電動汽車電動輪滾動振動試驗臺研究

王 戡，張儀棟，徐建勛

（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

電動汽車電動輪滾動振動試驗臺研究

王 戡，張儀棟，徐建勛

（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

介紹國內(nèi)外電動汽車電動輪試驗設(shè)備；針對電動輪的實際工況和研發(fā)需求，設(shè)計基于電動輪滾動振動一體化測試的試驗臺，提出將振動與滾動耦合加載的試驗方法，為電動輪的試驗研究提供參考。

電動汽車；電動輪；輪轂電機(jī)；滾動振動試驗臺

隨著電動汽車的興起，輪轂電機(jī)驅(qū)動模式以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)[1]。電動輪將輪轂電機(jī)和車輪集成為一體，可以實現(xiàn)電動汽車車輪的獨(dú)立驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動鏈短、效率高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精確快速等特點(diǎn)，通過集成ABS、TCS、ESC等系統(tǒng)，實現(xiàn)精確而復(fù)雜的動力學(xué)控制[2]。電動輪作為輪轂驅(qū)動電動汽車的核心動力部件，集成了驅(qū)動、制動和測速等多項功能[3]。在運(yùn)動過程中，電動輪受到的沖擊振動和扭矩都在不斷變化，這些變載荷會對電動輪的工作性能和壽命產(chǎn)生很大的影響[4]。電動輪滾動振動試驗通過模擬電動輪動態(tài)運(yùn)行工況，進(jìn)行滾動和振動耦合加載，是輪轂驅(qū)動電動汽車開發(fā)階段的重要環(huán)節(jié)，可檢驗電動輪整體以及相關(guān)零部件的可靠性，同時還可為整車匹配提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的試驗?zāi)康暮蛯ο?，電動輪試驗臺主要有輪胎耦合與軸耦合兩種類型。國內(nèi)一些高校相繼開發(fā)出輪胎耦合式試驗臺，能對包含輪轂電機(jī)在內(nèi)的電動輪總成進(jìn)行轉(zhuǎn)矩性能試驗、垂向加載及側(cè)向加載試驗等，但無法實現(xiàn)振動加載[5-8]。國外針對電動輪的試驗測試研究發(fā)展比較早，相對來說比較完善，如Protean公司針對電動輪輪轂電機(jī)開發(fā)的軸耦合試驗臺架，能對輪轂電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩性能試驗、振動試驗以及軸向負(fù)載試驗等[9]。

電動輪實際工況復(fù)雜，需要考慮多個不同載荷的耦合作用，才能在臺架試驗中盡可能地模擬真實的工況。本文對電動汽車電動輪滾動振動試驗臺進(jìn)行研究，介紹試驗臺的設(shè)計和功能，為輪轂驅(qū)動電動汽車研發(fā)提供參考。

1 滾動振動試驗臺

1.1 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動輪實際工作中受到的載荷主要有車身質(zhì)量對電動輪的垂向載荷、路面不平度激勵及行駛過程中受到的阻力，因此試驗臺主要由3個部分組成：垂向加載系統(tǒng)、路面激勵加載系統(tǒng)和滾動加載系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 滾動振動試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖

1）垂向加載系統(tǒng)。如圖2所示，針對車身質(zhì)量對電動輪的垂向載荷，試驗臺直接使用質(zhì)量塊來模擬車輛簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量，通過更換質(zhì)量塊來模擬不同車輛的垂向載荷?；奢d質(zhì)量與非簧載質(zhì)量中間連接有彈簧阻尼懸架系統(tǒng)，彈簧的剛度和阻尼可調(diào)，以便模擬各種不同類型的懸架系統(tǒng)。非簧載質(zhì)量下面設(shè)有安裝電動輪的底座。

圖2 垂向加載系統(tǒng)

2）路面激勵加載系統(tǒng)。如圖3所示，針對路面不平度引起的電動輪垂向沖擊，試驗臺使用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動偏心輪曲柄連桿機(jī)構(gòu)來模擬輪面的不平度激勵。路面激勵加載系統(tǒng)包括振動平臺、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器以及垂向激勵電機(jī)。根據(jù)所需的路面激勵要求，曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為連桿的上下振動，推動平臺的振動，帶動安裝在平臺上的滾筒上下振動，由此對電動輪進(jìn)行路面激勵加載。

圖3 路面激勵加載系統(tǒng)

3）滾動加載系統(tǒng)。如圖4所示，滾動加載系統(tǒng)包括滾筒、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器以及電力測功機(jī)等，電動輪輪胎與滾筒接觸，簧載及非簧載質(zhì)量通過自身的重力使電動輪與滾筒有一定的接觸壓力，使其緊密接觸。滾筒外端通過撓性聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器與電力測功機(jī)相連。

1.2 試驗臺控制系統(tǒng)

由于電動輪的垂向加載為質(zhì)量塊重力加載，垂向加載系統(tǒng)不需要進(jìn)行控制。試驗臺的控制系統(tǒng)主要分為路面激勵加載控制和滾動加載控制。

圖4 滾動加載系統(tǒng)

1）路面激勵加載控制系統(tǒng)。圖5為路面加載系統(tǒng)控制框圖，路面加載系統(tǒng)由垂向激勵電機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，經(jīng)過曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為振動平臺的上下振動。振動平臺的振幅由曲柄的偏心值得到，振動頻率由路面加載電機(jī)控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器測得的角頻率即為平臺的振動頻率，測得的扭矩用來監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀況。

