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    分布式電動汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析

    2019-03-28 09:10:16
    制造業(yè)自動化 2019年3期
    關(guān)鍵詞:偏角輪轂側(cè)向

    (上海工程技術(shù)大學(xué),上海 201620)

    0 引言

    汽車的操縱穩(wěn)定性主要包括穩(wěn)定性和操縱性,兩者互相影響。另外穩(wěn)定性主要是由橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性組成的[1]。汽車的操縱穩(wěn)定主要是由地面和輪胎間的力決定,包括側(cè)向力、縱向力以及垂直載荷[2]。當(dāng)輪胎與路面間的側(cè)向力達到附著極限會引起輪胎的側(cè)滑,當(dāng)輪胎與路面間的縱向力達到附著系數(shù)時將引起輪胎打滑現(xiàn)象。采用輪轂電機驅(qū)動式電動汽車,其主要有以下結(jié)構(gòu)特點:1)簧下質(zhì)量增加,簧下質(zhì)量的增加將會間接的引起路面不平下車輪振動幅度加大,使得輪胎的接地性變差;2)轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)動慣量增加,使得方向盤的輸入響應(yīng)變差,回正性能變差;3)整車質(zhì)量的分布變化,使得影響前后懸架偏頻和振動特性、轉(zhuǎn)向特性變化和橫擺響應(yīng)變化;4)輪轂電機力矩波動及控制精度,使得方矩波動引起車輛振動和左右車輪力矩誤差引起附加橫擺運動。另外輪轂電機式驅(qū)動電動汽車的結(jié)構(gòu)使得主銷偏距增加從而使得電動汽車的穩(wěn)定性變差[3]。輪轂電機式電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比少了減震器、差速器和傳動軸等機械零件,直接通過控制輪轂電機控制電動汽車的行駛狀態(tài)。且該結(jié)構(gòu)使得電動汽車更加的微型化和輕量化[4]。本文利用carsim軟件,將傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機驅(qū)動修改為輪轂電機驅(qū)動模型。

    1 Carsim軟件簡介

    Carsim軟件通過對其系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,可以有效的模擬各種現(xiàn)實工況。仿真實驗所需的仿真工況可以根據(jù)作者的需要進行自定義設(shè)置。Carsim主要是針對汽車的動力學(xué)系統(tǒng)進行仿真分析,如汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性、制動性等。該軟件主要有仿真精度高、仿真高效快捷且具有較好的擴展性[5]。Carsim主界面如圖1所示。

    圖1 carsim控制界面示意圖

    2 輪轂電機式電動汽車模型建模

    2.1 輪轂電機模型

    電動汽車采用無刷直流電機,作為動力源。根據(jù)無刷直流電機建模理論方法,建立輪轂電機模型。輪轂電機的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)轉(zhuǎn)子機構(gòu),定子繞組為集中整距繞組,霍爾元件對稱布置且每個霍爾元件相隔120°。為了獲得理想電機模型。需要對電機做簡化:1)不計電樞反應(yīng),氣隙磁場分布為平頂寬度120°的梯形波;2)不計渦流損耗和磁滯損耗;3)忽略電機鐵芯飽和;4)驅(qū)動系統(tǒng)逆變電路的功率管和續(xù)流二級管均具有理想的開關(guān)特性[6]。輪轂電機電壓方程如下所示。

    公式中:M為相繞組互感;L為相繞組自感;eC-C相反電勢;eB-B相反電勢;eA-A相反電勢;iC-C相電流;iB-B相電流;iA-A相電流;uC-C相繞組電壓uB-B相繞組電壓;uA-A相繞組電壓;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;?為電機機械加速度;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;Bv為黏滯摩擦系數(shù)。

    圖2 電機模型圖

    圖中:T_obj為為目標(biāo)力矩;K_t為力矩驅(qū)動系數(shù);Rotation-speed-為車輪轉(zhuǎn)速;Torque-為輸出力矩。

    2.2 輪胎模型

    輪胎是電動汽車的重要部件。輪胎的主要作用有如下四點:

    支撐整車的重量;

    與懸架元件共同作用,衰減由路面不平引起的振動和沖擊;

    傳遞縱向力,以實現(xiàn)驅(qū)動和制動;

    傳遞側(cè)向力,以使車輛轉(zhuǎn)向并保證行駛穩(wěn)定性。

    車輪在路面行駛產(chǎn)生車輪滾動阻力,滾動輪胎產(chǎn)生的阻力主要有滾動阻力分量、道路阻力分量和輪胎側(cè)偏阻力分量[7]。該輪胎模型是采用魔術(shù)公式建立的,在輪胎參數(shù)修改界面上輸入有效的滾動半徑、自由半徑和輪胎的最大載荷等參數(shù)確定仿真輪胎[8]。

    圖3 輪胎參數(shù)修改界面

    2.3 懸架模型建立

    懸架系統(tǒng)模型主要包括懸架C特性和懸架K特性。懸架C特性主要對彈簧的阻尼、限位塊的剛度、減震器和輪跳的關(guān)系等參數(shù)設(shè)置。懸架K特性主要對非簧載質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、前輪外傾角、前輪前束角以及彈簧的剛度等參數(shù)設(shè)置[9,10]如圖3、圖4所示。

