CN102139638B - 减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构及方法 - Google Patents

减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构，弹性橡胶铰支承于车架，单横臂悬架摆臂的一端与弹性橡胶铰连接，另一端与电机连接，电机固装于减速箱体上，减速箱体与半轴套管连接，电机动力输出端与小齿轮连接，小齿轮又与大齿轮啮合，大齿轮与半轴套管联接，经齿轮减速后，由半轴将动力输出至轮辋，以驱动车轮。减小与车轮非同心零部件的质心到单横臂悬架摆动中心轴线的距离，即减小了等效簧下质量。本发明的优点是减小轮边驱动系统的等效簧下质量使车轮振动频率提高，减少共振，减少来自路面的冲击和振动，改善汽车行驶的平顺性。

Description

减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构及方法
技术领域
    本发明涉及一种电动汽车底盘与传动领域，特别涉及一种减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构及方法。
背景技术
汽车簧下质量（非簧载质量）的大小影响着汽车行驶安全性、平顺性。目前，以电动轮为代表的轮边电驱动系统由于其驱动系统和整车结构简洁、传动效率高，各驱动轮转矩可独立控制，有利于提高恶劣路面条件下的行驶性能而成为研究热点。但由于电机安装于驱动轮内，将增大汽车簧下质量。
以往在计算汽车簧下质量时，直接将轮内所有部件的自身质量当做簧下质量。但其实这是有偏差的，且根据悬架的形式不同，其产生的偏差也将不一样。特别是在使用轮边驱动的电动汽车中，由于轮边电机质量较大，其相对于悬架的不同布置方式对汽车振动产生的影响也将有较大的不同。即，对汽车振动真正产生影响的是等效簧下质量。
轮边电驱动系统质量分布对汽车悬架系统所产生的等效簧下质量效应,并不是将轮边电驱动系统自身质量简单叠加即可，而是应考虑轮边电驱动系统质量相对于悬架的分布形式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种减小簧下质量，减少共振的减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构及方法。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构，所述单横臂悬架轮边电驱动系统包括车架、弹性橡胶铰、单横臂悬架摆臂、减速箱体、小齿轮、制动钳、制动盘、轮毂轴承、半轴、轮毂、轮辋、电机、大齿轮、半轴套管，其中弹性橡胶铰、单横臂悬架摆臂、减速箱体、半轴套管和电机固定安装于一起，轮毂、轮辋、轮毂轴承、半轴、半轴套管及制动盘是与车轮同心的零部件，减速箱体、小齿轮、制动钳、电机及大齿轮是与车轮非同心的零部件；所述弹性橡胶铰支承于车架，单横臂悬架摆臂的一端与弹性橡胶铰连接，另一端与电机连接，电机固装于减速箱体上，减速箱体与半轴套管连接，减速箱体内设有动力输入端和动力输出端，电机动力输出端与小齿轮连接，小齿轮又与大齿轮啮合，大齿轮与半轴套管联接，经齿轮减速后，由半轴将动力输出至轮辋，以驱动车轮。
将轮边电驱动系统安装在单横臂悬架上，且绕单横臂摆动中心摆动。
传统车身与车架二自由度系统振动模型，包括车身质量m2、车轮质量m1、悬架刚度K、减振器阻尼系数C、轮胎刚度Kt、输入路面不平度函数q。选择车轮和车身垂直坐标z1、z2为广义坐标，得到系统的运动微分方程为：
Figure 842192DEST_PATH_IMAGE001
考虑悬架及车轮组件实际质心位置影响的二自由度系统振动模型，m1为悬架及车轮组件质量，假设悬架及车轮组件实际质心位置到摆臂与车身的铰点长度为L1，摆臂总长为L，摆臂末端与车身铰接处随车身一起上下跳动，
Figure 188860DEST_PATH_IMAGE002
为相对于初始静平衡位置
Figure 145927DEST_PATH_IMAGE003
的转角，J1为悬架纵臂及轮边电驱动系统绕经过自身质心且平行于摆臂中心轴线的转动惯量。假设
Figure 173926DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 355508DEST_PATH_IMAGE005
为静平衡情况下上下弹簧的初始变形。
引入惯性力系，转化为静力学问题。
分析摆臂力矩平衡，得：
Figure 873077DEST_PATH_IMAGE006
        (1)
式中：
Figure 772900DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 152060DEST_PATH_IMAGE008
。
Figure 188149DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 814303DEST_PATH_IMAGE010
分析
Figure 998159DEST_PATH_IMAGE011
受力得：
                                                 (2)
其中
另根据初始静平衡情况下有：
Figure 134240DEST_PATH_IMAGE014
此外，三个坐标之间的关系为：
Figure 743075DEST_PATH_IMAGE015
                                      (3)
当较小时，有
Figure 723987DEST_PATH_IMAGE016
从而（1）、（2）、(3)式可简化成：
Figure 691943DEST_PATH_IMAGE017
对（6）式求导，得：
Figure 601124DEST_PATH_IMAGE018
                                                 (7)
Figure 312728DEST_PATH_IMAGE019
                                                 (8)
将（8）式代入（4）式，消去
Figure 443495DEST_PATH_IMAGE020
，将（4）式代入（5）式消去可得方程组：
Figure 962518DEST_PATH_IMAGE022
   