圖5 路面加載控制系統(tǒng)框圖

2）滾動加載控制系統(tǒng)。如圖6所示，滾動加載控制系統(tǒng)由電力測功機(jī)模擬電動輪行駛時受到的阻力，加載電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)遞路徑為：變頻器控制電力測功機(jī)→轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器→聯(lián)軸器→滾筒→電動輪。加載電機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制模式，以模擬不同的行駛阻力。

圖6 滾動加載控制系統(tǒng)框圖

2 滾動振動試驗臺測試項目

所設(shè)計的電動輪滾動振動試驗臺如圖7所示，該試驗臺能完成滾動加載試驗、振動加載試驗和滾動振動耦合加載試驗。

圖7 電動輪滾動振動試驗臺

2.1 滾動加載試驗

1）電動輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩性能試驗。電動輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性決定了電動汽車的動力性，試驗臺能夠進(jìn)行包括電動輪的最高轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、最大扭矩、額定扭矩、持續(xù)功率以及最大功率等性能參數(shù)的測試。

2）電動輪驅(qū)動防滑控制試驗。通過控制輪轂電機(jī)驅(qū)動扭矩來防止電動輪滑轉(zhuǎn)，進(jìn)行電動汽車驅(qū)動與防滑的試驗，研究電動汽車的驅(qū)動防滑性能。此時垂向加載系統(tǒng)模擬車重，電力測功機(jī)模擬汽車慣量。進(jìn)行驅(qū)動防滑控制試驗時，輪轂電機(jī)帶動電動輪啟動，通過測試輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速與滾筒轉(zhuǎn)速，并換算成二者接觸點(diǎn)各自的線速度，來檢驗是否打滑，當(dāng)電動輪線速度高于滾筒線速度時，發(fā)生打滑現(xiàn)象，通過減少輪轂電機(jī)的扭矩輸出來進(jìn)行驅(qū)動防滑控制。

3）電動輪汽車制動性能試驗。制動性能試驗包括機(jī)械制動、電饋能制動以及機(jī)電復(fù)合制動，通過研究控制機(jī)械制動力與電制動力的分配，并利用電機(jī)的快速響應(yīng)特性對電動輪進(jìn)行精確的制動防抱死控制試驗。

2.2 振動加載試驗

試驗臺的路面激勵加載系統(tǒng)為偏心輪曲柄連桿機(jī)構(gòu)，模擬路面的激勵頻率由加載電機(jī)調(diào)節(jié)。當(dāng)滾動加載系統(tǒng)鎖死，可以根據(jù)GB/T18488.2-2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)試驗方法》[10]的要求對電動輪進(jìn)行振動試驗。由于垂向加載系統(tǒng)模擬了車身的簧上、簧下質(zhì)量，通過測量簧上、簧下質(zhì)量振動加速度和懸架動撓度等參數(shù)進(jìn)行電動輪汽車垂向動力學(xué)性能分析，有助于評估輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車由于簧下質(zhì)量增大對平順性的影響。

2.3 滾動振動耦合加載試驗

電動輪包含了輪轂電機(jī)、輪轂軸承以及連接部件等，在運(yùn)行中受到包括扭矩及垂向振動在內(nèi)的各種變載荷，工作狀況惡劣，因此對電動輪進(jìn)行耐久試驗是必要的。為了模擬更加真實的電動輪運(yùn)行環(huán)境，參考GB/T 29307-2012《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗方法》[11]中轉(zhuǎn)矩負(fù)荷循環(huán)工況，試驗臺同時進(jìn)行滾動和振動加載，可以評估滾動振動耦合加載條件下電動輪的可靠性。振動加載時，由于電動輪輪胎載荷的不斷變化，電動輪與滾筒的接觸壓力不斷變化，此時測量電動輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性，可檢驗路面激勵對于電動輪行駛性能的影響。

3 結(jié)束語

電動輪是輪轂驅(qū)動電動汽車的核心零部件，其動力學(xué)特性及耐久特性是決定電動汽車性能的主要因素。以往的試驗方法及設(shè)備主要是基于傳統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的測試，不能反映電動輪的實際運(yùn)行工況。電動輪滾動振動的試驗臺在傳統(tǒng)試驗臺基礎(chǔ)上考慮了路面的不平度激勵，更加真實地反映了電動輪的實際運(yùn)行工況。后期，在滾動振動試驗臺的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步細(xì)化試驗項目和測試方法，為電動汽車電動輪研究提供更加完備的試驗平臺。

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[11]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗方法：GB/T 29307-2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：12.

Research on Test Bench of Roll and Vibration for Electric Wheel of Electric Vehicle

WangKan,ZhangYidong,Xu Jianxun
（ChongqingVehicleTestamp;Research Institute,NationalCoach QualitySupervision and TestCenter，Chongqing40112,China）

This paper introduces the test equipment about electric wheel of electric vehicle at home and abroad.Aiming at the actual working conditions and Ramp;D requirement of electric wheel,it designs an integrated test bench based on combination test of roll and vibration,and proposes a test method coupled loading with roll and vibration.This can provide reference for the test research ofelectric wheel.

electric vehicle;electric wheel;wheel hub motor;roll and vibration test bench

U469.72；U464.142+.1

A

1006-3331（2017）06-0055-03

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2014QK262）；重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研計劃項目（CQZJKY2014013）。

王 戡（1987-），男，碩士；工程師；主要從事智能網(wǎng)聯(lián)汽車及主動安全測試研究工作。

修改稿日期：2017-10-30