单斜臂悬架轮边电驱动系统的横向稳定杆设计

摘 要：轮边电驱动系统是电动汽车的一种重要驱动形式。安装横向稳定杆可在不改变垂向刚度的前提下提高车辆侧向刚度，从而在保证行驶平顺性的同时改善行驶稳定性。由于单斜臂悬架轮边电驱动系统的结构和参数与传统悬架形式存在区别，因此需要在现有文献基础上推导公式和建模仿真。以电动汽车整车平台为研究对象，根据车辆实际结构和空间布置的需求，确定稳定杆的结构参数，以此提出不同刚度的横向稳定杆方案。利用Matlab/Simulink对各个方案进行建模仿真，从时域角度和频域角度分析整车系统对方向盘转角的阶跃响应特性。研究方法对于其它形式（如麦弗逊悬架、双横臂悬架等）的轮边电驱动系统横向稳定杆的设计匹配亦具有价值。

关键词：轮边电驱动系统；横向稳定杆；操纵稳定性；Matlab/simulink

中图分类号：U463.1文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.01.04

Abstract：Electric wheel-drive system is a promising driving system for electric cars. With the installation of an anti-roll bar， lateral stiffness of the car could be increased while the vertical stiffness was no any change. As a result， the handling performance would improve while the driving comfort was guaranteed. Due to the unique design of the monoclinic arm suspension in the electric wheel-drive unit， it was necessary to conduct a formula derivation and modeling simulation based on the literature survey. In this paper， the structural parameters of the anti-roll bar were determined at the premise of none-interference in space， based on which designs with different kinds of stiffness were compared and discussed. With the Matlab/Simulink， a step signal of the steering wheel angle was used as an input， and the time-domain and frequency-domain responses of the vehicle system were presented and analyzed respectively. The research method in this paper is also valuable in design of anti-roll bars in other electric wheel-drive systems.

Key words：electric wheel-drive system； anti-roll bar； handling stability； Matlab/Simulink

轮边电驱动系统是电动汽车的一种重要驱动形式。它利用独立电机驱动单个车轮，省略了变速器、主减速器、万向节等传动装置，传动链短、传动效率高，同时能够对每个电机独立控制，从而通过精确的电控以实现理想的车辆稳定性控制（如ABS、TCS等），提高车辆行驶性能。轮边电驱动系统的非簧载质量较传统汽车有所增加，影响整车的接地性和平顺性[1-3]。为提高行驶舒适性，可匹配刚度较小的螺旋弹簧，以降低汽车偏频、减小悬架垂直刚度。但这导致汽车的侧倾角刚度降低，车辆转向时产生较大的车身侧倾角，影响行驶稳定性。要解决该问题，需在不影响行驶平顺性的前提下提高车辆侧倾稳定性，因此安装横向稳定杆[4]。笔者在文献[5]中提出一种一体化单斜臂悬架轮边电驱动系统，其将电机固定在悬架摆臂上，通过两级齿轮减速传动将电机动力输出至车轮，并将齿轮减速器壳体和悬架摆臂集成设计为一体，通过空间结构参数的设计优化以改善悬架运动特性。本文即以该一体化单斜臂悬架轮边电驱动系统为研究对象。

国内外已有大量横向稳定杆的理论和研究。文献[6]指出横向稳定杆对侧倾角刚度和侧倾中心高度的影响，文献[7]用3种不同的方法建模，探究其在多体动力学软件中的影响。现有的研究手段大都通过ADAMS软件进行仿真分析。由于轮边电驱动系统是创新性的悬架总成，其结构和参数区别于任何一种现有的传统悬架形式，因此有必要根据其结构特征推导公式和建模。本文在现有文献资料基础上推导出理论公式，并根据整车操纵稳定性的需要设计了横向稳定杆的方案，再利用Matlab/Simulink对方案进行建模仿真，从时域和频域角度分析整车系统对方向盘转角的阶跃响应特性。本文的研究方法对于其它形式（如麦弗逊悬架、双横臂悬架等）的轮边电驱动系统横向稳定杆的设计亦具有价值。

1 单斜臂悬架轮边电驱动系统结构原理

单斜臂悬架轮边电驱动系统的基本结构。其中，橡胶铰链1联接该系统总成与车架，永磁同步电机2为动力源。其输出动力经过两级定轴斜齿轮3、4驱动车轮，减速器壳体8同时充当单斜臂悬架的摆臂。单斜臂悬架可视为单纵臂悬架和横臂悬架的结合体。合理设计摆臂几何参数，可得到理想的行驶动力学特性[8]。

