（车辆工程专业论文）电动轮模块试验台架系统的设计研究.pdf

摘要 摘要 电动轮模块是基于轮毂电机的电动轮驱动汽车的关键部件。电动轮模块的 性能和可靠性是决定电动轮驱动汽车性能和可靠性的关键因素。近十几年来， 基于轮毂电机的电动轮驱动成为电动汽车领域的热点之一。但是据调查发现， 国内外尚未有对电动轮模块进行相关试验的试验设备。本文以电动轮模块为研 究对象，以转速、扭矩、载荷为控制目标，创新性地设计了多功能电动轮模块 试验台。该试验台能进行电动轮模块的性能试验，耐久性试验和制动性能等各 种试验研究，是针对电动轮模块进行的开创性地尝试，是开展电动轮汽车研究开 发的良好平台。 本文在分析车轮实际运行工况下的车轮载荷转移，转矩和转速变化的基础 上，提出了电动轮模块试验台设计方案；进而进行了试验台结构设计和试验台 所需伺服电机和各种传感器元件的匹配，并进行了电动轮模块试验台架的试制； 最后本文根据试验台各电气部件之间的通讯协议，编写了系统控制程序，经过 调试和试运行，实现了按载荷谱，扭矩谱，转速谱对电动轮模块进行控制的基 本功能。 关键词：电动轮模块、载荷，转速，扭矩、试验台架 a b s t r a c t i i l 州h e e l m o t o ri sk e yc o m p o n e n t sf o rt h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e 叼d r i v e nb y i n - w h e e l m o t o lt h er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h ei n - w h e e l m o t o rd e c i d e st h e r e l i a b i l i t va n dp e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e e vd r i v e nb yt h ei n w h e e l - m o t o r b e c o m e sap o p u l a rr e s e a r c ha r e ai nt h e s ey e a r s h o w e v e r , i tw a s f o u n dt h a tt h e r ei sn o r e l a t e dt e s te q u i p m e n tf o ri ti nt h ec o u n t r ya n do u to ft h ec o u n t r y t h i sp a p e r s t u d i e s i n w h e e l m o t o ra n di n n o v a t i v ed e s i g n sat e s tb e n c hf o r “t oc o n t r o lt h el o a d ，s p e e d a n dt o r q u e t h i st e s tb e n c hc a nb ec a r r i e do u tt h ee l e c t r i c a lm 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 vt e s t i n ga n do t h e rt e s t i n gr e s e a r c hf o rt h ei n w h e e l m o d u l e i ti s ag o o d p l a t f o r mf o rf u r t h e rs t u d yo f t h ei n - w h e e l - m o d u l e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fw h e e l si n c l u d i n gt h el o a d t r a n s f e ra n dt h ec h a n g eo ft h et o r q u ea n dr o t a t i o n a ls p e e d , d e s i g nt h et e s tb e n c h i n c l u d i n gs t r u c t u r a ld e s i g n ，m a t c h i n gt h e s c r v om o t o ra n dv a r i o u ss e n s o rc o m p o n e n t s ， a n dm a n u f a c t u r et h et e s tb e n c h a tl a s t ，t h i sp a p e rf i n i s ht h ec o n t r o lp r o g r a m a c c o r d i n gt 0t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e n t h ev a r i o u sc o m p o n e n t s t h r o u g h t r i a lo p e r a t i o np r o v e dt h a tt h et e s tb e n c hc a na c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o n i n - w h e e l - m o t o r l o a d s p e e d 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 由本人承担二 一虢徐晔 1q 刁乡月厂 日 l 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： 禽峨 母咖扣 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 从汽车发展的历史来看，电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ) 其实比燃油汽车还要早 诞生几年，但受电池和驱动控制技术的局限，其发展却远远落后于燃油汽车。 汽车虽给国民经济带来了发展，给人类带来了方便，但也给人类带来了很大的 负面效应，4 2 的环境污染是来源于燃油汽车的排放，8 0 的城市噪声是由交通 工具产生的，当今世界石油储量同趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户，。因 而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。 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： 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。 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 t y 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。 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； 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鼍回馈，节约能源。 第章绪沦 凶此，这种单于轮毂电机的伞轮驰动的电动汽年技术能够完美体现节能 环保和安全的t 题。丛于轮毂电机的全轮驱动成为电动汽车领域的热点之， 采用浚技术的试验样车不断 “现。例血【| ，2 0 0 1 年r i 牟_ 庆麻大学丌发了八轮轮毂 电机驱动的电动人轿1 k a z l 7 , 8k 荚出通j j 汽乍于2 0 0 2 年摊出了线羟叫轮轮毂i 乜 机驱- ) j 的燃料电池概念车a u t o n o m y 和在2 0 0 3 年的东京国际汽牛腱上展出的四 轮轮毂驱动电动车f i n e - n 。罔内，由同济大学汽乍学院与上海燃料 n 池汽车动力 系统有m 公司承担的国家8 6 3 燃料屯池轿车项目组，关注电动汽车研发的国际前 沿方f 柚，r2 0 0 2 年8 月，采用全部围产零部件，率先试制成功台山叫个卣流无刷 轮裁屯机独立驱动的四轮驱动燃料电池微型电 ；l j 汽车动力平台“春晖号”。它 采用了由锂离子动力电池_ 手r l d , 功率燃料电池构成的电一电混合动力系统和自主丌 发的单片机四轮驱动控制系统唆叫轮驱动电动汽车咀按模块化设计思想，前后 轮采用干h 同结构的独立悬架电动轮模块最大限度地减少关键零部件的种类采 丌 刚性良好的双层框架型底架结构，并进行轻量化和扁平通用化结构设汁，使i b 池系统与控制系统等能够完全埋入这扁下框架结构之中这样，使底盘其有模 块化、轻黾化、扁t 化和通用化的特征【】l 。 本论文的研究来源于国家8 6 3 燃料电池汽 重大专项课题研究子课题的研 究任务。本文以同济大学汽车学院研制的基于轮毂l u 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丌展轮毂电机的深入研究和提高以 轮毂电机为核心部件的| q 轮驱动汽车的可靠性具有一定的现实意义。 酗11 “春晖”系列心轮驱动电动汽1 。