系統(tǒng)，實測分析電動輪-懸架系統(tǒng)在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸入下的系統(tǒng)振動特性，并針對可能的影響因素設(shè)計試驗分析表，分析各因素對電動輪-懸架系統(tǒng)振動的影響規(guī)律。

1 試驗方案

試驗對象為安裝在電動輪試驗臺上的電動輪-懸架系統(tǒng)，電動輪帶動轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動，模擬實車運行工況，試驗布置如圖1所示。電動輪試驗臺與懸架連接硬點位置三向可調(diào)，可與不同類型懸架連接，并實現(xiàn)同一種懸架不同硬點位置、車輪定位參數(shù)調(diào)節(jié)等功能[13-14]。電動輪輪轂電機(jī)由電機(jī)控制器經(jīng)Can控制盒連接至計算機(jī)控制軟件，可以調(diào)節(jié)電動輪驅(qū)動電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。電機(jī)控制器由直流穩(wěn)壓電源供電。本次試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用LMS Test.Lab軟件，測量電動輪轉(zhuǎn)動過程中的加速度響應(yīng)。

圖1 電動輪-懸架-臺架試驗臺現(xiàn)場布置

1.1 試驗工況

臺架試驗應(yīng)能夠模擬實車運行工況，電動輪在實車狀態(tài)下的可變因素主要有載荷、胎壓、轉(zhuǎn)速以及驅(qū)動負(fù)載以及車輪定位參數(shù)內(nèi)傾角和前束角，各參數(shù)變化范圍依據(jù)實際情況選擇三水平。主銷內(nèi)傾角和前束角在初始位置附近取值，分別通過調(diào)節(jié)上擺臂位置和轉(zhuǎn)向橫拉桿位置實現(xiàn)。

表1 試驗工況表

電動車在一般運行工況如頻繁加速、制動過程中，車速和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變化較大，而胎壓、載荷以及車輪定位參數(shù)等使用參數(shù)則基本不變，因此不必對所有因素組合進(jìn)行分析。本次試驗對車速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等因素采用全面試驗分析，其他因素進(jìn)行一定工況下的單因素分析，試驗設(shè)計表如表1所示，可進(jìn)行車速與驅(qū)動負(fù)載的2因素3水平全面試驗(No.2-No.10)以及載荷(No.11、No.3、No.12)、胎壓(No.13、No.3、No.14)、主銷內(nèi)傾角(No.15、No.3、No.16)、前束角(No.17、No.3、No.18)的單因素分析。另外進(jìn)行一組電動輪倒拖工況(No.1)，用于對比電動輪驅(qū)動工況下振動信號。倒拖工況指轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動電動輪轉(zhuǎn)動，電動輪從動；驅(qū)動工況指電動輪輪轂電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)鼓從動。

1.2 測點位置

圖2 試驗測點布置圖

測點布置如圖2所示，在車輪輪心、轉(zhuǎn)向節(jié)與上下擺臂連接球鉸處、襯套連接前后位置處、減振器上下連接點等位置共布置15個單向加速度傳感器，分別測量垂向、縱向兩個方向信號。電動輪轉(zhuǎn)動時輪心振動經(jīng)過與臺架連接的5個襯套傳遞至臺架。振動信號由輪心至臺架測點的傳遞路徑如式(1)所示，其中i表示x，z兩個方向，a表示各測點振動加速度，H表示各路徑總傳遞函數(shù)，H表示每個連接單元的傳遞特性。

(1)

2 輪轂電機(jī)驅(qū)動工況下系統(tǒng)響應(yīng)特征

按照上述方法進(jìn)行電動輪-懸架系統(tǒng)實際運行工況的振動信號測量，工況2的時域信號如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)臺架上測點振動響應(yīng)波動范圍明顯減小，說明在輪心-懸架擺臂-臺架傳遞路徑中，由于襯套、減振器等作用縱向振動加速度響應(yīng)幅值逐漸減小。

圖3 電動輪-懸架系統(tǒng)振動時間歷程

值得注意的是圖3中所示的電動輪-懸架系統(tǒng)振動加速度幅值較小，由于不同的驅(qū)動電機(jī)受電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工精度、控制器等多方面影響其輸出轉(zhuǎn)矩幅值差異較大，而頻率特征則基本一致，因此單獨研究幅值大小并不能說明問題。由此本文的工作主要研究電動輪-懸架系統(tǒng)各部分在真實激勵下系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的頻率特征，以及在現(xiàn)有幅值激勵下，懸架定位參數(shù)、車輛使用參數(shù)的變化對輸出響應(yīng)的影響規(guī)律。

100 r/min時電動輪倒拖與電動輪驅(qū)動工況的輪心加速度響應(yīng)自譜密度分布如圖4所示，因其他頻率段頻率峰值較小，本文截取60-380 Hz頻率段進(jìn)行說明。

