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同济大学汽车学院 硕士学位论文 电动轮加载方法研究 姓名：冯春晟 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：陈辛波 20080301 摘要 摘要 电动轮模块是轮毂电机驱动型电动汽车的关键部件，其性能和可靠性是决定 电动汽车性能的关键因素。通过电动轮台架试验来检验轮毂电机的性能和可靠 性，可以提高电动汽车的开发效率和开发质量，并降低开发成本。为此，试验台 的加载方法应能充分再现电动轮模块在实际运行工况下的载荷变化。 本文以电动轮模块为研究对象，以转速，扭矩、垂向载荷、侧向载荷为控制 目标，在分析比较各种加载方法和试验台架特点的基础上，提出了几种模拟车轮 垂向力和侧向力变化的加载方案构思。进而，针对微型车用电动轮模块试验台的 开发要求，分析了电动轮在实际运行工况下的载荷转移、扭矩、转速和侧向力变 化，进行了加载系统总体设计和试验台结构设计，并匹配选购了构建试验台所需 的伺服电机、电动推杆和传感元件等。最后，扼要介绍了电动轮模块试验台动态 加载控制系统的基本构成和试验台各电气部件之间的接口电路。 该试验台可对电动轮模块进行性能测试、耐久性试验和制动性能试验，从而 为电动汽车的开发提供高效实用的关键零部件测试平台。 关键词：电动轮模块，加载方法，载荷，扭矩，试验台架 i a b s t r a c t t l 坞i n w h e e l m o t o rm o d u l ei sak e yc o m p o n e n to f4 - w h e e l s - d r i v e se l e c t r i c a l v e h i c l e t h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t vo fi n - w h e e l - m o t o rm o d u l ei sa ni m p o r t a n t f a c t o ro ft h ep e r f o r m a n c ef o r4 x 4v e h i c l e s t ot e s tt h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo f i n - w h e e l - m o t o ro nt e s tb e n c hi sa9 0 0 dw a yt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , t h e d e s i g nq u m i t ya n dr e d u c et h ec o s to fd e v e l o p m e n t s ot h e1 0 a d i n gm e t h o ds h o u l db e a b l et os i m u l a t et h el o a dv a r i a t i o no fi n - w h e e l - m o t o ru n d e ra c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei n - w h e e l m o t o rm o d u l ea n dt o o ks p e e d ，t o r q u e ，v e r t i c a l l o a da n dl a t e r a ll o a da st h ec o n t r o lo n e c t s o m ei d e a so fl o a d i n gm e t h o d st os i m u l a t e t h ev a r i a t i o no fv e r t i c a ll o a da n dl a t e r a ll o a dw e r ep r o p o s e db a s e do nc o m p a r i s o na n d i n d u c t i o no nd i f f e r e n tl o a d i n gm e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tt c s tb e n c h e s t h e nt h ev a r i a t i o no fl o a dt r a n s f e r , s p e e d t o r q u e , a n dl a t e r a ll o a dw a sa n a l y z e d 髓e l o a d i n gs y s t e r na n dt h es t r u c t u r eo ft c s tb e n c hw e r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n tr e q u e s tf o ri n - w h e e l - m o t o rm o d u l eo fm i n iv e h i c l e s o m ee q u i p m e n t s u c ha st h es e r v e rm o t o r s 。