模刑斟 2 1 2 轮毂电机驱动电动轮模块介绍 轮毂电机驱动系基本构成 轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构制动器与散热系统等组成。 轮毂电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构犁式：内转子型和外 转了型1 2j 。斟14 所示为两种型式轮毂电机的结构简刚。 通常，内转子型轮毂电机动力系统一本聚j _ | j 高转速范围低扭抬特性的电机。 为了满足 ? 驶动力学的要求，需要匹配十日应的行星齿轮减速机构；相反，外转 了型i b 动机的轮毂电机则采用与车轮转速范围相当的低转速高转矩特性电机， 无需匹配减速机构，由电动机外转子直接驱动车轮。轮毅电机动力系统由于电 机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求，通常需要附加机械制动系 统。轮毂电机系统中的制动器w 以根据结构采用鼓式或者盘式制动器。由于电 动机电制动容量的存在，往往可以使制动器的设计容量适当减小。大多数的轮 毅电机系统采用风冷方式进行冷却，也有采用水冷和油冷的方式对电机、制动 器等的发热部件进行散热降温，但结构比较复杂。 轮毂电机与车轮集成存起布置灵活，可以方便的实现前轮驱动、后轮 驱动或者l q 轮驱动午辆。与内燃机驱动系统或者和集中驱动电动系统，轮毂电 机驱动系统在_ ! ；l j 力源配置底盘结构等方面有其独特的技术特征和优势。 第一章绪论 1 轮豁2 轮辋3 。铭劫器4 + 定予绕缀5 。永磁体6 转予7 电机羟制器8 褫建绂轮9 蠢承 图l 。4 轮毂电机结构示意图2 l 国内外典型的轮毂电机驱动系统 同本庆应义熟大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年 中，一直以基于轮毂电机的全轮驱动电动汽车为研究对象，至今已试制了五种 不同型式的样车【3 7 】。其中，1 9 9 1 年与东京电力公司共同开发的电动汽车i z a ， 采用n i c d 电池为动力源，采用四个额定功率为6 8 k w ，峰值功率达到2 5 k w 的 外转子式永磁同步轮毂电机驱动，最高时速可达1 7 6 k m h 。1 9 9 6 年，该小组联 合同本国家环境研究所研制了采用轮毂电机驱动的后轮驱动电动汽车e c o ，轮 毂电机驱动系统采用永磁直流无刷电动机，额定功率6 8 k w ，峰值功率2 0 k w ， 并配速比1 ：5 的行星齿轮减速机构。轮毂电机采用机械制动和电机再生制动相结 合的方式，机械制动力矩由鼓式制动器提供，制动力分配规律的基本原则是不 损害制动效能的前提下，尽可能多的回收制动能量，有效延长了续驶里程。2 0 0 1 年，最新推出了以锂电池为动力源，采用8 个大功率交流同步轮毂电机独立驱 动的电动大轿车k a z ( 见图1 2 ) ，最高时速达到3 1 1 k r n h 。k a z 的轮毂电机系 统中采用高转速的高性能内转子型电动机，其峰值功率可达5 5 k w ，提高了k a z 的极限加速能力，使其o 一1 0 0 k m h 加速时间仅为8 秒。为了使电动机输出转速 符合车轮的实际转速要求，k a z 的轮毂电机系统匹配了一个传动比为4 5 8 8 的 行星齿轮减速机构。k a z 的前后轮采用前盘后鼓的制动形式( 图1 5 ) 。2 0 0 3 年同 本丰用汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车f i n e n 也采用了轮毂电 机驱动技术。 法困t m 4 公司设计制造的一体化轮毂电机结构如图1 6 所示【8 】。它采用外 4 _移0一；胡拶赫彩 t一譬：_；。警1遗一笏勉 一、 ；， 霞r一，一殇彩么 擎一，孝期肇 -；if一jl 翳替锄露 转f j ，k 磁电r 山机将电动机转f 外壳“拉与轮辋榭【l l | l 绌，将f u 动机外壳作为 1 暗0 辋的自l 成黜分而r l 电功机转了与鼓式；m 出器的制动鼓集成n 起，实脱 乜机转r ，轮剁以及制动器? 个转运动物体f n 臻成，大大减轻伴化轮毂f u 机系统的质毓。北成化程度柏商。浚一休化轮觳i u 机系统的水磁九川 + l 流u 动机的钡定助率为1 85 k w 峰值功率l 叮达到8 0 k w ，峰值抓甜! 为6 7 0 n m ，额定转 速9 5 0 r p m ，叵 商转速1 3 8 5 r p m ，而且额定工抛f 的甲均效率可达9 63 。 hi5 k a z 体化轮毂t u 机系统 州l6 t m 4体化轮毂电机系统 同济大学汽车学院在国内率先升展四轮驱动电动汽车研究开发，已开发了 具有完令自主知识产权的凹轮驱动电动场馆车“春晖二弓”和线拧转向网轮驰 动电础汽车“春晖i 号”。