圖4 輪心點自功率譜各工況對比

圖4中輪心振動出現(xiàn)明顯的階次振動特性，其峰值頻率主要有90.49、100.5、110.5、121、131、141、151、241.5(Hz)等，而這些峰值頻率在倒拖工況中均未出現(xiàn)或幅值遠(yuǎn)小于驅(qū)動工況，因此可以認(rèn)為是由電動輪驅(qū)動電機(jī)振動引起電動輪高頻振動。試驗用電動輪永磁同步驅(qū)動電機(jī)的電流基頻計算公式為：f=pn/60，極對數(shù)p=12。轉(zhuǎn)速100 r/min時電流主頻率為f=20 Hz，轉(zhuǎn)矩波動頻率主要為電流基頻6k(k=1,2…)倍[2,9]，即圖4中幅值最大的峰值頻率121、241 Hz。其他頻率峰值分布在轉(zhuǎn)矩波動頻率附近，且以10 Hz等間隔分布。

對臺架上支點振動響應(yīng)的自功率譜分析表明，臺架上支點也出現(xiàn)了相應(yīng)頻率的階次振動，如圖5所示，圖中比較明顯的頻率峰值有110、121.5、130.5、141、211.5、241.5(Hz)。根據(jù)臺架上支點和輪心點的相干分析(圖6)，這些頻率處的相干系數(shù)均在0.8以上，表明臺架支點的上述頻率均由輪心處振動引起，電動輪驅(qū)動電機(jī)工作時引起的電動輪縱向、垂向振動會傳遞至臺架，引起相應(yīng)頻率的臺架振動。

圖5 臺架上支點自功率譜各工況對比

圖6 臺架上支點與輪心點相干系數(shù)

3 輪轂電機(jī)驅(qū)動工況系統(tǒng)響應(yīng)影響因素分析

(1) 轉(zhuǎn)速、驅(qū)動負(fù)載轉(zhuǎn)矩影響

圖7-圖8為試驗測得的輪心點縱向、垂向加速度自功率譜隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化的曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速對輪心振動頻率成分影響較大，由于不同轉(zhuǎn)速下電流基頻不同，導(dǎo)致輪心振動的峰值頻率變化。圖8中系統(tǒng)振動能量主要集中在電流基頻6倍頻附近，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，電流基頻6倍頻處的垂向振動能量越大，說明電動輪驅(qū)動電機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)載等高負(fù)荷運行時的轉(zhuǎn)矩波動能量較大。另外在轉(zhuǎn)速200 r/min、300 r/min時均出現(xiàn)了242、275.5 Hz處較大的振動能量分布，這兩階頻率應(yīng)是電動輪-懸架系統(tǒng)的固有頻率。

圖7 輪心縱向加速度自功率譜密度分布

圖8 輪心垂向加速度自功率譜密度分布

為了直觀分析各頻率峰值規(guī)律，將圖7、圖8中較為明顯的峰值頻率整理到表2中所示，并列出峰值頻率與電流基頻的比值(已歸整)，不同轉(zhuǎn)速下均出現(xiàn)的倍頻成分用灰色底紋表示，其他諧頻成分用斜體加下劃線表示。表2中灰色底紋部分表明了電動輪輪轂電機(jī)振動的主要頻率成分，即主要存在電流基頻6、12倍頻及4.5、5、5.5、6.5、7、7.5倍等處，即6±i/2(i=1,2,3)倍處，且間隔均為電流基頻一半；斜體部分頻率則說明了電動輪-懸架系統(tǒng)的固有頻率。

下面對上述頻率成分原因進(jìn)行說明。本小組已對永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩階次成分進(jìn)行過理論分析和試驗測試[9-11]，表明轉(zhuǎn)矩波動頻率主要有非正弦分布永磁磁場、開槽引起的6i階諧波轉(zhuǎn)矩。當(dāng)考慮變頻器產(chǎn)生的h次電流諧波時，轉(zhuǎn)矩波動頻率成分見式(2)。主要包含h次時間諧波電流引起的h-1、2(h-1)階以及h次時間諧波電流、非正弦永磁磁場分布、開槽將共同引起6i+h-1、6i-h+1階。

(2)

因此試驗中發(fā)現(xiàn)的電流基頻6倍、12倍由非正弦分布永磁磁場、開槽引起；電流基頻5倍、7倍由變頻器諧波電流與非正弦磁場分布和開槽共同引起。除此之外，試驗還發(fā)現(xiàn)有電流基頻4.5、5.5、6.5、7.5倍等半數(shù)階頻率，對控制電流的頻譜分析(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，100 r/min時控制電流頻率成分除了電流基頻20.15 Hz以外，還有10.07 Hz的1/2倍電流基頻，同時本小組在驅(qū)動電機(jī)噪聲測試時發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電機(jī)控制電流頻率中包含與噪聲頻率一致的電流基頻的奇數(shù)倍、半數(shù)倍[15]，由此可以推測本試驗中出現(xiàn)的上述半數(shù)階頻率也是由諧波電流引起。

表2 輪心加速度各階峰值頻率表

圖9 100 r/min控制電流頻譜圖

下面分析轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩對輪心、臺架上支點的振動能量影響規(guī)律。由于其他頻率段能量極小，以80-400 Hz頻率段的功率譜均方根值表示系統(tǒng)振動能量，并分析各因素影響。