l i n e a ra c t u a t o ra n ds e n s o r sw h i c hn e e d e df o rt e s tb e n c hw a s b o u g h t a tl a s t ab r i e fi n t r o d u c t i o nw a sm a d ea b o u tt h eb a s i cs t r u c t u r eo fd y n a m i c l o a d i n gs y s t e r nf o ri n w h e e l m o t o rm o d u l et e s tb e n c ha n di n t e r f a c ec i r c u i tf o r e l e c t r i c a lc o m p o n e n t s t h i st e s tb e n c hw a sc a p a b l ef o ri n - w h e e l - m o t o rp e r f o r m a n c et e s t , d u r a b i l i t yt e s t a n db r a k ep e r f o r m a n c et e s t i tp r o v i d e dah i 曲e f f i c i e n ta n da p p l i e dp l a t f o r mt ot e s t e s s e n t i a ls p a r ep a r t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lv e h i c l e k e y w o r d s ：i n - w h e e l m o t o rm o d u l e ；l o a d i n gm e t h o d ；l o a d ；t o r q u e ；t e s tb e n c h i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中前两项技术的融合，即 “电气化“ 和“汽车“ 的融合产物。它不是当代人的新近想法，其构想与研制均 早于燃油车，但由于性能不如燃油车，使其研究与开发工作一度停滞。2 0 世纪7 0 年代的能源危机和石油短缺，又使电动汽车获得了生机，到了2 0 世纪8 0 年代， 随着人们对于空气质量和温室效应的关注，对电动汽车的研究热情进入了空前 高涨期。 四轮驱动是电动汽车的一个独特的发展方向，把驱动电机安装在轮毂上形成 电动车轮直接驱动，通过线控电子控制技术可以直接控制车轮转速，以达到四轮 转向差速的功能。与传统汽车相比，四轮驱动4 w d ( 4w h e e ld r i v e ) 电动汽车具 有结构简单和高效传动的特点，在动力源配置、电机驱动、传动、底盘乃至车身 技术方面有其独特的技术特征，结合现代计算机和控制技术将彻底改变传统汽车 中由发动机、变速箱、差速器和传动轴所组成的动力总成和车身结构。与传统的 内燃机汽车相比，它具有以下特点： 1 通过电子线控技术，可以实现对各个电动轮的无级变速和各车轮之间的 差速要求。和传统汽车相比，四轮驱动电动汽车省略了内燃机汽车所需 的机械式操纵换挡装置、离合器、自动变速器、传动轴和机械差速器等， 使驱动系统和整车结构更简单，从而使整车的总布置和车身造型设计的 自由度大大增加。 2 四轮驱动电动汽车能合理分配四轮的驱动力并可通过左右轮驱动力的 分配实现d y c ( d i r e c ty a wc o n t r o l 直接偏航控制) ，因此可以大大提 高加速极限性能及恶劣路面条件下的行驶性能。 3 能充分发挥电机转矩控制的高速响应性，通过各轮毂电机的独立转矩控 制方式可有效地实现车轮滑转差率的控制，从而防止汽车在加速、减速 及在低附着系数路面行驶时可能发生的驱动轮滑转； 4 可以对各电动轮进行相同结构的模块化设计，以减少零部件种类，降低 制造成本；同时可以实现各电动轮的电气制动和制动能量回馈，节约能 源。 因此，这种基于轮毂电机的全轮驱动的电动汽车技术能够完美体现节能、 环保和安全的主题。基于轮毂电机的全轮驱动成为电动汽车领域的热点之一， 第一章绪论 采用该技术的试验样车也不断出现。例如图1 卜i3 所示丰田f i n e x 及n i s s a n ( 日 产) p i v o 等。 本文研究内容是氢能微型汽车用轮毂电机及其驱动器的开发4 ( 课题编 号：0 6 d z l 2 2 1 4 ) 的内容之一。本文以同济大学汽车学院研制的基于轮毅电机的电 动轮驱动模块为研究对象，分析电动轮模块的受力情况，以设计一适用于电动 轮模块安装结构特点的、能对电动轮模块进行模拟实车工况下前期性能试验和 相关其他试验的多功能试验台架为目标。论文的研究成果对于开展轮毅电机的 深入研究和提高以轮毂电机为核心部件的四轮驱动汽车的可靠性具有一定的现 实意义。 