其中，
Figure 477813DEST_PATH_IMAGE023
；
比较传统二自由度系统振动模型的方程组，可以得到：等效簧下质量 
Figure 273206DEST_PATH_IMAGE024
。同时，会使得车轮垂向刚度等效为
Figure 582965DEST_PATH_IMAGE025
。
因
Figure 450427DEST_PATH_IMAGE026
一般远小于
Figure 503834DEST_PATH_IMAGE027
，且
Figure 343614DEST_PATH_IMAGE028
不大，故
Figure 637323DEST_PATH_IMAGE029
很小，故
Figure 195343DEST_PATH_IMAGE030
。
由以上分析可见，模型可视为仅是等效簧下质量发生了变化，即
Figure 786861DEST_PATH_IMAGE031
。可见减小等效簧下质量与L1和L有一定的关系。当单横臂悬架摆动中心轴线至车轮中心长度L一定时，系统质心到悬架摆动中心轴线之间的距离大小是决定等效簧下质量大小的主要因素。这里L1是车轮及悬架组件的质心到单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离，因此该质心位置影响着L1的大小。
当然，这一等效公式可以用于单个零件产生的等效簧下质量的计算，既每个零部件的等效簧下质量可视为
Figure 809044DEST_PATH_IMAGE032
，对于每个零件而言，其
Figure 460605DEST_PATH_IMAGE033
较小，因此每个零件的等效簧下质量视为
Figure 240342DEST_PATH_IMAGE034
。其中Li为编号为i（i=2,3,…,14）的零件质心到单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离。将零件分别计算时，同样当各个零件的质心位置到单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离越小，其产生的等效簧下质量也就越小。
根据此公式，将等效簧下质量分成两部分，第一部分包括轮辋、轮毂等与车轮同心的零部件，是不可变的，其产生的等效簧下质量无法改变；第二部分由相对于单横臂悬架摆动中心轴线距离可变的零部件产生，该等效簧下质量与自身质量成正比，该比例为其质心到悬架摆动中心轴线距离比上车轮中心到悬架摆动中心轴线距离的平方，其产生的等效簧下质量随它们质心相对于单横臂的距离不同而不同，合理布置相对于单横臂摆动中心距离可变的零部件，减小这些零部件质心到单横臂悬架摆动中心轴线的距离，可减小等效簧下质量。
本发明的优越功效在于：
1）减小簧下质量使车轮振动频率提高，可以减少共振，减少来自路面的冲击和振动，提高乘员舒适性，改善汽车的行驶平顺性，提高零部件的使用寿命；
2）减小簧下质量还可以得到更好的悬吊动态反应以及提高车轮的接地性能，增加汽车的行驶安全性。
附图说明
图1为本发明采用单横臂悬架的结构示意图；
图2为传统车身与车架二自由度系统振动模型图；
图3为考虑悬架及车轮组件实际质心位置影响的二自由度系统振动模型图；
图4为摆臂受力图；
图5为m2受力分析图；
图中标号说明
1—车架；                            2—弹性橡胶铰；
3—单横臂悬架摆臂；                  4—减速箱体；
5—小齿轮；                          6—制动钳；
7—制动盘；                          8—轮毂轴承；
9—半轴；                            10—轮毂；
12—电机；                           13—大齿轮；
14—半轴套管。
具体实施方式
请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构，所述单横臂悬架轮边电驱动系统包括车架1、弹性橡胶铰2、单横臂悬架摆臂3、减速箱体4、小齿轮5、制动钳6、制动盘7、轮毂轴承8、半轴9、轮毂10、轮辋11、电机12、大齿轮13、半轴套管14，其中弹性橡胶铰2、单横臂悬架摆臂3、减速箱体4、半轴套管14和电机12固定安装于一起，轮毂10、轮辋11、轮毂轴承8、半轴9、半轴套管14及制动盘7是与车轮同心的零部件，减速箱体4、小齿轮5、制动钳6、电机12及大齿轮13是与车轮非同心的零部件；所述弹性橡胶铰2支承于车架1，单横臂悬架摆臂3的一端与弹性橡胶铰2连接，另一端与电机12连接，电机12固装于减速箱体4上，减速箱体4与半轴套管14连接，减速箱体4内设有动力输入端和动力输出端，电机12动力输出端与小齿轮5连接，小齿轮5又与大齿轮13啮合，大齿轮13与半轴套管14联接，轮毂轴承8支撑于半轴套管14与轮毂10之间，轮毂10固定连接轮辋11，经齿轮减速后，由半轴9将动力输出至轮辋11，以驱动车轮。制动盘7与轮辋11、轮毂10安装在一起，并一起随车轮旋转，制动钳6则通过制动钳安装板固定于半轴套管14上。
将轮边电驱动系统安装在单横臂悬架上，且绕单横臂摆动中心摆动。
如图2所示，传统车身与车架二自由度系统振动模型，包括车身质量m2、车轮质量m1、悬架刚度K、减振器阻尼系数C、轮胎刚度Kt、输入路面不平度函数q。选择车轮和车身垂直坐标z1、z2为广义坐标，得到系统的运动微分方程为：
Figure 448601DEST_PATH_IMAGE001
如图3所示，考虑悬架及车轮组件实际质心位置影响的二自由度系统振动模型，m1为悬架及车轮组件质量，假设悬架及车轮组件实际质心位置到摆臂与车身的铰点长度为L1，摆臂总长为L，摆臂末端与车身铰接处随车身一起上下跳动，
Figure 262973DEST_PATH_IMAGE002
为相对于初始静平衡位置
Figure 147753DEST_PATH_IMAGE003
的转角，J1为悬架纵臂及轮边电驱动系统绕经过自身质心且平行于摆臂中心轴线的转动惯量。假设
Figure 414786DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 613686DEST_PATH_IMAGE005
为静平衡情况下上下弹簧的初始变形。
引入惯性力系，转化为静力学问题。
如图4所示，分析摆臂力矩平衡，得：
Figure 95614DEST_PATH_IMAGE006
        (1)
式中：
Figure 88978DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 843307DEST_PATH_IMAGE008
。
Figure 908215DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 431601DEST_PATH_IMAGE010
如图5所示，分析
Figure 595866DEST_PATH_IMAGE011
受力得：
Figure 647611DEST_PATH_IMAGE012
                                                 (2)
其中
Figure 188313DEST_PATH_IMAGE013
另根据初始静平衡情况下有：
Figure 566205DEST_PATH_IMAGE014
此外，三个坐标之间的关系为：
Figure 229268DEST_PATH_IMAGE015
                                      (3)
当
Figure 692610DEST_PATH_IMAGE002
较小时，有
Figure 37004DEST_PATH_IMAGE016
从而（1）、（2）、(3)式可简化成：
Figure 269402DEST_PATH_IMAGE017
对（6）式求导，得：
Figure 854098DEST_PATH_IMAGE018
                                                 (7)
Figure 804737DEST_PATH_IMAGE019
                                                 (8)
将（8）式代入（4）式，消去，将（4）式代入（5）式消去可得方程组：
Figure 44591DEST_PATH_IMAGE022
   
