（车辆工程专业论文）电动轮综合测试台架的设计与研究.pdf

摘要 摘要 电动轮模块是基于轮毂电机驱动型电动汽车的关键部件，其性能和可靠性是 决定整车性能的重要因素。通过电动轮综合测试台架来检验电动轮模块的各项性 能，同时进行电动轮模块的各项基础试验研究，可以提高电动汽车的开发效率和 开发质量，并降低成本。为此，开发能对电动轮模块进行各项研究的试验台架， 具有十分重要的意义。 试验台架以电动轮模块为研究对象，以转速，转矩、垂向载荷、侧向载荷、 惯量等为控制目标，模拟电动轮模块在路面的真实运动情况。论文首先分析了电 动轮在实际运行工况下的载荷转移，转矩、转速、侧向力变化，电动轮单轮制动 情况等，根据试验台架设计功能要求，在比较各种加载方法后，进行了试验台架 垂向和侧向双向加载系统和惯性模拟部分的结构设计，进而，匹配试验台架相应 的传感元件、电动推杆，数据采集卡、放大器等各项硬件，根据台架试验功能要 求，完成台架四大测控模块系统设计，分别为垂向加载和侧向加载的测控系统设 计、电动轮模块和制动模块的测控系统设计，开发试验台架控制程序，并通过试 验对台架设计进行了验证。 试验台架可对电动轮模块进行性能测试、耐久性试验和a b s 、复合制动等多 项试验，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，双向加载，惯性模拟，测控系统，试验台架 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei 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 yo 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 sag o o 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 a l 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 em u l t i t e s tb e n c hs h o u l db e a b l et os i m u l a t et h er e a ls i t u a t i o no fi n w h e e l m o t o rv e h i c l eu n d e ra c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n t h i sp a p e l s 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 l l o a da st h ec o n t r o lo b j 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 l l o a da n dl a t e r a l l 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 e 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 l l o a dw a sa n a l y z e d t h 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 e 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 1 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 mf 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 g he f f i c i e n ta n da p p l i e dp l a t f o r mt o t 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 gi nt w od i r e c t i o n ；i n e t i as i m u l a t i o n ； m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ；t e s tb e n c h i i 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：易l 枷争 1 年宇月才日 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：勿l 绛 1 年；月如 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。 近年在世界范围内，各类电动车辆( 汽车、自行车、摩托车、巡游观光车、 场地搬运车、高尔夫球车、轮椅) 等需求旺盛，发展迅猛。其中，电动自行车和 电动汽车的快速发展和广泛应用，更是将轮毂电机技术提升到了一个崭新的高 度。以电动自行车为例，我国2 0 0 5 年产量已超过1 5 0 0 万辆，市场规模巨大，核心 技术轮毂电机亦处于世界领先地位。在电动汽车领域，轮毂电机驱动系统的技术 进步也是非常显著的。 轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的前轮、后轮，甚至于所 有车轮中，直接驱动轮毂旋转。与内燃机、单电机等传统集中驱动方式相比，其 在动力配置、传动结构、操控性能、能源利用等方面的技术优势和特点极为明显， 主要表现为： 1 动力控制由硬连接改为软连接，能通过电子控制器，实现各轮毂从零到 最大速度之间的无级变速和轮毂间的差速要求。