純電商用車平順性和道路友好性研究

徐鄧輝, 扈建龍, 楊朝會, 劉宗強, 劉本友, 張鐵柱, 張洪信

(1. 青島大學機電工程學院, 山東 青島 266071; 2. 青島青特集團有限公司, 山東 青島 266041)

隨著國家“雙碳”戰略、國六排放法規、三階段燃油限值等政策法規的全面實施,燃油消耗量大或環境污染嚴重的商用車行業面臨嚴峻的節能減排壓力,商用車的新能源化是解決上述問題的有效技術途徑之一,純電動商用車已成為新能源商用車的主流。集成電驅動橋結構緊湊,傳動效率高,便于動力電池包的布置,成為純電動商用動力傳動技術的發展趨勢,但其電動集成驅動裝置集成在驅動橋上,增加了車輛的非簧載質量,影響汽車的平順性和汽車對道路的友好性[1-3]。近年來,車輛平順性的研究成果很多,但考慮純電動商用車平順性的較少。WANG G Y等人[4]使用Adams/Car建立了混合動力重型卡車的整車模型,在不同車速的脈沖道路和B級隨機道路上進行仿真,分析在脈沖路面行駛時不會影響駕駛員的健康,而在B級隨機路面以30 km/h行駛時,駕乘人員舒適性差;L.V.QUYNH[5]建立14自由度的車輛-路面模型,分析不同工況對輪胎動載荷、動載荷系數和路面友好度的影響,證明路面平整度和車輛載荷對輪胎動載荷系數和路面友好性的影響;李杰等人[6]采用Matlab/Simulink建立了4自由度輪轂電機電動汽車平順性仿真模型,通過分析車身垂向加速度、懸架動行程及相對動載等評價指標,說明電機偏心對輪轂電機電動汽車振動性能有影響;楊明等人[7]建立了某汽車電動輪的Simulink模型,在B級隨機路面輸入下,在時域和頻域上分析非簧載質量的增加對汽車的影響,結果表明非簧載質量的增加,導致輪胎動載荷和車身垂向加速度增加。商用車荷載是道路損傷的主要來源,但已有的研究成果主要限于傳統汽車,魏志強[8]提出了重型卡車的非線性動力學模型,評估勻速行駛狀態下重型卡車平順性和道路友好性;張洪信等人[9]在“四次冪定律”的基礎上,提出一種車輛損傷路面的全概率評價方法,能夠較好地反映車輛對整個路面的損傷,可作為評價車輛損傷路面的依據;劉大維等人[10]創建了三維隨機路面激勵下的重型車輛動力學模型,探究在三維空間域路面激勵下的道路友好性。因此,本文基于Adams/Car軟件建立集成電驅橋電動商用車的整車模型,研究車速、路面等級及非簧載質量的增加對車輛行駛平順性和道路損傷的影響規律。該研究為商用車電驅動系統設計、車輛懸架系統匹配及優化設計提供了參考。

1 路面-車輛系統動力學模型

1.1 路面模型

純電動商用車多用于城際貨物運輸或市內物流配送等,行駛路面較為復雜,根據GB/T7031的規定,以隨機路面作為系統輸入,路譜表達式采用正弦波疊加法,生成隨機道路頻譜[11-12]。當汽車以一定車速駛過空間頻率路面時,路面激勵的時間頻率為

f=vn

(1)

式中,f一般在f1=0.5 Hz,f2=80 Hz取值;v為車速,km/h;n為空間頻率。

時間頻率內的路面位移譜密度為

(2)

式中,Gq(n0)為空間頻率的路面位移譜密度;n0=0.1m-1為參考空間頻率。

將時間頻率區間劃分為多個區間,用每個小區間中間頻率對應的功率譜密度作為該區間的功率譜密度,則第i個小區間的功率譜為

Pi=Gq(fmid_i)Δfi,i=1,2,…m

(3)

式中,Δfi為頻率間隔;fmid_i為第i個小區間的中間頻率。

由功率譜與幅值譜的關系,得到每個小區間所對應的不平度幅值為

(4)

浮盤是內浮頂儲罐的核心部件，在儲罐運行中時而會出現浮盤側傾或浮盤整體沉沒于所儲物料液面之下，即沉船(行業俗稱)。內浮頂儲罐出現側傾或沉船，一般可以通過人工檢尺核對儲罐液位時能夠從檢尺孔直觀看到罐內物料，檢尺所用油尺尺錘、尺帶進入儲罐時所觸及的障礙物、尺帶變化、尺錘觸底聲音都會有異常變化或不同手感。若以儲罐設計參照液位高度為參照，人工所測液位高度與儀表探測液位在數值上會有很大差值。儲罐在接收物料時，罐內會發出明顯的液體撞擊聲響，與此同時罐體周圍、頂部油氣濃度也會增大，可燃、有毒檢測報警系統也會發出報警。通過這些現象可以判斷內浮頂儲罐浮盤側翻、沉船等情形發生。