“存晖”系列电动车的前后轮均采用相唰结构的独札 懋架一乜础轮模块( 见图l7 ) 泼模块集成丁驱动、制动、测速和悬架导向承载 等多项功能，掉原理是将州个结构肿i | 司的独立悬架一电动轮模块，安装到内减动 力f b 源和计算机拧制系统半板型( 如扁r 框架一) 的下架之 ：，即构成了 辆火键零挪1 j | 种类蜮少的旧轮驱动l u 动汽1 ：底黜。轮毂i u 机采川直流止刷u 动 机，分别山个r 的卣i l c 尤制电动机驱动器拧制。然后求川- l 央控制器控制各个 咀机批制陋。： 作忆它采集轮述信弓、i u j 加述信q 、倒乍信号、以及转m 器 位移信号，并及时埘信号进行快速处耻。行驶寸，按上述电子差迷原理，通过p i d 运算控制各乍轮的轮速，达到车轮转向差述要求。这样的设计，既考虑到规模 生产的成本问题又可兼顾人们对动力性能的小同要求。刚济大学汽车学院在 2 0 0 2 年2 0 0 3 年利2 0 0 4 年分别推m 了采片j 轮毂电机驱动系统的叫轮| 驱动燃料 乜池微型f 乜动汽车动力平台“春晖号”和“存晖号”，两者均采用四个低速 永磁直流无刷轮毅电机直接驱动，匹a d 相应的斑式制功器【9 ”】。轮毅电机为外转 子犁轮彀电机，其外形结构士耍考虑与般横臂独立悬架、轮辋及制动盘的连接 方便。为了提高轮毂电机的外形通用性，考虑赴一定功率范围内的轮毂电机聚 j h 桐h 的外形结构。该轮敦电机既可安装市售微型汽午制动盘，又能安皴不同 觑格的摩托车制劬盘。 【i 、钞 蚓l7 独立总架一l n 动轮模块 轮毂电机驱动系统存在的一些问题 轮教l u 机驱动系统存在着些问题，制约着轮毂乜机驱动系统的应用和发 展。主要包括： ( 1 ) 轮毂 b 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j 弛汽4 ：上的大扭矩输，如果轮教l u 机不带减速器的话，轮毂f b 机就嵩耍没训成低速大扭矩的 乜机，会导致整车质最加人： 1 3 )电机容量的小足导毁f u 动汽车的动力性能受到制约； 费 第一章绪论 ( 4 ) 轮毂电机做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。 针对轮毂巾- 机系统日日订存在的这些问题，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 3 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 8 ) 主要是模拟汽车在道路上行驶时受到的阻力， 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，其滚简直径大( 1 5 0 0 2 5 0 0 m m ) ，制造和安装费用大，但其测试精度 高，一般用于制造厂和科研单位； ( 1 8 0 5 0 0 m m ) ，设备成本低，使用方便， 维修行业及汽车检测站。 双滚筒式转鼓试验台的滚筒直径小 但测试精度较差，一般用于汽车使用、 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 7 第一章绪沦 时，卜h 于系统的惯量比较小，汽车很快停i 【：运i r ，所以检测汽车的减速1 _ ：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电动轮驱动电动汽车，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，其中轮毂 电机是其中的关键部件，车轮收到的各种垂向力、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。而如上文所述传 统的汽车转鼓试验台并不能j 下确反映这些参数的变化，因此现有的汽车试验台 架并不适用于电动轮模块的试验和研究。 i 机纂2 功能吸收装置3 变建籀4 ，滚籀5 建度传感嚣 矗联轴节7 。拳拜器8 钥动嚣9 滚膊 0 - 力传感器 图1 8普通汽车转鼓试验台结构示意刚1 1 1 1 4 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。 对于电动轮驱动电动汽车来说，轮毂电机驱动模块集成了驱动、制动、测速和 8 第一章绪论 悬架导向承载等多项功能，是车辆上的关键部件。传统的转鼓试验台由于针对 传统的汽车传动形式，并不能也不需要模拟车轮上垂直载倚变化，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。