省却了传统的机械换档、离合器、 变速器、传动轴和机械差速器等装置，使得驱动系统和整车结构简约归一，可利 用空间增大，传动效率提高。 2 整车布局和车身造型设计的自由度大大增加。以汽车为例，将底架的承 载功能与传动功能分离后，桥架结构大为简化，更容易实现相同底盘不同车身 造型的产品多样化和系列化，缩短新车开发周期，降低开发成本。 3 各轮毂转矩独立可控，响应快捷，正反转灵活，瞬时动力性能更为优越， 显著提高了适应恶劣路面条件的行驶能力。 4 容易实现轮毂的电气制动、机电复合制动和制动过程中的能量回馈，还 能对整车能源的高效利用实施最优化控制与管理，有效节约能源。 5 对轮毂电机驱动的电动汽车，若迸一步导入四轮转向技术，减小转向半 径，还可能实现零半径转向。 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， 弟章绪论 环保和安全的e 题。基于轮毅电机的全轮驱动成为电动汽车领域的热点之一， 采用该技术的试验样车也不断出现。例宴u l 划l1 14 所示为丰r 及同产所设计 的电动概念车。 本文研究内容是上海市科委项目“氢能微型汽车用轮毂电机及其驱动器的 开发”( 课题编弓：0 6 d z l 2 2 l4 ) 的内容之。本文以t 海安乃达驱动技术有限公 司和同济人学汽车学院联合研制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f u 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毂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定的现实意义。 幽1l 毕f i n e x 电动汽乍幽12 日产m 电动车 夔譬蘧 h i3 田概念1i - s w i n g幽1 4 日产p i v 0 2 电动下 12 轮毂电机的分类i 】 轮毅电机外形基本一致，太都为扁平型，但电机类型、结构形式、驱动方 式差别较大，分类方法也不尽一致，现归纳如下： 首先是电机类型。目前应用于电动轮毂的电机主要有四大类，即永磁电机、 异步电机、开关磁阻电机和横向磁通电机。这其中，永磁电机的麻用展为普遍， 而横向磁通电机则是一类极具竞争力的低速大转矩新型电机。 在结构形式上，轮毂电机可谓百花齐放。从主磁通行经路径看，它囊括了 径向磁场、轴向磁场、横向磁通全部三种基本形式。从运动方式看亦有内转 子、外转子和双转子之分。其中，双转子结构最有新意。内转子主动，外转子 第一章绪论 从动，二者通过一组行星齿轮传递动力，实现反向旋转，使磁场切割导体的速 度为内、外转子速度之和。显然，这种速度迭加以及机械联动的巧妙组合，既 给电机设计带来驰张空间，又起到了缓释负载扰动、平抑冲击负荷、有效保护 电池的作用。 轮毂电机有直接和间接两种驱动方式。直接驱动时，电机多采用外转子结 构，即转子直接带动轮毂旋转，因而转速较低。与此相对应，间接驱动时，电 机则多为内转子结构，转速较高，通过行星齿轮机构实现减速，带动轮毂旋转， 因而也称之为减速驱动。如果进一步按旋转速度分类，轮毂电机还有高速和低 速之分，但对应的转速范围并没有明确的界定，视应用对象不同而不同。通常， 仅当驱动方式确定之后，高、低速范围的界定才具有相对准确的含义，即直接 驱动一般对应于低速电机体积大，耗材多，功率密度小，噪声低，而间接驱动 则多对应于高速电机体积小，耗材少，功率密度大，噪声高。 对于目前广泛使用的永磁直流轮毂电机，按换向方式还可分为有刷和无刷 两类。有刷电机的控制器比较简单，但需要对机械换向器进行定期维护。无刷 电机可实现免维护，但控制器成本稍高，有位置传感器时，布设信号线和电源。 线会降低系统的可靠性，而采用无位置传感器方案时，起动性能和低速特性都 还有待改进。 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， 被认为是未来电动汽车发展的重要方向，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毂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( f p 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1 5 所示为 保时捷研制的轮毂电机驱动电动汽车。值得注意的是，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，最前面的机车装备发动机和发电机，后 面的1 0 辆列车利用轮毂电机驱动。 第章绪论 幽l5 保时捷研制的轮毅电机纯电动汽4 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，图1 6 为a u t o n o m y 概念车，2 0 0 5 年1 月，在北 美国际汽车展上，通用汽车携最新一代的氢燃料电池车s e q u e l 首次亮相即震撼 全场。基于此前发布的燃料电池概念车“自主魔力”( a u t o n o m y ) 和线传操控 氢燃料电池概念车h yw i r e ，s e q u e l 是通用汽车向燃料电池车商业化生产目标 所迈出的重要一步，具有里程碑的意义，充分显示了通用汽车“重新发明汽车” 的决心和实力。图l6 给出了s e q u e l 燃料电池车的底盘系统示意图，s e q u e l 的前轮驱动由一台横向安装的三相6 0 千瓦轮毂电机负责，而另外两台三相2 5 千瓦轮毂电机则负责驱动后轮，使总功率达到1 1 0 千瓦，续驶里程达到5 0 0 k m 。 2 0 0 7 年1 月，在底特律举办的北美国际汽车展上，雪佛兰v o l t 概念车揭开面 纱。