    圖4 懸架C特性顯示界面

    圖5 懸架K特性顯示界面

    2.4 整車模型建立

    Carsim是針對特性參數(shù)的車輛動力學(xué)仿真軟件。建立整車模型主要是對動力系統(tǒng),懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)系系統(tǒng)、輪胎、車體、制動系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)置。仿真車輛如圖6所示。通過Carsim與Simulink聯(lián)合仿真可以有效的提高仿真的速度[11,12]。如圖7所示為輪轂電機電動汽車整車模型。

    圖6 仿真車輛

    表1 整車部分參數(shù)表

    圖7 輪轂電機電動汽車整車模型

    3 仿真分析

    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的雙移線實驗工況進行仿真實驗,設(shè)定速度為80km/h,路面附著系數(shù)為0.45。將輪轂電機驅(qū)動電動汽車和傳統(tǒng)汽車進行對比分析。

    3.1 非簧載質(zhì)量對操縱穩(wěn)定性的影響

    圖8 橫擺角速度對比曲線

    由圖8可以看出輪轂電機驅(qū)動電動汽車的橫擺角速度的峰值有所減少,其兩條曲線橫擺角速度與時間的變化趨勢基本是一致的,從而可以看出非簧載質(zhì)量(即電機質(zhì)量)對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的操縱穩(wěn)定性,影響不大。

    圖9 側(cè)向加速度對比曲線

    由圖9可以看出傳統(tǒng)汽車和輪轂電機電動汽車的側(cè)向加速度曲線變化不是非常明顯,輪轂電機驅(qū)動電動汽車的側(cè)向加速度的峰值有一定的減少。主要是因為輪轂電機驅(qū)動電動汽車其非簧載質(zhì)量較大,從而增加垂直方向上垂向力,間接的增加了其靜摩擦力。綜上所述,輪轂電機驅(qū)動電動汽車對汽車的側(cè)向加速度影響不大。

    圖10 質(zhì)心側(cè)偏角對比曲線

    由圖10可以看出傳統(tǒng)汽車和輪轂電機驅(qū)動電動汽車的質(zhì)心側(cè)偏角變化趨勢大體不變。輪轂電機驅(qū)動電動汽車的質(zhì)心側(cè)偏角的峰值有所增加,這不利于輪轂電機驅(qū)動電動汽車操縱穩(wěn)定性,容易使汽車發(fā)生跑偏。當(dāng)輪轂電機驅(qū)動電動汽車在高速行駛時,有可能導(dǎo)致汽車翻車。

    3.2 行駛速度對操縱穩(wěn)定性的影響

    分別根據(jù)不同的行駛速度對輪轂電機驅(qū)動電動汽車進行仿真實驗。以下給出了80km/h、100km/h、120km/h的行駛速度對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度和橫擺角速度的影響。

    由圖11看出隨著速度的不斷增大,輪轂電機驅(qū)動電動汽車的橫擺加速度的峰值有所增大。從而可以看出行駛速度使得輪轂電機驅(qū)動電動汽車的橫擺角度增加。

    圖11 橫擺角速度與行駛速度曲線

    圖12 側(cè)向加速度與行駛速度曲線

    由圖12看出隨著速度的不斷增大,輪轂電機驅(qū)動電動汽車的側(cè)向加速度的有一定的增加,增加的變化范圍不是非常大,對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的操縱穩(wěn)定性影響不是很大。

    圖13 質(zhì)心側(cè)偏角與行駛速度曲線

    由圖13可以看出輪轂電機驅(qū)動電動汽車的行駛速度對其質(zhì)心側(cè)偏角影響不大。

    3.3 路面附著系數(shù)對操縱穩(wěn)定性的影響

    分別根據(jù)不同的路面附著系數(shù)對輪轂電機驅(qū)動電動汽車進行仿真實驗。以下給出了附著系數(shù)u=0.45、0.65、0.85三個附著系數(shù)對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度和橫擺角速度的影響。

    圖14 橫擺角速度與附著系數(shù)曲線

    圖15 側(cè)向加速度與附著系數(shù)曲線

    圖16 質(zhì)心側(cè)偏角與附著系數(shù)曲線

    由圖14~圖16可以看出路面附著系數(shù)越大,輪轂電機驅(qū)動電動汽車的橫擺角速度、側(cè)向加速度和質(zhì)心側(cè)偏角的峰值有所減少,但減少不大,所以對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的操縱穩(wěn)定性,影響不大。

    4 結(jié)論

    1)搭建的輪轂電機驅(qū)動電動汽車模型可以為以后的優(yōu)化控制算法提供理論基礎(chǔ)。

    2)輪轂電機驅(qū)動電動汽車的操縱穩(wěn)定性受路面附著系數(shù)、行駛速度和非簧載質(zhì)量等參數(shù)影響。其中非簧載質(zhì)量會破壞輪轂電機驅(qū)動電動汽車的操縱穩(wěn)定性。

    3)搭建的輪轂電機模型具有較好的響應(yīng)特性。

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