一种轮毂驱动车辆多源激励耦合动力学分析方法与流程

本发明涉及一种车辆动力学领域分析方法，尤其涉及一种轮毂驱动车辆多源激励耦合动力学分析方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，环境污染问题也越来越严重，汽车的尾气排放作为主要污染源之一已经被高度关注，新能源汽车的发展已经呈现出势不可挡的趋势。电动汽车成为新能源发展的一个主流方向，但是由于传统集中电机驱动的电动汽车存在传动轴、差速器等结构，使得电动汽车的底盘结构复杂且传动效率较低。轮毂电机驱动的电动汽车不仅取消了传动轴等结构而且将轮毂电机、减速机构制动器等高度集成布置在车轮内，简化了底盘结构，提高了传动效率。

一般情况下，轮毂电机的定转子的几何中心与车轮几何中心是同心的，但是在不同路面激励、车速等因素下会造成电机气隙沿圆周分布不均，从而产生不平衡电磁力影响到车辆的动力学特性。目前，车辆多激励源耦合对车辆动力学特性产生的影响少有研究。

本发明提出了一种轮毂驱动车辆多源激励耦合动力学分析方法，此方法在建立轮毂驱动电动汽车耦合动力学模型的基础上，充分考虑路面不平度随机激励、轮毂电机电磁力车辆转向的车辆激励源及其相互耦合作用对车辆动力学特性的影响，能更真实的反映车辆系统动力学在多因素作用下的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种适用于轮毂驱动车辆的动力学分析方法，该方法考虑到多种激励源耦合作用，能更准确、真实的分析多激励源耦合给轮毂驱动车辆带来的影响，对轮毂驱动车辆的耦合动力学特性具有十分重要的意义。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

该分析方法主要包括：输入条件模块、转向系统模型、随机路面激励模型、轮毂电机模型、轮胎模型以及车辆耦合动力学模型。其中输入条件模块包括：转向输入、路面等级以及行驶车速。

首先确定轮毂电机驱动电动汽车的多激励源输入条件，包括：转向输入、路面等级、行驶车速；建立随机路面激励模型；根据轮毂电机驱动电动汽车具体结构建立转向系统模型和轮毂电机模型；轮毂电机驱动电动汽车实际行驶工况的输入条件代入所建立的随机路面激励模型、转向系统模型及轮毂电机模型即可得到车辆实际的多源激励；建立车辆轮胎模型和车辆耦合动力学模型，将由转向系统模型得到的车轮转角和随机路面激励模型得到的路面不平度激励同时作用于所建立的轮胎模型，同时将由轮毂电机模型得到的不平衡电磁力施加于所建的车辆耦合动力学模型，轮胎模型将产生的轮胎力作用于车辆耦合动力学模型，而在一定运行工况下由车辆耦合动力学模型计算得到的车轮运动量及轮毂电机定转子相对位移量则分别反馈给轮胎模型及轮毂电机模型。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明适用于轮毂电机驱动的车辆的动力学分析研究，其充分考虑轮毂电机驱动的车辆的转向输入、路面不平度、轮毂电机不平衡电磁力的多种激励作用，提高了目前针对轮毂电机驱动车辆动力学分析只考虑单一输入的严谨性。

(2)此分析方法考虑到了路面不平度激励和轮毂电机电磁力之间的相互耦合作用，更加贴近轮毂电机驱动车辆的真实情况，使得分析更加精确。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明。

图1是本发明轮毂驱动车辆多源激励耦合动力学分析方法的流程图。

图2是本发明轮毂驱动车辆多源激励耦合动力学分析方法的实施例1的流程图，其中的轮毂电机驱动车辆耦合动力学模型为利用集中参数法建立的十一自由度耦合动力学模型。

图1中：s1.输入条件模块s2.转向系统模型s3.随机路面激励模型s4.轮毂电机模型s5.轮胎模型s6.车辆耦合动力学模型s1-1.转向输入s1-2.路面等级s1-3.行驶车速

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示的轮毂电机驱动车辆多源激励耦合动力学分析方法，其具体步骤包括：s1：确定车辆运行工况输入条件，包括s1-1转向输入、s1-2路面等级以及s1-3行驶车速输入；s2：建立转向系统模型，s2接收来自转向输入s1的转向角信号，并计算出一定转向盘输入下各车轮的转向角；s3：建立随机路面激励模型，随机路面模型根据s1-2路面等级和s1-3行驶车速计算出当前路面的不平度输入；s4：建立轮毂电机模型，轮毂电机模型根据行驶车速s1-3机反馈的定转子相对位移量信号计算出此时的不平衡电磁力；s5：建立轮胎模型，轮胎模型根据转向系统模型计算的转向角和随机路面激励模型计算得到的不平度计算出轮胎的各向作用力；s6：建立轮毂驱动车辆耦合动力学模型，根据作用的各项轮胎力及不平衡电磁力来计算车辆的各向动力学特性和轮毂电机定转子的相对位移量，并分别将计算结果反馈给轮胎模型和轮毂电机模型。