1 2 电动轮的分类、结构和特点 2 1 d i 电动轮按照驱动方式进行分类，可以分成减速驱动型和直接驱动型两大类。 1 减速驱动型电动轮 起源于矿用车的传统电动轮，属于减速驱动型，这种电动机允许电动轮在 高速下运行，通常电动机的最高转速设计在4 0 0 0 r m i n 至2 0 0 0 0 r m i e 之间。其 目的是为了获得较高的比功率，而对电动机的其他性能没有特殊要求。因此可 第一章绪论 以采用普通内转子高速电动机。减速机构布置在电动轮和车轮之间，起到减速 和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获得足够大的扭矩。图1 4 所 示就是减速驱动型电动轮的结构示意图。 减速驱动型电动轮的优点是转速高，有较高的比功率，质量轻，效率高， 噪声小，成本低。但由于电动轮转速较高，必须使用减速机构以获得较大的扭 矩，因此作为非簧载质量的整个电动轮的质量依然比传统内燃机汽车重。 2 直接驱动型电动轮 为了减少电动轮的非簧载质量，出现了直接驱动型的电动轮，这种电机去 掉了减速驱动型电动轮中的减速机构，大大减少了非簧载质量，也简化了整个 电动轮的结构，这种电动轮多采用外转子电动机，直接将外转子安装在车轮的 轮辋上驱动车轮转动。然而电动汽车起步时需要较大的扭矩，也就是说安装在 直驱型电动轮中的电动机必须在低速时提供大转矩，为了使汽车具有较好的动 力性，电动机还必须具有很宽的扭矩和转速调节范围。 直驱型电动轮中采用的外转子电机结构简单，轴向尺寸小，比功率高，能 够在较宽的范围内控制扭矩和转速，而且响应速度快，又因为没有减速机构， 效率也高，但成本较高，如果要获得较大的扭矩，必须增大电机的体积和质量， 此外，加速时电机效率很低，噪声很大。 用于直驱型电动轮的电机，除了外转子式电机，还有盘式电动机，外转子 电机是径向磁场型，盘式电机是轴向磁场型，把转子盘固定在轮辋上就可以直 接驱动车轮转动，盘式电机存在定子和转子相互吸引的问题，在电动汽车上一 直没有被广泛使用，尽管如此，因为其占用轴向空间相当少，也被用于小型电 动汽车的电动轮上，为了消除定子和转子的吸引力，通常采用双气隙设计，定 子在两个转子盘中间，这样轴向吸引力可以相互抵消。 l 麓胎2 j 轮辘3 键勘器4 建子绕缎，永磁体6 转予7 电机控制器减速瓣轮9 轴承 图1 4 减速驱动型电动轮结构示意图【2 】 3 第一章绪论 1 3 国内外典型的轮毂电机驱动系统 轮边驱动电动车具有集中电机驱动电动车和传统电动车无法比拟的优点， 被认为是未来燃料电池汽车高端车辆的理想选择，世界上多家汽车公司和研究 机构在进行轮边驱动电动车的研究。 最早见诸于文献的有关轮毅电机及其应用来自于著名汽车公司保时捷的创 始人保时捷( fp o r s c h e ) 。1 9 0 0 年，保时捷研制了两个前轮装备轮毂电机的前 轮驱动双座电动汽车，并在电动汽车比赛中取得了最好的成绩。图l _ 5 所示为 保时捷研制的轮毂电机驱动电动汽车。值得引起注意的是，保时捷在1 9 0 2 年就 研制出了采用发动机和轮毂电机的混合动力汽车，取得山地汽车拉力赛的好成 绩。1 9 1 0 年，保时捷研制了军用陆地列车最前面的机车装各发动机和发电机， 后面的1 0 辆列车利用轮毂电机驱动。可以说，保时捷是基于轮毂电机的电动汽 车和混合动力汽车之父。 事蠲 目15 保时捷研制的轮毅电机纯电动汽车 i i 美国通用汽车公司2 0 0 1 年试制的全新线控4 轮驱动燃料电池概念车 a u t o n o m y 采用轮边驱动形式，于2 0 0 5 年推出后轮采用轮边驱动系统的燃料电 池电动车s e q u e l ，图16 给出了s e q u e l 燃料电池车的底盘系统示意图，该车 前端采用集中电机驱动，后轮采用两个轮毂电机驱动，3 个电机总功率达到 1 1 0 七孵续驶里程达到5 0 0 k m o 此外，通用公司开发的雪佛兰s 一1 04 缸混合动 力皮卡，在两个后车轮内分别安装一台轮毂电机，产生的扭矩相当于一般v 6 发 动机的扭矩，比雪佛兰s1 04 缸皮卡高出6 0 。安装在车轮轮毂内的2 台电机 分别给每个车轮增加约1 5 ( 6 的重量，却可以产生约2 5 k w 的功率。 第一章绪论 图1 6 虬q i i d 底盘系统注释图 澳太利亚国立科学机构c s i r o 与悉尼科技大学共同开发的一体化轮边驱动 系统，如图17 ，应用于三轮太阳能电动车a u r o r a ，通过车轮轮辋和电机本体 的一体化设计，最高车速达到7 2 k j n h 。 隘 图1 7 a u r o r a 一体化结构图圈1 8 春晖二号轮边驱动系统 我国在该领域的研究相对落后，但是近几年随着国家“8 6 3 ”计划电动汽车 重大课题研究的深入，及对轮边驱动系统认识的加深，各高校、公司也加强对 该类新型驱动系统的研究。同济大学汽车学院在2 0 0 2 2 0 0 5 年相继推出了独立 研制的采用轮边驱动系统的微型电动车“春晖”系列，该车均采用4 个永磁直 流无刷轮毂电机直接驱动，匹配相应的盘式制动器。