轮边电驱动系统使悬架簧下质量增大。为提高整车行驶平顺性，所匹配的螺旋弹簧刚度较小，导致汽车行驶稳定性降低。为悬架系统匹配设计横向稳定杆，可在不影响行驶平顺性的前提下提高车辆侧倾稳定性。由于单斜臂悬架轮边电驱动系统的结构特殊性，需要研究横向稳定杆与悬架运动特性参数的匹配与设计。

2 横向稳定杆的设计计算

横向稳定杆的基本结构是一根扭杆弹簧，其两端分别与左右两侧车轮联接（通常通过橡胶支承或球铰与悬架摆臂相联）。当车身出现纯粹沿垂直方向运动时，左右两侧车轮同时做垂向运动，两者之间没有相对运动，此时横向稳定杆不工作，因而不改变车辆的垂向刚度。当车身出现侧倾运动时，两侧车轮存在相对运动，此时横向稳定杆被扭转，产生一个绕侧倾轴线的回复力矩，从而提高车辆侧倾角刚度，减小车身侧倾[9]。

3 仿真分析

针对某电动汽车整车平台，通过建模仿真考察不同匹配方案对整车性能的影响，对后悬架横向稳定杆进行设计。考虑不装横向稳定杆，安装外径Ф18 mm实心杆，安装外径Ф24 mm实心杆，安装外径Ф24 mm内径Ф16 mm空心杆4种方案，计算出相关参数，并根据二自由度整车模型在Matlab/Simulink软件平台中建模仿真，分析各方案对整车性能的影响。

3.1 整车模型建立

电动汽车整车三维模型如图4所示。该电动汽车采用分布式电驱动形式，前轮架为双横臂悬架轮毂电机驱动，后轮为单斜臂悬架轮边电驱动系统驱动。在Simulink软件平台中搭建模型，其中整车模型研究对象即为3.1节所述电动汽车，仿真参数见表2。输入转向盘转角阶跃信号以研究整车转向瞬态响应试验，如图7所示。

车辆仿真涉及轮胎侧偏角刚度，其值随轮胎垂向载荷的变化而变化，因而轮胎模型的精度将影响仿真结果。根据文献[14]，采用魔术公式，相关拟合曲线如图8所示。

图9为车身侧倾角-侧向加速度间的关系曲线。结果表明带有横向稳定杆的3种方案其车身侧倾角明显小于不带横向稳定杆的方案，且随着侧倾角刚度的递增，Ф18 mm实心杆、Ф24 mm空心杆、Ф24 mm实心杆的车身侧倾角逐次减小。

4 结论

本文以某电动汽车整车为研究对象，针对其后悬架所采用的一体化单斜臂悬架轮边电驱动系统的特点，根据其整车操纵稳定性的需要设计横向稳定杆的方案，并利用Matlab/Simulink进行建模仿真，各方案的仿真结果分析如下。

（1）不安装横向稳定杆，该方案在相同侧向加速度情况下其车身侧倾角明显较其它三者大，不利于行驶稳定性。该方案的车辆转向特性呈不足转向，且其不足转向裕量最大，转向灵敏度最低，整车动态特性趋于保守。

（2）安装外径Ф18 mm实心杆，该方案明显改进了方案1的车身侧倾现象，但其在相同侧向加速度情况下的车身侧倾角大于方案3和方案4。该方案的车辆转向特性呈不足转向，不足转向裕量较大。

（3）安装外径Ф24 mm实心杆，该方案将车身侧倾角控制在最小，行驶最稳定。该方案的车辆转向不足转向裕量最小，最接近于中性转向。

（4）安装外径Ф24 mm、内径Ф14 mm空心杆，该方案的车身侧倾角大于方案3而小于方案1和方案2，行驶较稳定。该方案转向不足转向裕量大于方案3而小于方案1和方案2。该方案具有轻量化的优势，稳定杆重量为各方案中最轻。同时该方案的制造成本最高。参考文献（References）

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作者介绍

责任作者：丁晓宇（1988-），男，江苏仪征人。硕士研究生，研究方向为新能源汽车动力总成。

Tel：18721920015

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通讯作者：陈辛波（1962-），男，浙江桐乡人。博士，教授，博导，主要从事车辆传动与控制、系统动力学领域的教学与研究。

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