实施实例1

如图2所示：是本发明的实施例1，其中的轮毂电机驱动车辆耦合动力学模型为利用集中参数法建立的十一自由度耦合动力学模型。其步骤包括：

s1：确定车辆运行工况输入条件，包括s1-1转向输入、s1-2路面等级以及s1-3行驶车速输入。

s2：建立转向系统模型，s2接收来自转向输入s1的转向角信号，并计算出一定转向盘输入下各车轮的转向角。如忽略转向系统的变形等作用，只考虑转向系传动比的作用，采用如下模型：

式中，为转向盘转角，δ为转向轮转角，i为转向系传动比。

s3：建立随机路面激励模型，随机路面模型根据s1-2路面等级和s1-3行驶车速计算出当前路面的不平度输入。

为了能更真实的反映路面谱在低频范围内近似为水平的实际情况，采用引入下截止频率nc的路面输入模型，左前轮路面不平度位移时域模型可表达为：

式中，g0为路面不平度系数，u为车速，w(t)为白噪声，n0＝0.1m^-1为标准空间频率。

整车建模分析中还要考虑车辆四个车轮路面激励的相关性，因此四轮随机路面输入的状态方程可表达为：

式中：

y(t)＝[z01(t)z02(t)z03(t)z04(t)x1(t)x2(t)]

s4：建立轮毂电机模型，轮毂电机模型根据行驶车速s1-3机反馈的定转子相对位移量信号计算出此时的不平衡电磁力。

(1)气隙长度模型：

电机不均匀气隙为时间t的函数，可以表达为：

ge(z,γ,t)＝g0(1-ε(z)cos(ωrt-γ))

(2)不平衡电磁力模型：

极坐标下气隙磁场产生的切向/径向电磁力密度分布为：

式中：μ0为真空磁导率，br(s,t)bt(s,t)为气隙圆周方向上点s的瞬时径向/切向磁通密度。br(s,t)bt(s,t)极坐标下的表达式为：

将上述极坐标下的电磁力转化到笛卡尔坐标下，并考虑整个电机轴向长度上的电磁力分布，则作用在定子中心z方向上的力可通过如下积分得到：

式中，la为电机轴向长度，r为积分半径。

s5：建立轮胎模型，考虑到轮胎的非线性，采用“魔术公式”轮胎模型，其数学表达如下：

y＝dsin{carctan[bx-e(bx-arctanbx)]}

式中：

b＝tanβ/(cd)

c＝1±[1-2arcsin(yx/d)/π]

d＝yp

e＝{bxp-tan[π/2c]}/[bxp-arctan(bxp)]

其中，d＝yp为曲线峰值(c≥1时)；c为曲线形状系数，由于其控制了“魔术公式”中正弦函数的范围，因此决定了所得曲线的形状；系数b、c、d的乘积对应于原点处的斜率，即：bcd＝tanζ，当c和d决定后，b为刚度系数；e用来控制曲线峰值处的曲率；β为曲线原点处的斜率；xp为曲线峰值对应的横坐标；ys为曲线的稳态值。

上述轮胎模型根据转向系统模型计算的转向角和随机路面激励模型计算得到的不平度计算出轮胎的各向作用力。

s6：建立轮毂驱动车辆耦合动力学模型，根据作用的各项轮胎力及不平衡电磁力来计算车辆的各向动力学特性和轮毂电机定转子的相对位移量，并分别将计算结果反馈给轮胎模型和轮毂电机模型。

根据图2的实施例中建立的11自由度车辆动力学模型，可得到系统的动力学方程方程如下：

①垂向运动微分方程：

②俯仰运动微分方程方程：

③侧倾运动微分方程方程：

④侧向运动微分方程

在前后轮转向角较小的情况下，可近似认为：cosδfl＝1，cosδfr＝1；cosδrl＝1；cosδrr＝1

⑤横摆运动微分方程

在前后轮转向角较小的情况下，方程可简化为:

⑥簧下质量垂向运动微分方程：

当俯仰角θ和侧倾角较小时，近似有：

以上动力学方程中，ixx为车身对于x轴的侧倾转动惯量；iyy为车身对于y轴的俯仰转动惯量；izz为车辆对于z轴的横摆转动惯量；ixz为侧倾与横摆运动的惯性积；mt为车辆总质量。