哈尔滨工业大学一爱英斯电 动汽车研究所研制开发的e v 9 6 2 1 型电动汽车也采用了轮边驱动系统，轮毂电机 的额定功率达到68 胍峰值功率为1 5 z 采用风冷散热系统以及盘式制动器， 是一种典型的井转子型电动轮结构型式。深圳比亚迪公司开发的4 轮轮边驱动 电动概念车e t ，其单个永磁同步轮毂电机功率达到2 5 k w , 0 l o o k m h 加速时 间85 s o 第一章绪论 1 4 轮毂电机驱动系统存在的一些问题 轮毂电机驱动系统存在着一些问题，制约着轮毂电机驱动系统的应用和发 展。主要包括： 1 轮毂电机驱动系统的结构使车辆的非簧载质量明显增加，从而导致汽车 行驶平顺性及操稳性降低。 2 为了实现汽车上的大扭矩输出，如果轮毂电机不带减速器的话，轮毂电 机就需要设计成低速大扭矩的电机，会导致整车质量加大，系统集成度降低。 3 电机容量的不足导致电动汽车的动力性能受到制约。 4 轮毂电机作为四轮驱动汽车的核心部件之一，可靠性和耐久性需要进一 步提高。 针对轮毂电机系统目前存在的这些问题，开发性能良好，质量轻，体积小， 集成度高，可靠性好的轮毂电机系统就是开发四轮驱动汽车的关键内容。因此， 针对轮毂电机驱动系统的特殊结构和特殊功能开发一个相匹配的试验台架对轮 毂电机的开发研究以及基于轮毂电机驱动的四轮驱动电动汽车就显得非常有意 义。 1 5 现有汽车试验台架对电动轮模块的适用性分析 汽车试验是汽车试验是检验汽车性能好坏的重要手段之一。汽车的试验设 备有很多，包括零件质量的检验，总成的性能测试和整车各种技术指标的检验 等，其中整车检验项目有动力性、经济性、平顺性、安全性和环境污染程度等。 常用的设备很多，诸如综合测试仪、油耗仪、底盘测功机( 转鼓试验台) ，排 放分析仪等。 在深入研究汽车性能时，人们用转鼓试验台来做汽车的经济性和动力性试 验，如油耗，加速性和爬坡能力等，因为试验台的测功机可以方便地调整鼓面 施加于车轮上地阻力矩，相当于汽车的试验载荷和试验坡度可以很方便地任意 改变，这比路面试验方便得多。随着转鼓试验台在技术上的逐步完善和发展， 转鼓试验台还用来做汽车的排放试验。制动试验也可以在转鼓试验台上进行。 由于汽车的安全性倍受人们的关注，如要在转鼓要作制动试验，则要满足两个 条件：转鼓试验台不只是底盘测功机，而是一个能够用来驱动轮胎的动力装 置，能带动车轮转动。鼓面的驱动力要满足制动力的需要。 传统的转鼓试验台( 如图1 9 ) 主要是模拟汽车在道路上行驶时受到的阻 6 第一章绪论 力，测量其驱动轮输出功率以及加速、滑行等性能。转鼓试验台分为两类，单 滚筒转鼓试验台，其滚筒直径大( 1 5 0 0 - 2 5 0 0 0 v o ) ，其制造和安装费用大，但测试 精度高，一般用于制造厂和科研单位；双滚筒式转鼓试验台的滚筒直径小 ( 1 8 0 - 5 0 0 z 物) ，设备成本低，使用方便，但测试精度较差，一般用于汽车使用、 维修行业及汽车检测站。 汽车在道路上行驶时汽车本身具有一定的惯性能，即汽车的动能；而汽车 在底盘测功机上运行时车身静止不动，是车轮带动滚筒旋转，在汽车减速工况 时，由于系统的惯量比较小，汽车很快停止运行，所以检测汽车的减速工况和 加速工况时，汽车底盘测功机都配备惯性模拟系统。因此对于传统的转鼓试验 台来说，主要是对整车运动惯量的模拟，并不能模拟车轮运动时车轮受到的车 轮垂向力的变化。 因此，目前国内外的汽车转鼓试验台主要针对传统结构的整车。基于轮毂 电机电动轮模块的四轮驱动电动汽车，由轮毂电机直接安装在轮辋内表面直接 驱动车轮运动，在结构上与传统汽车有很大的不同。轮毂电机是其中的关键部 件，车轮受到的各种垂向力、侧向力和扭矩等都由电机来承受，因此轮毂电机 各零部件的寿命和耐久性是非常关键的。由于在车轮运动过程中，车轮上受到 的载荷和扭矩都是不断发生变化的，这些变载荷会对轮毂电机的寿命会产生很 大的影响。传统的转鼓试验台针对传统的汽车传动形式，并不能也不需要模拟 车轮上垂直载荷和侧向载荷的变化，而这个恰恰对以轮毂电机为驱动部件的四 轮驱动汽车的可靠性和耐久性研究是非常重要的。所以，我们需要能够设计能 满足电动轮模块试验要求的新型实验设备。 1 机集2 凌簟域眩麓t 3 变追糍滚5 连廑传毫奠 6 - 联节7 举升嚣8 麓葫嚣9 维麓1 0 力传藤器 图1 9普通汽车转鼓试验台结构示意图 7 第一章绪论 1 6 课题研究的目的和意义 车辆在运行在复杂的外界条件下。这些外界条件随时间和空间而变化，并 影响汽车使用效果。这些外界条件包括：道路情况，路面拥挤情况，驾驶员人 为因素，车辆自身情况。比如路面颠簸，车辆载荷发生变化，车辆加减速，车 辆转弯等工况下，对单个车轮来说它的输出的扭矩、载荷和转速都是时时发生 变化的；另外驾驶员驾驶习惯的不同导致轮毂电机的输出特性也会发生变化。 而如上一节所述，传统试验台架不能满足对于电动轮模块测试的要求。 对于轮毂电机驱动电动汽车来说，轮毂电机驱动模块集成了驱动、制动、 测速和悬架导向承载等多项功能，是车辆上的关键部件。与传统车辆不同的是， 轮毂电机的性能和可靠性是整车可靠性环节中非常重要的一环，另外轮毂电机 还具有的电液复合制动的优势。因此对电动轮模块进行必要的模拟实车工况下 的前期试验对基于轮毂电机的四轮驱动电动汽车的研究具有重要的实际意义。 同济大学经过几年的努力，现已设计开发出一系列基于轮毂电机驱动轮模 块的四轮驱动汽车。