其中，
Figure 482526DEST_PATH_IMAGE023
；
比较传统二自由度系统振动模型的方程组，可以得到：等效簧下质量 
Figure 981771DEST_PATH_IMAGE024
。同时，会使得车轮垂向刚度等效为
Figure 188762DEST_PATH_IMAGE025
。
因
Figure 302211DEST_PATH_IMAGE026
一般远小于
Figure 289759DEST_PATH_IMAGE027
，且
Figure 514067DEST_PATH_IMAGE028
不大，故
Figure 841143DEST_PATH_IMAGE029
很小，故
Figure 672964DEST_PATH_IMAGE030
。
由以上分析可见，模型可视为仅是等效簧下质量发生了变化，即。可见减小等效簧下质量与L1和L有一定的关系。当单横臂悬架摆动中心轴线至车轮中心长度L一定时，系统质心到悬架摆动中心轴线之间的距离大小是决定等效簧下质量大小的主要因素。这里L1是车轮及悬架组件的质心到单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离，因此该质心位置影响着L1的大小。
当然，这一等效公式可以用于单个零件产生的等效簧下质量的计算，既每个零部件的等效簧下质量可视为
Figure 113489DEST_PATH_IMAGE032
，对于每个零件而言，其
Figure 357389DEST_PATH_IMAGE033
较小，因此每个零件的等效簧下质量视为。其中Li为编号为i（i=2,3,…,14）的零件质心到单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离。将零件分别计算时，同样当各个零件的质心位置到单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离越小，其产生的等效簧下质量也就越小。
根据此公式，将等效簧下质量分成两部分，第一部分包括轮辋、轮毂等与车轮同心的零部件，是不可变的，其产生的等效簧下质量无法改变；第二部分由相对于单横臂悬架摆动中心轴线距离可变的零部件产生，该等效簧下质量与自身质量成正比，该比例为其质心到悬架摆动中心轴线距离比上车轮中心到悬架摆动中心轴线距离的平方，其产生的等效簧下质量随它们质心相对于单横臂的距离不同而不同，合理布置相对于单横臂摆动中心距离可变的零部件，减小这些零部件质心到单横臂悬架摆动中心轴线的距离，可减小等效簧下质量。
图1中弹性橡胶铰2、单横臂悬架摆臂3、减速箱体4、小齿轮5、制动钳6、制动盘7、轮毂轴承8、半轴9、轮毂10、轮辋11、电机12、大齿轮13、半轴套管14，的质心位置为O，O至单横臂悬架摆动中心轴线之间的距离为L1，这些零件所产生的等效簧下质量为。
轮辋11、轮毂10等与车轮同心的零部件其产生的等效簧下质量无法改变，而电机12、大齿轮13等零部件其相对于单横臂的距离是根据布置不同而不同的。将等效簧下质量分成两部分，第一部分包括轮辋11、轮毂10等是不可变的，第二部分是那些相对于单横臂摆动轴线距离可变的零部件产生的。根据图1所示，将电机12、减速小齿轮5、制动钳6、减速箱体4、及大齿轮13与车轮非同心的零部件，布置靠近于单横臂摆动中心轴线，能有效减小系统的等效簧下质量。
单横臂悬架轮边电驱动系统可以使用螺旋弹簧、扭杆弹簧。
单横臂悬架轮边电驱动系统可用于非转向轮，左右成套使用。