(5)

式中,x為汽車行駛的位移;θi為[0,2π]之間服從正態分布的隨機數。

基于隨機諧波疊加算法,使用Matlab軟件建立A、B、C級隨機路面,其中A級路面代表光滑的瀝青路面,B級路面代表粗糙的瀝青路面,C級路面代表水泥混凝土路面。導入Adams/Car軟件中,對集成式純電動商用車進行仿真研究[13]。隨機路面不平度曲線如圖1所示。

圖1 隨機路面不平度曲線

由圖1可以看出,隨著路面等級的增加,路面不平度最大值及最小值都有所增加,其中A級路面路面不平度范圍為-0.02～0.025 m、B級路面路面不平度范圍為-0.04～0.045 m、C級路面路面不平度范圍為-0.07～0.078 m。

1.2 整車模型

在Adams/Car中建立車輛動力學模型時,需要對車輛進行簡化,去除副駕駛座椅、電器元件等零部件。集成電驅動橋純電商用車與傳統汽車不同,動力系統發生了變化,省去傳統汽車上的發動機,換成電機、控制器及減速器等機構,全部集成在車橋上[14]。針對目標車輛模型的相關結構,結合局部硬點,建立各部件的幾何形狀。根據各部件之間的關系,在模型的相應位置添加幾何約束,建立各個子系統。利用Adams/Car通信器將不同的子系統連接,建立目標車輛模型,并輸入所需參數,對車輛進行仿真。共建立了9個子系統,包括前懸架、后懸架、轉向、駕駛室、車架、前輪、中輪、后輪、動力。本文建立純電動商用車部分子系統和整車虛擬樣機模型,車輛模型主要參數如表1所示,整車模型及部分子系統模型如圖2所示。

表1 車輛模型主要參數

圖2 整車模型及部分子系統模型

2 整車平順性分析

汽車平順性是評價車輛在行駛過程中產生的振動和沖擊對乘員舒適性和貨物完好性的影響,平順性過差,會影響車輛零部件的性能,它是評價車輛的主要性能之一,評價指標為輪胎動載荷和車身振動加速度等[15-17]。根據國標GB/T4970—2009,在進行電動汽車平順性試驗分析時,采用的車速通常為40,50,60,70,80,90 km/h;商用車電動集成驅動裝置質量為350～500 kg;試驗路面等級為A級、B級、C級,計算得到駕駛員、駕駛室質心和車架質心處的垂向加速度功率譜密度。

2.1 車速的影響

通過3次對比試驗,分別得出速度、路面等級和電動集成驅動裝置質量對汽車平順性的影響。選取B級路面,電動集成驅動裝置質量400 kg,車速范圍為40～90 km/h,在不同車速下,分析各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率的變化情況,各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率變化曲線如圖3所示。

圖3 各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率變化曲線

由圖3可以看出,駕駛員、駕駛室質心和車架質心處的垂向加速度功率譜密度隨車速的增加,呈增加的趨勢,在時間頻率為2.5 Hz之后,功率譜密度增長速度加快,峰值均出現在2.5～4.5 Hz;當車速為90 km/h,頻率為4.6 Hz左右時,垂向加速度功率譜密度劇增,因此要避免車輛長時間行駛在此范圍內,以減小車架振動對人體、車輛及貨物的影響。當車速為90 km/h時,駕駛員和駕駛室垂向加速度功率譜密度較車架質心處低,駕駛室懸置起到一定作用。

2.2 路面等級的影響

選取車速為60 km/h,電動集成驅動裝置質量為400 kg,路面等級分別為A、B、C級,在不同路面等級下,各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率變化曲線如圖4所示。

圖4 各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率變化曲線

由圖4可以看出,各點的垂向加速度功率譜密度隨路面等級的增加而增加,在C級路面行駛時,垂向加速度功率譜密度比B級路面增大80%;在B級路面行駛時,比A級路面增大75%,說明汽車平順性隨路面等級的增加大幅下降。

2.3 電動集成驅動裝置質量的影響

選取車速為60 km/h,路面等級為B級,電動集成驅動裝置質量范圍為350～500 kg,在不同電動集成驅動裝置質量下,各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率變化曲線如圖5所示。