但是，由于传统的转鼓试验台的局限性，一直没有一种针 对该模块进行可靠性验证的快速有效的方法。以往的方法都是安装出实车后， 安排人员直接进行路试，这种做法不仅浪费人力、物力，而且对于实际工程来 说，可靠性和耐久性试验最好在项目完成以前就有一个明确的认识，以便及时 对方案做出更改。 本文将以电动轮模块为研究对象，针对轮毂电机驱动轮模块的结构特性， 以及“春晖”系列轮毂驱动四轮电动汽车的性能和整车特性设计一个能模拟电 动轮在整车运行时扭矩、载荷和转速变化，并且在机械结构安装上也和整车状 态下相接近的试验台架，以便进行轮毂电机驱动轮模块耐久性、可靠性的验证 和电机性能测试。另外，该试验台架通过扩展，也可以进行一系列其他和轮毂 电机驱动轮模块相关的试验。比如：轮毂电机驱动轮模块a b s 试验，轮毂电机 驱动轮模块a s r 试验。 1 7 本文的主要研究内容和研究方法 车辆在运行过程中，对于单个车轮来说，转速、垂向载荷、侧向力以及输 出扭矩都是不断发生变化的。本文就是要设计一个能模拟设计这四个参数变化 的试验台架，并且这四个参数都是可控的。本试验台架将分成：垂向力加载系 统、侧向力加载系统、转鼓系统和电动轮模块四部分。 8 第一章绪论 1 7 1 设计目标 本课题的主要设计目标是： 分析单轮模型在实际工况下的载荷转移，扭矩变化和车速变化的情况，根 据电动轮模块的特殊结构设计一个能模拟单轮在整车运动过程中转速、扭矩， 载荷变化的试验台架。该试验台架应该能根据实际工况下的载荷谱，车速谱和 扭矩谱加载，由上位机统一进行控制，使电动轮模块在台架上的运行情况尽量 符合实际工况。试验台架完成后能在该试验台架上进行包括电机耐久性试验， 可靠性试验、电机性能试验。另外对电动轮模块制动系统稍做改造，安装a b s 系统之后能对电动轮模块进行制动性能试验和a b s 试验在内的多项试验。 1 7 2 主要研究内容 本论文在研究电动轮模块的基础上，以同济大学研制的四轮驱动汽车轮毂 电机电动轮模块为研究对象，分析并比较了各种传统试验台架加载方法的特点 及适用范围，归纳提出了一些新的加载方法，并基于这些加载方法设计了针对 电动轮模块特殊结构的多功能试验台架，使其能够模拟电动轮模块在实际运行 过程中转速、扭矩、载荷的变化。论文的研究成果对基于轮毂电机的四轮驱动 汽车的性能的提高，设计周期的缩短，产品性能的完善都提供了帮助，有利于 推动四轮驱动电动汽车的产业化。 论文共分六章，主要研究内容如下： 第一章是绪论。介绍了论文的背景以及对基于轮毂电机的电动轮模块的特 点和结构进行了叙述指出了对电动轮模块进行前期性能试验和可靠性试验的重 要性；然后对现有转鼓试验台对电动轮模块进行了适用性分析，指出了现有转 鼓台架的局限性。接下来，本章提出了论文的设计目标和课题的研究意义。 第二章提出了基于电动轮模块多功能试验台架的总体设计思路和方法，分 析了轮毂电机在整车上的受力情况，并对汽车车轮运行工况下转速、扭矩、载 荷变化的情况做了比较分析，提出了试验台架的总体功能，并针对a b s 试验对 台架功能提出了改进要求。 第三章主要分析并归纳了现有的可用于电动轮测试的试验台架种类及各自 的优缺点。并针对路面情况模拟、垂向力模拟以及侧向力模拟等提出了多种设 计方案，继而根据现有加载方法提出了一些新型的加载方案，然后通过比较选 定适合实验室条件的方案。 第四章对试验台的各个加载系统的机械部分进行了具体结构设计以及主参 数的确定。并对关键部件进行了有限元应力及模态分析。又根据理论分析计算 9 第一章绪论 的结果选择了相应的试验用设备及测试仪器。 第五章主要介绍了试验台系统的总体控制方案。试验台统一由上位机p c 发 送指令分别控制两个伺服电机、一个电动推杆和一个轮毂电机。本章介绍了该 系统控制部分的硬件组成。 第六章对全文进行了总结，提出了论文的创新点，并指出需要进一步完善 和展开的研究工作。 1 7 3 研究方法 1 7 3 1 计算机辅助设计( c a d ) 的应用 计算机辅助设计是本论文进行电动轮试验台架系统设计的基木手段，是进 行系统结构设计的环境，也是进行结构强度校核分析的基础。木论文所进行的 电动轮试验台架系统的虚拟设计主要依靠大型c a d 软件u g 进行各系统结构的三 维参数化模型的设计，然后利用虚拟装配技术对各系统结构进行总体装配，校 核系统是否干涉，布置是否合理：并且利用软件所带有的质量管理模块进行设 计结构的质量估算，以保证系统总体设计目标。 ( 1 ) u g 简介 u g 是u n i g r a p h i c s 的缩写，起源于美国麦道飞机制造公司。它以 c a d c a e c a m 一体化而著称，可以支持目前市面上销售的不同厂家的所有工作 站。1 9 9 1 年1 1 月u g 被并入美国通用汽车公司的e d s 分部。2 0 0 7 年被并入西门 子集团。多年来，u g 软件汇集了美国航天航空与汽车工业的专业经验，发展成 为世界一流的集成化机械设计和分析制造软件，并被多家美国和世界著名企业 选定为企业计算机辅助设计、分析和制造的标准。现在已广泛应用一于航空航 大、汽车、发动机、通用机械及模具等各个领域。