雪佛兰v o l t 配各的e f 1 e x 系统架构采用了通用汽车最新的第五代燃料电 池推进技术和锂电池，其体积只有上一代的一半，但却能提供与其相当的动力 和性能。在无需燃油、零污染排放的电力驱动下，最大续驶里程可达4 8 3 公罩， 且真正实现零排放。相比较于两年前推出的雪佛兰s e q u e l 概念车( 配备的是第 四代燃料电池系统) ，雪佛兰v o l t 在保持同样续驶能力的前提下，只需配备4 公斤的氢，仅为s e q u e l 需要配备的氢重量的一半。雪佛兰v o l t 采用了通用汽 车的第三代轮毅电机技术，电机安装在后轮内侧，能为雪佛兰v o l t 的四个车轮 提供强大的扭矩。与之前的技术相比，新的轮毂电机技术不但减轻了质量，还 能产生更强大的动力。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s 一1 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 k g 的重量，却可以产生约2 5 k w 的功率。 第一章绪论 幽1 6 通刚a u t o n o m y 概念车 幽17 通川s e q u e l 透视幽 幽18 通j ；l j 雪佛兰v o l t幽19 通川雪佛兰s - 1 0 2 0 0 3 年，在北美车展上，丰田的f in es 燃料电池混台动山概念车面世。 它采用了与通用h y w l r e 相同的理念进行丌发。其不同之处在于改车为4 轮驱 动。同年在东京车展上丰田展示了f i n e n 下一代燃料电池混合动力概念车。该 车将燃料电池堆、动力控制系统和铿雷电池实现最优配置，采用内置式轮毂电 机、4 轮驱动型式。由于装备了高效燃料电池系统和高胍贮氧罐，该车一次注 氢后的续驶里程可达5 0 0 k m 。2 0 0 5 年，在东京车展上推出了f i n e x 燃料电池混 合动力新概念车，其将燃料电池电堆和7 0 0 b a r 贮氢罐置于地板下，采用轮毅电 机进行4 轮驱动。由于燃料电池使用了新型的台金催化剂，大幅度减少了贵金 属的用量，降低了成本。 图11 0a u r o r a 一体化结构 芏j图11 1 春晖二二号轮边驱动系统 澳大利亚国立科学机构c s i r 0 与悉尼科技大学共唰开发的一体化轮边驱动 第一章绪论 系统，如图1 1 0 所示，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 砌励。 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，以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 年相继推出了采 用轮边驱动系统的微型电动车“春晖”系列，如图1 1 1 所示，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6 8 觥峰值功率为l5 k e 采用风冷散热系统以及盘 式制动器，是一种典型的外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 觚0 1 0 0 k m h 加速时间8 5 s 。 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。 5 轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振 动和噪声，以及其他整车声振问题。 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是四轮驱动汽车技术的核心内容。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 毂电机以及基于轮毂电机驱动的四轮驱动电动汽车的技术发展就显得非常有意 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 6 第一章绪论 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 施加于车轮上的阻力矩，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，如要在转鼓上作制动试验，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 1 2 ) 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，其滚筒直径大( 1 5 0 0 - 2 5 0 0 脚) ，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 m m ) ，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。即，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，由安装在轮辋内表面的轮 毂电机直接驱动车轮运动，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。同时，对于基于轮 毂电机的电动汽车而言，具有电液复合制动和制动能回收等优点。所以，需要 能够设计开发能满足电动轮模块试验要求的新型试验设备。 第一章绪论 1 税集厶功耗覆收装量3 。变遵籀滚筒5 - 遵度传为嚣 e ，联箍攀7 攀丹器8 翻葫器9 - 滚篝i & 力 牵感器 图1 1 2 普通汽车转鼓试验台结构示意图 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 为因素和车辆自身情况。