查阅相关资料发现，目日订国内外未有针对电动轮模块的试验台架系统的开 发和研究。 同济大学经过几年的努力，现已设计开发出多台基于电动轮模块的电动轮 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f j i 就有一个明确的认识，以便及时对方案做 出更改。本文正是基于这个目的，以电动轮模块为研究对象，设计一能模拟车 轮垂向力变化的加载系统，并且使电动轮安装方式符合在整车上的受力方式， 以便对电动轮模块的耐久性和电机性能进行测试和试验，同时设计了转鼓试验 台架，以便进行传统转鼓上可以进行的制动试验。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。本文所设计的试验台架是针 对电动轮模块进行的开创性地尝试。 1 5 本文的主要研究内容和研究方法 车辆在运行过程中，对于单个车轮再说转速，载荷以及扭矩输出都是不断 发生变化的。本文就是要设计一个能模拟设计这三个参数变化的试验台架，并 且这三个参数都是可控的。本试验系统将分成：加载系统、转鼓系统和电动轮 模块三部分。本文的主要研究内容是： 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， 以及电动轮模块在车辆上的受力情况： 令根据电动轮模块的特殊结构设计一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。 9 第一章绪论 令另外射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。 本沦文共分六章，各章节丰要内容如下： 第一章是绪论。介绍了论文背景，并对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适用性分析，最后提出了论文的没计目标和课题 的研究意义。 第二章是轮毂电机试验系统原理、方案及功能。本章在分析了轮毂电机 在整车上的受力情况和汽车车轮运行工况下转速、扭矩、载荷变化的情况的基 础上，提出了设计方案，并对试验台的功能进行了介绍。 第三章是试验台加载系统和转鼓系统的设计。本章对试验台的机械部分 进行了具体结构设计以及主参数的确定。试验台机械部分分成三个部分：加载 系统、转鼓系统和电动轮模块系统。加载系统用于模拟车轮上的垂直载荷的变 化；转鼓系统用于模拟车轮的转速变化；电动轮模块自行输出可控转矩。另外 本章也对电动轮模块制动系统的改造进行了一些介绍。 第四章是试验台控制系统的构建。主要介绍了试验台系统的总体控制方 案，系统控制部分的硬件组成和各电气部件直接的接口协议，并编写了控制程 序。 第五章系统调试与试运行。本章针对该试验台进行了一些验证试验，以 验证该试验台能否实现预期的功能，以及验证了试验台个元件的可靠性。 第六章总结与展望对全文进行了总结。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 0 第二章轮毂电机试验系统原理，方案及功能 第二章轮毂电机试验系统原理、方案及功能 2 1 绪言 轮毂电机做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。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，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，可以利用此台架进行一系列的试验，包括：电机性能对比测试，电 机耐久性试验，a b s 试验等等。 2 2 试验系统整体方案设计 2 2 - 1 实际工况下车轮受力分析 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，车轮受到的载倚、扭矩，转速的变化情况进行分 析。 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e 、滚动阻力一、坡道阻力 e 、空气阻力r 和汽车的惯性力，【1 9 】。在水平方向的受力平衡方程式： = 圪+ + 互+ l ( 2 - 1 ) c 为汽车重心指向前方的惯性力；死2 瓦t + 巳z 当汽车在水平、孥硬的路面上行驶，在车速不高的情况下制动时， e = 0 ，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：只= 冗。说明汽车在这种条件下制动时，车轮产生的地面制动力。，蒯、，x b 2 第二章轮毂i u 机试验系统原理，方案及功能 全部朋于克服汽车惯一阽力。图2 1 为汽车在水平路面上制动时的受力情7 兄【1 9 1 。 