因为e d s 公司曾经一度与美 国最大的汽车公司g m 合并，并结合汽车行业的实际进行了完善和扩充，所以该 软件很适合于汽车上业。 u g 的实体建模是其它所有几何造型产品的基础，它将基于约束的特征建模 和传统的几何建模融为一体，形成天衣无缝的复合式建模工具。这种建模方法 是目前最为先进的建模技术，它能方便灵活地编辑和修改从特征到自由形状曲 而的所有实体模型，并能充分发挥传统的实体，曲面和线框造型的长处。u g 复 合式建模较之纯参数化的系统更为灵活和自由。它允许在需要的时候随时增加 参数，能同时有效地运用传统的产品设计过程，并在必要时与基于约束的特征 建模相结合，在最大程度上满足设计人员的要求。 ( 2 ) a n s y s 和w o r k b e n c h 简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 1 0 第一章绪论 限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发， 它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如u g 、p r o e n g i n e e r 、 n a s t r a n 、i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场 的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能 力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式 显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种 以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本， 可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上。 a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a w e ) 是a n s y s 公司新近开发的新一代前 后处理环境。几乎所有的c a d 软件在w i n d o w s 界面下都可以应用a n s y s w o r k b e n c h 。用户在安装a n y s yw o r k b e n c h 后，就可以在c a d 软件上看到 a n s y s w o r k b e n c h 的插件，从而直接将模型转化为a n s y s 模型。a w e 通过独特 的插件构架与c a d 系统中的实体及面模型双向相关，具有很高的c a d 几何导人 成功率，当c a d 模型变化时不需对所施加的载荷和支撑重新施加：a w e 与c a d 系统的双向相关性还意味着可通过a w e 的参数管理器可方便地控制c a d 模型 的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。a w e 在分析软件中率先引人参数 化技术，可同时控制c a d 几何参数和材料、力方向、温度等分析参数，使得a w e 与多种c a d 软件具有真正的双向相关性，通过交互式的参数管理器可方便地输 入多种设计方案，并将相关参数自动传回c a d 软件，自动修改几何模型，模型 一旦重新生成，修改后的模型即可自动无缝地返回a w e 中。同时，a n s y s 还提 供了方便灵活的实体建模方法，协助用户进行几何模型的建立。a n s y s 软件提 供了极其丰富的材料库和单元库，单元类型共有2 0 0 多种，用来模拟工程中的 各种结构和材料。 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 2 1 试验系统总体方案设计 轮毂电机作为四轮驱动汽车中的关键部件，运行于各种工况下，需要具有 良好的可靠性和耐久性。但是，一直没有一种针对该模块进行可靠性验证的快 速有效的方法。以往的方法都是安装出实车后，安排人员直接进行路试，这种 做法不仅浪费人力、物力，而且对于实际工程来说，可靠性和耐久性试验最好 在项目完成以前就有一个明确的认识，以便及时对方案做出更改。因此，我们 希望利用此台架进行一系列的试验，包括：电机性能测试，电机耐久性试验， a b s 试验等等。 试验台架要确保与实际工况尽量接近，这样才能保证试验的可靠性。因此 需要先对汽车在行驶过程中，车轮受到的载荷，扭矩，转速的变化情况进行分 析。 2 1 1 实际工况下车轮受力分析【1 2 】 2 1 1 1 制动时车辆前后轴载荷转移的情况 汽车制动过程中所受的外力包括：地面制动力、滚动阻力1 ，、坡道阻力 、空气阻力，w 和汽车的惯性力，。在水平方向的受力平衡方程式： e = 死4 - 毋4 - c + 兄 ( 2 1 ) 巧为汽车重心指向前方的惯性力；e = 瓦t + 死： 当汽车在水平、坚硬的路面上行驶，在车速不高的情况下制动时， 鼻= 0 ，l 0 ，辱0 。所以汽车制动时在水平方向的受力平衡方程式可以写 成：弓2 磊。