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研究具有实际意义。 上海安乃达驱动技术有限公司和同济大学经过几年的努力，现已设计开发 出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。 以往的方法都是完成实车试制后，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，可靠性和耐久性以及电机的制动性能最 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。 金耀军在他的论文“电动轮多功能试验台架”【5 3 】中提出了一种通过伺服电 机驱动滚珠丝杠对电动轮进行垂向加载的方法，并试制了相应试验台架，如图 1 1 3 所示，但试验台架不能对电动轮施加侧向载荷，设计中也没有引入滚筒和 转向主销，使得电动轮在台架上的安装结构与实车不符，难以在电动轮上加装 8 第一章绪论 制动盘和制动卡钳进行制动试验，州时由于台架设计高度过高、零部件刚度差 使得台架在试验中存在剧烈的振动。 图l1 3 乖向加载试验台架 冯春晟在他的论文“电动轮加载方法研究”中分析了各类加载方案，提 出了电动轮侧向加载和通过同步带传动系统降低台架设计的思路。进而对电动 轮双向加载系统作了方案设计，同时完成加载系统部分零部件的结构设计。 本文在前面工作的基础上，对电动轮双向加载系统方案进一步细化，同时 出于制动试验的需要设计了惯性模拟系统。完成试验台架中所有零部件的结构 设计和试验台架机械结构的试制、装配和调试。匹配台架进行试验所需的传感 器等各项硬件，进而设计台架测控系统和开发相应的控制程序。研发的试验台 架能模拟电动轮在整车运行时扭矩、载荷和转速变化，机械结构安装上也和整 车状态下相接近。台架能进行电动轮模块耐久性、可靠性的验证和电机性能测 试、a b s 、复合制动等一系列试验。 17 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、转矩、垂向载荷、侧向载 荷都是不断发生变化的，需要设计一个能模拟这四个参数变化的试验台架，并 且这四个参数都是可控的。而对于制动试验而言，试验台架需要模拟车辆制动 时具有的惯量。因此，本试验台架将分成：垂向力加载系统、侧向力加载系统、 第一章绪论 惯性模拟系统和电动轮模块四大部分。 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，转矩变化和车速变化的情况，根 据电动轮模块的结构设计一个能模拟单轮在整车运动过程中转速、转矩、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，车速谱和转矩 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、电机性能试验等。同时设计惯性模拟系统，使电动轮在台架上的制动 情况符合真实路面制动情况，进行电动轮模块制动方面的试验研究。 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、转矩、载荷的变化，并能模拟电动轮制动情况。论文的研究成果 将有助于轮毂电机驱动汽车的性能提高，设计开发周期的缩短和产品性能的完 善，有利于促进四轮驱动电动汽车的产业化发展。 论文共分六章，主要研究内容如下： 第一章是绪论。介绍了论文背景并对基于轮毂电机的电动轮模块的特点和 结构进行了阐述。指出了对电动轮模块进行性能试验和可靠性试验的重要性； 进而进行现有转鼓试验台对电动轮模块的适用性分析，指出现有转鼓台架的局 限性。明确本论文的设计目标和课题意义。 第二章阐述试验台架设计原理，需要模拟电动轮模块在实际路面上的行驶 情况，进而对汽车在运行工况下车轮转速、扭矩、载荷变化的情况做了分析比 较，提出了试验台架的设计方法和功能，并根据a b s 试验的需要对台架功能提 出了改进要求。 第三章主要根据台架试验功能要求对双向加载部分和惯性模拟部分进行结 构设计，首先总体阐述台架设计思路，分析了垂向和侧向加载中载荷的确定， 进而对台架双向加载设计中的运动协调、台架轮廓、台架底座进行了论述。针 对台架的惯性模拟部分，分别论述了滚筒、滚筒轴和支承装置、飞轮、飞轮轴 1 0 第一章绪论 和支承装置以及一系列组件的选用。 第四章主要对试验台架的测控系统进行详细论述。根据试验台架的功能要 求对传感器等各项硬件进行了选型，以及对力传感器输出信号的放大电路作了 相关设计和分析。并阐述了试验台架测控系统的四大组成部分，分别为垂向加 载伺服电机的控制、侧向加载电动推杆的控制、电动轮模块的控制和制动模块 的控制，进而开发试验台架控制程序。 第五章主要为台架试验验证，通过试验发现不足对台架进行及时的改良， 同时验证台架设计是否达到预期的功能和效果。 第六章对全文进行总结，提出了论文研究成果，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 计算机辅助设计是本文进行电动轮试验台架系统结构设计的基木手段，也 是进行结构强度分析校核的基础。本文主要依靠u g 软件进行各系统结构的三维 模型设计，然后利用虚拟装配技术对各系统结构进行总体装配、并结构干涉检 查和质量估算等。 第二章电动轮试验台架原理及功能 第二章电动轮试验台架原理及功能 2 1 试验台架设计原理分析 电动轮模块作为电动汽车中的关键驱动部件，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试验验 证的快速有效的方法。