圖5 各點垂向加速度功率譜密度隨時間頻率變化曲線

由圖5可以看出,各點垂向加速度功率譜密度隨電動集成驅動裝置質量的增加變化不大,說明質量變化對各點的垂向加速度功率譜密度影響較小。

3 道路友好性分析

道路友好性是指車輛在不平路面行駛時,評價輪胎載荷引起道路損傷程度的指標。輪胎在路面上運行時,輪胎動載荷所導致的路面損傷程度[18-19],用動載荷系數(dynamic load coefficient,DLC)表示車輪動載對道路破壞的能力,即

DLC=σ/P0

(6)

式中,σ為輪胎動載荷的標準差;P0為輪胎的靜載。

由道路友好性的動載荷系數定義可知,道路友好性與平順性的輪胎動載荷呈線性關系,即車速、路面等級、電動集成驅動裝置對平順性的影響與道路友好性一致[20]。

3.1 車速的影響

選取B級路面,電動集成驅動裝置質量為400 kg,車速范圍為40～90 km/h,在不同車速下,各點輪胎力隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 各點輪胎力隨時間變化曲線

由圖6可以看出,隨著車速的增加,前輪輪胎力明顯增加,與40 km/h行駛時相比,當汽車以90 km/h行駛時,輪胎力增加300 N左右;而汽車中輪和后輪的輪胎力隨車速增加,浮動較小,但最大輪胎力有所增加,說明輪胎對路面的損傷隨著車速的增大而增大。

3.2 路面等級的影響

選取車速為60 km/h,電動集成驅動裝置質量為400 kg,路面等級分別為A、B、C級,在不同路面條件下,分析各點輪胎力隨時間的變化情況,各點輪胎力隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出,隨著路面等級的提高,前輪、中輪、后輪的輪胎力的峰值顯著的增加,就峰值而言,B級路面比A級路面增幅1.34%,C級路面比B級路面增幅2.61%,車輪受到的最大輪胎力增大,說明汽車對道路的損傷增大,道路友好性變差;汽車在C級路面行駛時,最大輪胎力與最小輪胎力相差750 N左右,在B級路面行駛時,最大輪胎力與最小輪胎力相差350 N左右,在A級路面行駛時,最大輪胎力與最小輪胎力相差150 N左右,最大與最小輪胎力相差越大,說明駕駛員受力區間越大,汽車平順性也越差。

圖7 各點輪胎力隨時間變化曲線

3.3 電動集成驅動裝置質量的影響

選取車速為60 km/h,B級路面,電動集成驅動裝置質量為350～500 kg,在不同電動集成驅動裝置質量下,各點輪胎力隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8 各點輪胎力隨時間變化曲線

由圖8可以看出,當電動集成驅動裝置質量為350 kg,前、中、后輪的輪胎力峰值為21 500,8 350,6 680 N;電動集成驅動裝置質量為500 kg時,前、中、后輪的輪胎力峰值為21 690,8 480,6 840 N,分別增長0.88%,1.53%,2.33%左右。隨著電動集成驅動裝置質量的增加,前、中、后輪所受的輪胎力增大,說明隨著電動集成驅動裝置質量的增加,平順性和道路友好性都有所降低。

分析3組對比實驗可知,中輪所受的輪胎力要高于后輪所受的輪胎力,增幅19.3%左右,這是因為將電動集成驅動裝置安裝在中橋的緣故,增加了中橋的非簧載質量,由此可以看出,非簧載質量對汽車平順性和道路友好性存在明顯的影響。前、中、后輪所受的輪胎力隨著車速、路面等級、電動集成驅動裝置質量的增加而增大,說明汽車平順性和道路友好性都變差。尤其是電動集成驅動裝置質量的增加對輪胎力的影響最明顯,質量每增加50 kg,輪胎力增加1.16%左右。

4 結束語

本文基于Adams/Car軟件建立了純電商用車的虛擬樣機模型,進行平順性和道路友好性的仿真,提取后處理模塊中垂向加速度功率譜密度和輪胎力,分析車速、路面等級、電動集成驅動裝置質量增加對平順性和道路友好性的影響。研究結果表明,隨著車速的增加,汽車的平順性和道路友好有所降低,其中對平順性影響更明顯;隨著路面等級的增加,汽車的平順性和道路友好性有所降低,在C級路面行駛時,駕駛員、駕駛室質心和車架質心處的垂向加速度急劇增加,因此要避免在C級路面上長時間行駛;隨著電動集成驅動裝置質量的增加,垂向加速度功率譜密度和輪胎力都有所增加,其中輪胎力增加最明顯,電動集成驅動裝置質量每增加50 kg,輪胎力增加1.16%左右,非簧載質量的增加對汽車平順性和道路友好性的具體影響規律。該研究為后續集成式純電動商用車輕量化設計和優化奠定了基礎。