说明汽车在这种条件下制动时，车轮产生的地面制动力。瓦- 、瓦2 全部用于克服汽车惯性力。图2 1 为汽车在水平路面上制动时的受力情况。 水平及垂直方向受力平衡方程： j x = o j l + 2 一乃= o ( 】，= o j c i + e 2 一g = o ( 2 2 ) 1 2 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 j 5 f 一一“ i 一7 弋一_ j 。 u 厶。1l 户- j 丸1 _ b羔f 4 l _ f ：i 图2 1 汽军路上行驶制动受力图 | j 耻华 l 疋2 = t a g - f b h g ( 2 门) 式中l 为汽车轮距；g 为汽车总重力；为汽车质心高度；a 为汽车质心 到前轴的距离；b 为汽车质心到后轴的距离。 由上式可知，在路面条件保持不变的情况下，e - 随死的增大而增大，芝： 随的增大而减小，因此汽车在制动时前端有向下俯冲的现象，即：前轮增重， 后轮减重。 2 1 1 2 加速时车辆前后轴载荷转移的情况 同理汽车在启动或者加速时，设加速牵引力为兄、滚动阻力乃、坡道阻力 巧、空气阻力r 和汽车的惯性力弓。在水平方向的受力平衡方程式： 只= 弓+ 易+ 巧+ 瓦 ( 2 4 ) 当汽车在水平、坚硬的路面上行驶，在车速不高的情况下加速时， e = 0 ，l 0 ，e 0 。 所以汽车制动时在水平方向的受力平衡方程式可以写成：c 2 。说明汽 车在这种条件下加速时，车轮产生的地面加速牵引力。，一、，朋：全部用于克服 汽车惯性力。 水平及垂直方向受力平衡方程： j x = o j l + 死2 一，- o 侄y = o j 疋1 + e 2 - g = 0 ( 2 5 ) 地面对前后轮的法向作用力，小，z z ： 1 3 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 ( 2 - 8 ) 式中l 为汽车轮距；g 为汽车总重力；k 为汽车质心高度：a 为汽车质心 到前轴的距离；b 为汽车质心到后轴的距离。 由上式可知，在路面条件保持不变的情况下，疋- 随c 的增大而减小，e ： 随c 的增大而增大，因此汽车在制动时前端有向上抬起的现象，即：前轮减重， 后轮增重。 2 1 1 3 侧倾时垂直载荷在左右车轮上的重新分配 在正常的工作状态下，汽车左右车轮的垂直载荷大体上是相等的。但曲线 行驶时，由于侧倾力矩的作用，垂直载荷在左右车轮上是不相等的。我们把汽 车简化成图2 2 所示的模型。工字型车架代表车厢( 悬挂质量) ，2 f s 为车厢质 量。工字型车架由前、后铰链连接于侧倾轴线川o 朋舵上，经由弹性元件支承于 刚性的前、后轴上。在讨论时，把静止状态下汽车的重力及相应的四个车轮的 地面垂直反作用力作为一个平衡力系分离出去，单独讨论侧倾力矩作用下左、 右侧车轮的地面垂直反作用力。 车厢上作用的离心力，s y ，按其质心所在的位置分配到前、后悬架的侧倾中 心肌o t 及7 上，并由前、后铰链处的侧向反作用力，s l y ，m 所平衡，即： = 只l y + b 2 r ( 2 - - 7 ) 只。y = 生l e ：y = 老 ( ，为侧倾角，m 孵为侧倾力矩，为悬架总的角刚度) 前后悬架作用于车厢的恢复力矩为： 。= k 。巾，t 2 = ：，册l 一、铆l ，铆2 一j 、铆2 w ， ( 式中，矗，、露，为前、后悬架的侧倾角刚度。) 1 4 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 生丝 学 g 一 心一 6 一 a 一 | 1 = l 2 c e 、-j、l 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 bi 1 1 图2 2 左右车轮垂直载荷重新分配时，等效的汽车简化模型 把等效模型前、后轴作为隔离体，可列出下式，并求出左、右车轮垂直反 力的变动量 同理 峨，马= 易j j l i + 。+ e 。，九 峨l ，= 一峨l 。 蝇：，岛= 譬j 1 2 + ：+ e ：y 吃： 峨2 ，= 一峨2 7 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中，a f z - ，、峨- ，、蝇：，、峨z ，为前、后轴左、右车轮垂直反力的变 动量；e - ，、e ：，为前、后轴非悬挂质量- 、n l u 2 产生的离心力，在匀速圆周 行驶时分别等于，z 。簧及胁。：妥；吃，、吃：为前、后非悬挂质量质心离地面的 高度，一般可取为车轮半径；1 , 1 、如为前、后侧倾中心高度。 作用在前、后轴左、右车轮上的垂直反力，将是静止状态下的垂直反力及 1 5 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 由侧倾引起的垂直反力变动量之和。这个变动量在外侧车轮时增加垂直反力的， 而在内侧车轮则是减少垂直反力的： f ；i ，= e l ，+ 幔l ，f ；i ，= c i ，+ 幔l ，( 2 - - 1 5 ) f ；2 ，= e 2 ，4 - e 2 ，2 ，= e 2 ，4 - e 2 ，( 2 - - 1 6 ) 式中，e ，、e ，、砭，、：，为侧倾后，前、后轴左、右车轮的地面垂直 反作用力；t 。