以往的方法都是完成实车试制后，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，电动轮性能最好 在整车项目开始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：电机性能测试，电机耐久性试验， a b s 试验，复合制动试验等。 试验台架的设计要确保电动轮模块在试验台架的安装与运动与实际工况尽 量接近，这样才能保证台架试验研究的有效性。因此，首先需要对汽车在实际 行驶过程中，车轮所受载荷、扭矩和转速的变化情况进行分析。 2 1 1 实际工况下车轮受力分槲1 0 】【l l 】 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e 、滚动阻力只、坡道阻力 e 、空气阻力e ，和汽车的惯性力f 。在水平方向的受力平衡方程式为 = 吒+ 乃+ e + f w ( 2 1 ) e 为汽车重心指向前方的惯性力；e = l 。+ 厶： 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， e = 0 ，r 0 ，耳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：f j = - - 瓦。说明汽车在这种条件- f n 动时，车轮产生的地面制动力民，、l 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为 jzx = o = f x b l + 2 一f j = o 【】，= o j 疋l + f z 2 - g = o ( 2 2 ) 第二章电动轮试验台架原理及功能 j 一 6 r l 厂、扎八l l 凡。u 一玉 一l 凡 r 。t a 一 一 易：二l 图2 1 汽下路上行驶制动受力图 j 耻华 le 2 = t a g - f b h g ( 2 3 ) 式中为汽车轮距；g 为汽车总重力；h 。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。 9 a _ l ：式可知，在路面条件保持不变的情况下，c 。随e 的增大而增大，z ： 随e 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 同理汽车在起动或者加速时，设加速牵引力为c 、滚动阻力一、坡道_ n z o f 、空气阻力l 和汽车的惯性力f 。在水平方向的受力平衡方程式为 f o = f i + fr + f i 七f w 她 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， 曩= 0 ，e 0 ，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：f o = f j 。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 。、l ：全部用于克服 汽车惯性力。 水平及垂直方向受力平衡方程： jex = 0 j f x , , l + 2 一f j = o 【】，= o j t l + 疋2 - g = 0 ( 2 5 ) 地面对前后轮的法向作用力c 。，e ： 第二章电动轮试验台架原理及功能 ( 2 6 ) 式中为汽车轮距；g 为汽车总重力；h 。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e 的增大而减小，e ： 随只的增大而增大，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j 下常的工作状态下，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) ，m 。为车厢质 量。工字型车架由前、后铰链连接于侧倾轴线m 。m 。，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只，按其质心所在的位置分配到前、后悬架的侧倾中 心聊。及m 舵上，并由前、后铰链处的侧向反作用力尽。，c ：，所平衡，即 c ，= c l ，+ f s 2 y ( 2 7 ) b f s 、y = f 咿专 l f s 2 y = f s ya - - t l j l ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( ，为侧倾角，m 昕为侧倾力矩，x k 铆为悬架总的角刚度) 前后悬架作用于车厢的恢复力矩为： l = k 昕l ，t r 2 = k 铆2 ， ( 2 1 0 ) ( 式中，瓦，。、t o t ：为前、后悬架的侧倾角刚度。) 1 4 呈 一 五一 _ 一 半学 g 一 心一 竺竺 一一 i l i 2 疋 t 厂j、l 第二章电动轮试验台架原理及功能 毛m 弋一 图2 2 左右车轮乖直载荷重新分配时，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 峨声，= 矗譬”。+ 峨2 1 8 2 = 名 l ：+ ：+ 冗：，k f z 2 ，= 一f z 2 。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中，蚬l ，、峨。，、峨：，、峨：，为前、后轴左、右车轮垂直反力的变 动量；e ，、e ：，为前、后轴非悬挂质量朋。、m 。：产生的离心力，在匀速圆周 行驶时分别等于m 。譬及聊。：譬；h u l 、九：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 、h 2 为前、后侧倾中心高度。 