Claims (1)

1.一种减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构，其特征在于：所述单横臂悬架轮边电驱动系统包括车架、弹性橡胶铰、单横臂悬架摆臂、减速箱体、小齿轮、制动钳、制动盘、轮毂轴承、半轴、轮毂、轮辋、电机、大齿轮、半轴套管，其中弹性橡胶铰、单横臂悬架摆臂、减速箱体、半轴套管和电机固定安装于一起，轮毂、轮辋、轮毂轴承、半轴、半轴套管及制动盘是与车轮同心的零部件，减速箱体、小齿轮、制动钳、电机及大齿轮是与车轮非同心的零部件；所述弹性橡胶铰支承于车架，单横臂悬架摆臂的一端与弹性橡胶铰连接，另一端与电机连接，电机固装于减速箱体上，减速箱体与半轴套管连接，减速箱体内设有动力输入端和动力输出端，电机动力输出端与小齿轮连接，小齿轮又与大齿轮啮合，大齿轮与半轴套管联接，经齿轮减速后，由半轴将动力输出至轮辋，以驱动车轮；将轮边电驱动系统安装在单横臂悬架上，且绕单横臂摆动中心摆动；轮边电驱动系统中与车轮非同心的零部件，相对于单横臂悬架摆动中心轴线的距离是可变的，减小这些零部件质心到单横臂悬架摆动中心轴线的距离，即减小了等效簧下质量。
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