，、e 。，、e ：，、_ 为静止状态下，前、后轴左、右车轮的地面 垂直反作用力。 求得的地面反作用力大小的变化就是车轮垂直载荷大小的变化，即垂直载 荷的重新分配。 另外在车辆运行过程中，路面颠簸等情况也会引起各个车轮垂直载荷的重 新分配。 2 1 1 4 侧偏角与侧向力 轮胎侧偏： ， 轮胎是弹性橡胶构成的充气体，在有垂直载荷的时候会发生变形，如果静 止时施加仅垂直载荷，轮胎接地处形变关于轮胎中心平面是对称的，如果这时 候还有侧向力作用，轮胎会发生侧偏( 如图2 3 ) f y 是作用于车轴的侧向力， 而地面一定有个与其大小相等方向相反的侧向反力产生，这一对力偶促成了轮 胎的侧偏，侧偏在静止的时候没有什么特别，但在轮胎滚动的时候，侧向力的 作用会使轮胎行进轨迹发生偏移，轨迹线和原轮胎中心线所成的角度称为“侧 偏角“ ，由于轮胎形变，所以接地印迹线也发生弯曲，如图中2 3 中轮胎上标 记的a 1 ，a 2 和a 3 所示，这样在轮胎向前滚动时，接地印迹线会偏离虚线所示接 地中心线，偏移后的行驶方向( 箭头所指) 和中心线( 虚线所示) 夹角为a ， 这个角我们就称为侧偏角。汽车在转弯的时候并不能按照轮子的转角所向的方 向行驶( 因为侧偏角的存在) ，而是要按照和轮子指向成q 角的方向行驶， 6 为车轮转角，也就是由方向盘输入可以决定的，q 为侧偏角，可以看出实际轮 子前进的方向并非是与原方向成6 角，而是红色箭头所指的，沿侧偏角所确定 的方向行驶。 1 6 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 z o 采 窖 叠 原行驶方向- - 图2 3 轮胎的侧偏现象和侧偏角 一觜角n ，( + ) 图2 4 轮胎的侧偏特性 图24 给出了侧偏力和侧偏角的曲线曲线表明，侧偏角不超过5 度时， 侧偏力与侧偏角呈线性关系汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0 4 9 , 侧偏 角不超过4 - 5 度，可以认为侧偏力与侧偏角呈线性关系。 2 1 15 车速和扭矩的变化 汽车的功率和扭矩体现了整车的基本性能。汽车功率与发动机转速为正比 关系，它反映了汽车在一定时间内的做功能力，转速越快功率越大，反之越小。 与同类型汽车相比较，功率越大转速越高，汽车行驶的最高速度值则相对越高。 在功率固定的条件下，汽车扭矩与发动机转谜成反比关系它反映- r 汽车在一 定范围内的负载能力，即转速越快扭矩越小，反之越大。尤其在汽车启动或在 鳓圄 m 帅 姗 姗 舯 。 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 山路行驶时，扭矩越大汽车运行的反应能力则越好。与同类型汽车相比较，扭 矩输出越大，汽车承载量也越大，加速性能好，爬坡能力强，换档次数少，对 汽车的磨损则相对减少。在汽车启动时，更显示出扭矩大，提升速度就快的优 越性。由此可见在汽车运行过程中，汽车的输出扭矩会不断发生变化。 在汽车运行时，汽车的车速因为路况的不同会不断发生变化。图2 5 是中 国城市工况下典型车速变化图。 图2 5 中国典型城市工况车速循环 2 1 2 轮毂电机模块受力分析 轮毂电机模块安装在同济大学自行研制的：“春晖”系列四轮驱动电动汽车 上，“春晖”三号的前后轮均采用了由双横臂独立悬架和外转子轮毂电机等构成 的结构相同的悬架一电动轮模块，安装时电动轮模块由电机轴定子端安装在双横 臂悬架的主销孔上，故电机自主销孔向外延伸处受力情况类似悬臂梁受力。轮 毂电机组装图如下： 图2 6 轮毂电机装配图 1 8 第二章轮毂电机试验系统原理及功能 轮毂电机通过双横臂主销与悬架连接，车轮传递的地面作用力主要通过 轮鞍电机的两个轴承承受，受力情况和悬臂梁受力相同( 图2 7 ) 。因此对于轮 毂电机来说，电机轴承和电机轴的受力分析和寿命是决定轮毂电机寿命和工作 性能的关键困素这与通常意义上的汽车车轮有很大的不同。在普通的汽车上， 车轮仅仅由轮辋和轮胎组成并不存在轮毂电机的寿命和性能问题。因此本文 所设计的试验台架必须能让轮毂电机在此台架上的受力情况和整车状态下的轮 毂电机受力情况相同，以便在室内环境下进行轮毂电机耐久性和电机性能测试， 对电机性能和寿命进行快速验证。 图27 电机轴受力简化图 利用a n s y s 软件对电机轴受力情况进行分析。图2 8 是给电机轴加扭矩 1 5 0 n , # ( 电机输出最大扭矩) 和重力6 0 0 0 n ( 单轮受力6 0 0 ( 6 时) 后的电机轴 应力分析。由图上可以看出( 蓝色部分表示电机轴应力晟大处) 最大表面应力 出现在电机两个平键孔位置，最大应力为1 2 8 m p a 。图2 8 为电机轴受1 5 0 a z m , 垂向载荷6 0 0 0 n 下，电机轴变形图。红色部分为电机轴最大变形处。 阁2 8 电机轴应力分析和变形分析 在套筒的最右端： 外径为04 0 ，内径为m 1 7 的空心轴。 z m2 5 0 0 x 00 3 5 +