水平及垂直方向受力平衡方程： j x = o i + f x b 2 一f ，= o 【】，= o t l + 疋2 - g = 0 ( 2 - 2 ) j 6 r 一、 l 厂、 西麓 ，_ 弋l l 鼯l 0i r a 。l aa _ l _ 妇 一lp l =t ! 图2 1 汽车路上行驶制动受力图【i ，j je ，= t b g + f b h g 1 结华c 2 刊 式中l 为汽车轮距：g 为汽车总重力；甩g 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，丘一随e 的增大而增大，f z 2 随 瓦的增大而减小，因此汽车在制动时前端有向下俯冲的现象，即：前轮增重， 后轮减蚕。 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，设加速牵引力为兀、滚动阻力t 、坡道阻力 e 、空气阻力凡和汽车的惯性力。在水平方向的受力平衡方程式： c = + + z + 凡 ( 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 = o ，瓦o ，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：只= 。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。l t 、l z 全部用于克服 1 2 第二章轮毂电机试验系统原理、方案及功能 墨再b g - f a h g 协6 ， 式中l 为汽车轮距；g 为汽车总重力；仃g 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，z - 随，n 的增大而减小，z ：随 ，“的增大而增大，因此汽车在加速时前端有向上抬起的现象，即：前轮减重， 后轮增重。 侧倾时垂直载荷在左右车轮上的重新分配【1 2 】 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) ，朋，为车厢质量。 工字型车架由前、后铰链连接于侧倾轴线m 。，m 铊上，经由弹性元件支承于刚性 的f j i 、后轴上。在讨论时，把静止状念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 掰o l 及t 0 0 2 上，并由前、后铰链处的侧向反作用力，刚，s 2 y 所平衡( 图2 2 ) ，即： 只，= c l ，+ b 2 y ( 2 - - 7 ) h 只l ，= f ，等 ( 2 - - 8 ) 1 3 第。章轮毂电机试骗系统棘理方案及功能 礴。 d ， 凹2 2 分析 1 轮乖卉载荷重新分配时，管教的汽下简化模酗i ”j ：，= 争 ( 2 9 ) u ( 中，为侧倾角，m 。，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： 7 0 l = k “l m ，瓦，2 = 】r “2 中，( 2 - 1 0 ) ( 式中，1 舢- 、1 心z 为前、后悬架的侧倾角刚度。) 把等效模型前、后轴作为隔离体，口丁列出下式，并求出左、右车轮垂直反 力的变动量 而 同理 而 幔一= _ 等”+ 虬( 2 i i ) a e h = 一a b ( 2 - - 1 2 ) 蝇：，岛= _ 譬”：+ 九：( 2 _ 1 3 ) a b h = - a f z 2 ， ( 2 - - 1 4 ) 式r f | ，c ”、h ”、：，为前、后轴左、右车轮垂直反力的变动 晕：- - 、e ：，为酊、厉轴非悬挂质量脚m 、卅“：产生的离心力，在匀速圆周行 1 4 第一二章轮毂电机试验系统原理，方案及功能 驶时分别等于历妥及肌舵丢；h u l 、九：为自仃、后非悬挂质量质心离地面的高度， 一般可取为车轮半径；h 、h ，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 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： e l ，= e l ，+ 蚯l ， l ，= t l ，+ a f l ，( 2 - - 1 5 ) c 2 ，= c 2 ，+ a v , 2 ，( 2 ，= c 2 ，+ a f2 ，( 2 - - 1 6 ) 式中，- ，、一，、( “、( z ，为侧倾后，前、后轴左、右车轮的地面垂直 反作用力；c 、e t ，、t ：，、t w 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。 