（上海工程技術大學，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，包括側向力、縱向力以及垂直載荷[2]。當輪胎與路面間的側向力達到附著極限會引起輪胎的側滑，當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，其主要有以下結構特點：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)動電動汽車的結構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)。且該結構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置。Carsim主要是針對汽車的動力學系統(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，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，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偏阻力分量[7]。該輪胎模型是采用魔術公式建立的，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、減震器和輪跳的關系等參數(shù)設置。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)標準的雙移線實驗工況進行仿真實驗，設定速度為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向加速度影響不大。

圖10 質(zhì)心側偏角對比曲線

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。當輪轂電機驅(qū)動電動汽車在高速行駛時，有可能導致汽車翻車。

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)心側偏角、側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)心側偏角、側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 側向加速度與附著系數(shù)曲線

圖16 質(zhì)心側偏角與附著系數(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、側向加速度和質(zhì)心側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。

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特性。