圖10-圖11中可以發(fā)現(xiàn)，首先臺架上支點振動幅值均小于輪心點振動，說明車輪振動傳遞至臺架后被有效抑制；其次縱向振動能量均大于垂向振動，說明驅(qū)動電機(jī)激勵時引起的縱向振動要大于垂向振動。另外轉(zhuǎn)速對縱向、垂向振動影響規(guī)律不同，200 r/min時驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩激勵頻率與系統(tǒng)固有頻率一致，縱向振動最大；垂向振動隨轉(zhuǎn)速增大而加劇；負(fù)載轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)振動能量規(guī)律較為一致，特別是在共振頻率處，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，系統(tǒng)振動能量越大。

(2) 其他因素影響

由于載荷、胎壓等因素對電流基頻沒有影響，所以也不會改變系統(tǒng)頻率成分。圖12所示為轉(zhuǎn)速200 r/min，載荷變化時輪心點縱向加速度譜密度分布，可以發(fā)現(xiàn)載荷變化并不改變輪心點頻率成分，而只會對各頻率下的振動能量有所影響，且不同頻率下的影響規(guī)律并不一致。下面分析系統(tǒng)振動加速度能量隨載荷、胎壓、前束角及內(nèi)傾角變化規(guī)律，如圖13-圖14所示。水平1、2、3代表各因素逐漸增大的三個水平。

圖12 輪心點縱向加速度自譜密度

可以看出，在電動輪驅(qū)動工況下，載荷、胎壓以及車輪定位參數(shù)等因素對系統(tǒng)振動能量有一定影響。載荷、胎壓以及定位參數(shù)等因素對車輪、臺架縱向振動有相反的影響趨勢，而對垂向振動影響趨勢一致。中等載荷、胎壓、主銷內(nèi)傾角(圖中水平2)時，電動輪縱向振動較大，而臺架上支點縱向、垂向振動均較小，說明適中的載荷、胎壓、主銷內(nèi)傾角會減小臺架(車身)振動。另外，較小的前束角更有利于減小臺架(車身)振動。

總體來說，載荷、胎壓以及車輪定位參數(shù)變化對系統(tǒng)振動響應(yīng)的影響較小。由于載荷等因素變化時，電動輪驅(qū)動電機(jī)仍會達(dá)到參數(shù)變化前相同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)工作狀態(tài)并未發(fā)生改變。由此可以得出結(jié)論，對電動輪驅(qū)動電機(jī)振動諧頻成分以及幅值的影響較大的主要因素只有轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，另外，選擇適當(dāng)?shù)妮d荷、胎壓以及車輪定位參數(shù)，可以減小電動輪驅(qū)動時車身振動響應(yīng)。

本文在電動輪實際運行條件下，從1/4懸架的角度說明了電動輪驅(qū)動電機(jī)激勵到懸架、襯套、臺架連接點等傳遞路徑的傳遞過程，并分析了懸架定位參數(shù)、車輛使用參數(shù)對傳遞特性的影響。以期為電動輪-懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用條件以及電動輪驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計提供試驗指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，本文所建立的試驗平臺也能夠為后期系統(tǒng)優(yōu)化提供試驗驗證基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了電動輪-懸架系統(tǒng)臺架振動試驗，測得了電動輪-懸架系統(tǒng)在不同工況下的振動信號，分析了輪心以及臺架點的振動頻率成分，并進(jìn)行了影響因素分析。主要有以下幾點結(jié)論：

(1) 電動輪驅(qū)動時，電動輪-懸架-臺架系統(tǒng)縱向、垂向振動出現(xiàn)比較明顯的階次振動，引起臺架相應(yīng)頻率振動，且臺架振動響應(yīng)明顯小于輪心點振動，同時系統(tǒng)縱向振動能量大于垂向振動，說明電動輪驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動引起的系統(tǒng)振動主要為縱向方向；

(2) 對不同轉(zhuǎn)速下輪心振動的頻率分析表明，電動輪驅(qū)動電機(jī)振動頻率主要為電流基頻6倍、12倍的電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動頻率和6±i/2(i=1,2,3)倍頻率，且間隔均為電流基頻一半。分析表明上述頻率成分與驅(qū)動電機(jī)非正弦分布永磁磁場、磁場開槽以及諧波電流有關(guān)；

(3) 驅(qū)動工況影響因素分析表明，轉(zhuǎn)速對頻率影響較大，由于不同轉(zhuǎn)速下電流基頻不同，導(dǎo)致振動峰值頻率變化；負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，電流基頻6倍頻處的垂向振動能量越大，說明電動輪驅(qū)動電機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)載等高負(fù)荷運行時高頻段轉(zhuǎn)矩波動能量較大；載荷、胎壓、主銷內(nèi)傾角、前束角變化不改變驅(qū)動電機(jī)電流基頻，不影響振動響應(yīng)的頻率成分，且對振動能量影響較小，適中的載荷、胎壓、主銷內(nèi)傾角以及較小前束角會減小臺架振動。影響電動輪驅(qū)動電機(jī)振動頻率成分以及幅值的主要因素是轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本文可為電動輪-懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用條件以及電動輪驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計提供試驗指導(dǎo)。

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