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速成反比关系，它反映了汽车在一 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 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 3 是中国 城市工况下典型车速变化图。 1 5 i mt 婶 i 0 h h ，- h2 3 中田地城l hi 况下述衍h 222 轮静电机模块受力分析 轮极r i l e ) t , 模块安装在同济人学白 行( ；j f n f f , j ：“春晖”系列四轮r 蝣动电动汽车 上，“4 f 咩”鼍号的前扁轮均聚用了f h x 2 横臂独：悬架和外转了轮毂电机等构成 的结构相同的悬架一电础轮模块，安装时电动轮模块山电机轴定子端安装在烈横 臂悬架的1 - 销孔上，故电机自 销孔阳外延仲处受力情况类似恳臂粱受力。轮 毅 乜机组装图如f ： 削2 4 轮毂电机娃配酬 m * * m w om*：”：*。 轮毂电机越过般横惜1 - 销与悬架连接， ：轮传递的地面作用力 要通过轮 毁r u 机的两个轴乐承受，受力情i 兄和恳臂粱受j j , t t l 同( 图2 5 ) 。l , q d ：, $ j y - 轮投 i u 机米| 兑f 机轴承和i u 机轴的受力分析和斯命赴决定轮毅l u 机寿a r , 种lj 作性 能的关键吲豢，这0 通常意义r 的汽下1 ：轮柯搬大的小h 。在普通的汽车卜， 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 所设汁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乍状态下的轮 毂电机受力情况相同，以便在室内环境下进行轮毂f u 机耐久性和电机性能测试， 同时在审内条件下呵以进行电机老化试验，以便对电机性能和寿命进行快速验 证。 幽2 5 电机轴受力衙化削 利用a n s y s 软件对 乜机轴受力情况进行分析。图2 6 是给电机轴加扭矩 1 5 0 n * m ( 电机输出摄人扣矩) 和蕈力6 0 0 0 n ( 乖轮受力6 0 0 k g 时) 后的电机 轴应力分析。由图上自t 以看出( 蓝色部分表示电机轴应力最大处) 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 6 电机轴受1 5 0 n m ， 乖向载荷6 0 0 0 n 下，电机轴变形罔。红色部分为电机轴最人变形处。 第_ 二章轮毂电机试验系统原理，方案及功能 在套筒的最右端： 外径为中4 0 ，内径为巾1 7 的空心轴。 m = 2 5 0 0x0 。0 3 5 + 2 5 0 0x0 1l3 = 3 7 0 n m 抗弯截面系数形= o 1 d 3 ( 1 一4 ) = o 1 0 0 4 0 3 ( 1 - 0 4 2 5 4 ) = 6 1 9 1 0 拍m 其中： - - d d = 17 4 0 = 0 4 2 5 截面上的弯应力 o = m w = 5 9 7 7 m p a 剪切力f = 5 0 0 0 n 截面积s = 1 4x ( d 2 - d 2 ) = 1 0 3x10 ( 3 ) m 2 截面上的剪应力c = f s = 4 8 5 m p a 根据第三强度理论：or 3 = ( o2 + 4 t2 ) a ( 1 2 ) = 6 0 5 5 m p a 轴的材料为4 0 c r , 许用弯曲应力为7 0 m p a 。 安装轴承处： 选外径为巾4 0 ，内径为由1 7 的空心轴。 m = 3 7 5 0 0 0 7 0 = 2 6 2 5 n m 抗弯截面系数形= 0 1 d 3 ( 1 一4 ) = o 1 0 0 4 0 3 ( 1 - 0 4 2 5 4 ) = 6 1 9 1 0 6 m 其中：f l = d d = 1 7 4 0 = 0 4 2 5 截面上的弯应力o = m w = 4 2 4 m p a 剪切力f = 7 5 0 0 n 截面积s = 0 。2 5 ( d 2 - d 2 ) = 1 0 3x1 0 ( 一3 ) m s 截面上的剪应力【= f s = 7 2 8 m p a 一 根据第三强度理论：or 3 = ( o2 + 4 t2 ) ( 1 2 ) = 4 4 8 3 m p a 7 0 m p a 在导线的引入孔处： m = 3 7 5 0x0 0 5 0 = 18 7 5 n m ：婺( 1 一1 5 4 - 刍- ) ：5 6 6 1 0 西m = 5 6 6 1 0 a ( 6 ) m ” 3 2 、口 截面上的弯曲应力ob = m w = 3 3 1 3 m p a 结合第三强度理论：or 3 = k ob = 1 5 3 3 1 3 = 4 9 6 9 m p a 8 0 域电机+ 控制器总效率： 8 谬 ： 二 ， “ ： j 一1 ， j ， b ：( 9 叫 ：? 