第二章电动轮试验台架原理及功能 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，即 ( 1 ，= t 1 ，+ 蚯l ，( 1 ，= 疋l ，+ 幔l ， ( 2 1 5 ) c 2 ，= t 2 ，+ 幔2 ，( 2 ，= c 2 ，+ 峨2 ， ( 2 1 6 ) 式中， ”( ”( ：，、 ：，为侧倾后，前、后轴左、右车轮的地面垂直 反作用力；t ，、c 。，、c ：，、_ 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 止时仅施加垂直载荷，轮胎接地处变形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 所示) ，f ，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2 3 中轮胎 上标记的a i , 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) 夹角为口， 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口角的方向行驶，万为 车轮转角，也就是由方向盘输入可以决定的，口为侧偏角，可以看出实际轮子 前进的方向并非是与原方向成万角，而是红色箭头所指的，沿侧偏角所确定的 方向行驶。 1 6 第二章电动轮试验台架原理及功能 2 亡 采 毫 腰 r u f ， 原行驶方向 幽2 3 轮胎晌侧偏现象和侧偏角 佣犏舟口，r ) 酗2 , 4 轮胎的侧偏特性 崩24 给出了侧偏力和侧偏角的曲线曲线表明，倒偏角小超过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04 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 1 5 车速和转矩的变化 汽车功率与发动机转速为正比关系，它反映了汽车在定时自j 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。在功宰固定的条件下，发动机转矩与发动 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，即转速越快转矩 越小，反之越大。尤其在汽车起动或在山路行驶时，转甜蔓越大汽车运行的反应 能力则越好。与同类型汽车相比较。转矩输出越大，汽车承载量也越大，加速 性能好。爬坡靛力强，换档次数少，对汽车的磨损则相对减少。在汽车起动时， 磊 轴舻 舯 洲 栅 洲 舢 m 。 第二章电动轮试验台架原理及功能 更显示出转矩大，提升速度就快的优越性。由此可见在汽车运行过程中，汽车 的输出转矩会不断发生变化。 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。 袖 釉 辅 麓伸 、铂 凇 瓣麴 l 移 移 图2 5 中国典型城市丁况下速循环 2 2 试验台架设计方法与功能 电动轮模块试验台架能模拟电动轮在实际工况下的转速，转矩、垂向载荷 及侧向载荷的变化，并且具有和整车惯量相匹配的惯性模拟装置，因此能进行 多项电动轮模块相关的试验，首先在对比传统加载方法与执行结构和惯性模拟 方法的基础上，确定台架双向加载方案和惯性模拟设计方案，进而对试验台架 的功能分别进行分析。 2 2 1 传统加载方法与加载执行机构 根据加载动力源可分为液压加载，气动加载电动加载及配重加载等。液压机 构是以液压油为动力源来完成预定运动要求和实现各种机构功能的机构，液压加 载有传动平稳承载能力大等优点。气动机构是以压缩空气为工作介质来传递动力 和控制信号的机构。电动加载是以电能为动力的加载。配重加载是通过配重物来 施加载荷的一种加载方法。 根据加载执行机构的不同，大致可以分为以下几类。 1 连杆机构 通过连杆机构运动在电动轮上施加载荷，例如曲柄滑块机构以及曲柄摇杆 机构等，如果使用悬架导向机构作为执行机构，还可以在测试时考虑车轮定位 参数等的影响。不足之处在于连杆机构的位移多为非线性，可能造成运动精度 不高，控制复杂等问题。 2 螺旋传动机构 1 8 第二章电动轮试验台架原理及功能 通过螺旋运动在电动轮上施加载荷，可以实现旋转运动与直线运动的转换。 按摩擦性质可分为滑动摩擦螺旋、滚动摩擦螺旋、静压螺旋。具有传动比大、精 度高、滑动螺旋能够实现自锁等优点。 3 齿轮传动机构 通过齿轮机构传递动力，可以模拟转矩、转角等参数。常见的有转鼓试验 台底部连接飞轮与转鼓的减速器机构，电动轮转向机构等。具有效率高、传动 比准确、寿命长等优点。 2 2 2 试验台架加载分析 对电动轮施加与路面相同的垂向和侧向载荷以模拟电动轮模块在路面行驶 的真实受载情况。双向加载是本试验台架的研究重点。 2 2 2 1 垂向载荷模拟 施加垂向载荷是为了模拟电动轮在路面行驶时的上下跳动，试验检查电机 内部元件是否可以在有振动冲击的情况下长期稳定工作，并且配合制动系统进 行a b s 试验，复合制动试验等一系列试验，考虑到试验室位于七楼，用液压对 电动轮模拟进行加载难以实现，选定电动加载的方法对电动轮模块进行加载。 动力源为伺服电机，加载执行机构丝杠螺母将伺服电机的旋转运动转化为直线 运动，进而通过一系列的导向和支承结构将直线运动传递给电动轮模块，以模 拟电动轮在实际路面行驶时的上下跳动。 2 2 2 2 侧向载荷模拟 施加侧向载荷是为了检验电动轮在转向时点及内部元件能否长期稳定工 作，同时进行相关的防侧滑试验。侧向力可以大致通过一下方式获得。 1 直接施加法 通过直接在电动轮或模拟地面上施加侧向力或者侧向位移，从而在电动轮 上产生反作用的侧向力，具有便于测量及控制侧向力大小的优点。 2 转向生成法 如前所述，当车轮转动方向与汽车行驶方向存在一定角度，即侧偏角时， 轮胎与地面之间便会产生相应的侧偏力及回正力矩。因此可以