耋 ： ? 5 d j 笆 j 、7 ： 饧纷i i d ：掣 4 0 nm , 0 “强父 ， ： 转速妇鳓 图3 1 5 轮毅电机特性曲线图 为了以后系统有良好的扩展性( 安装两套加载系统) ，我们选择了2 倍以上 功率和扭矩的伺服电机。 据此，我们选择，y a s k a w ae l e c t r i cc o r p o r a t i o n 的交流伺服电机。 4 0 毓- 章试螗舟加找乐缱目l 转鼓系缱帕吐引 ，呼为：s g m g h l e a c a 6 额定功率：1 5k w 额定抓姐：9 54 n m 额定转速：1 5 0 0 r p m 电j 玉： 2 0 0 v - m m 4 * b * _ j vh 。= f 而啬酉 一 n _ _ | 芏| 31 6 转鼓试验台伺服电机尘l l i 构幽【5 5 】 电机的轴端舰格为：r 直，带键，带轴端螺纹孔( 1 处) ；键槽按 j i s b 3 0 1 1 9 7 6 ( 精度) 加j 二。根据伺服电机的轴端尺寸设计联轴器和选择转速扭矩 传感器。 伺服f 乜机控制器选择与之相配套的s g d h 1 e a 型伺服控制器，外形如下。 第二章试验台加载系统和转鼓系统的设计 i 蛹焉 蒿螨吁j 毒羔 安装r 抽工氍 h ： 8 曩拄孔 止t 图3 1 7 转鼓试验台伺服电机伺服控制器结构图 5 5 】 转矩转速传感器的选择 扭矩转速传感器是为了对伺服电机的运行情况进行时实检测，以便改进控 制策略和控制算法。要考虑到结构的可安装性以及功能的适应性。由于转鼓试 验台架动力设备、负载是一个相对独立体的所有旋转动力系统，而且动力设备 与负载之间的距离可以自行设计，因此可以选择联轴器将传感器安装于动力设 备与负载之间。图3 1 8 为转速扭矩传感器的安装方式示意图。 彘奠罐基畦誓工墨肇* 泰l向甓鲁 图3 1 8 转速扭矩传感器的连接示意图【5 6 】 转矩转速传感器可用于测量电机的输入转矩和转速。扭矩转速传感器使用 北京新宇航世纪科技有限公司的j n 3 3 8 型转矩转速测量仪( 见图3 1 9 ) 。同时配套 的j n 3 3 8 转矩转速测量仪。测量仪表能显示相应的转矩、转速和功率，同时可 切换显示测量过程中的最大转矩等。 4 2 n = ：f 一一 ，广i：k址 ；li i薤l|乏矿已册 第一帝试验台加拽系统目畸鲐系统的醴l i 幽31 9 造船i 矩传感器及测吼仪【s 6 1 o 转鼓试验台的支架设计 支架h j 于安装转鼓扭矩转速传感器，伺服电机，见图31 2 。其中4 ，1 4 、1 9 、2 l 位支承支架，分别用于安装转鼓，扭矩转速传感器和伺服电机。转矩 转速传感器两端安装两个联轴器，分别连接转鼓和伺服电机。另外m 于伺服电 机白重比较大，因此扯电机下部在设计一个支承支架，用于电机的支撑。为了 确保系统安装叫的对中性系统的支架安装孔设计成u 型惜结构。两侧的u 刑 情开【_ i a 阳成十字交叉型便丁定位。在安装时要分步安装，先安装伺服电机， 其次安装扭矩转速传感器。最后在安装转鼓。安装过程中要保证各个部件的同 轴度。 3 3 安装在试验台架上的电动轮模块介绍 在传统制动系统基础上，对其进行系列的改造开发了单轮a b s 转鼓实 验台。山于原制动系统本身无a b s ，要改造成单轮防抱死制动系统，除了必须 在原制动系统的基础卜添加车轮角速度传感器、液压调节单元和电子控制单元。 ( 用计算机代替) 等硬件设备，还必须开发a b s 控制软件束支持系统( 如图3 2 0 ) 。 安装在试验台卜的电动轮模块包括：轮教电机，轮胎、制动盘制动钳 制动丰缸1 乜机控制器轮速传感器、液压调节单元( e c u 和电磁阀) 。改造t 作的主要内容有： 安装轮速传感器、转鼓转速传感器( 模拟实际车速) 以及测量车轮垂直 载荷的压力忙感器。 改造原制动系统，n - 1 - 缸与轮缸之n 增加压力调竹节儿( 电碰阀) 和油 慷传感器、慷j 袅。 设计各信口倾处p l ，电路和开发a b s 控制p l ! 序。 第二章 试验台加钱系统和转鼓系统的没计 制惑钾车轮角连雳传谚器 图3 。2 0 电动轮模块改造示意图 3 3 1 制动盘和制动钳的选择 汽车制动时，如果制动器的制动力矩不够大，汽车制动钳的制动块将和制 动盘发生滑动摩擦，而车轮和地面处于滚动状态，轮胎只是发生扭曲变形，或 是处于边滚边滑状态；如果此时继续增) g h sa j 动力矩，制动盘将会被制动钳牢牢 抱死不动，而车轮轮胎将在地面上做完全的滑动，此时就是所谓的制动抱死状 态。对于一般未装制动防抱死系统