纯电商用车平顺性和道路友好性研究

徐邓辉, 扈建龙, 杨朝会, 刘宗强, 刘本友, 张铁柱, 张洪信

(1. 青岛大学机电工程学院, 山东 青岛 266071; 2. 青岛青特集团有限公司, 山东 青岛 266041)

随着国家“双碳”战略、国六排放法规、三阶段燃油限值等政策法规的全面实施,燃油消耗量大或环境污染严重的商用车行业面临严峻的节能减排压力,商用车的新能源化是解决上述问题的有效技术途径之一,纯电动商用车已成为新能源商用车的主流。集成电驱动桥结构紧凑,传动效率高,便于动力电池包的布置,成为纯电动商用动力传动技术的发展趋势,但其电动集成驱动装置集成在驱动桥上,增加了车辆的非簧载质量,影响汽车的平顺性和汽车对道路的友好性[1-3]。近年来,车辆平顺性的研究成果很多,但考虑纯电动商用车平顺性的较少。WANG G Y等人[4]使用Adams/Car建立了混合动力重型卡车的整车模型,在不同车速的脉冲道路和B级随机道路上进行仿真,分析在脉冲路面行驶时不会影响驾驶员的健康,而在B级随机路面以30 km/h行驶时,驾乘人员舒适性差;L.V.QUYNH[5]建立14自由度的车辆-路面模型,分析不同工况对轮胎动载荷、动载荷系数和路面友好度的影响,证明路面平整度和车辆载荷对轮胎动载荷系数和路面友好性的影响;李杰等人[6]采用Matlab/Simulink建立了4自由度轮毂电机电动汽车平顺性仿真模型,通过分析车身垂向加速度、悬架动行程及相对动载等评价指标,说明电机偏心对轮毂电机电动汽车振动性能有影响;杨明等人[7]建立了某汽车电动轮的Simulink模型,在B级随机路面输入下,在时域和频域上分析非簧载质量的增加对汽车的影响,结果表明非簧载质量的增加,导致轮胎动载荷和车身垂向加速度增加。商用车荷载是道路损伤的主要来源,但已有的研究成果主要限于传统汽车,魏志强[8]提出了重型卡车的非线性动力学模型,评估匀速行驶状态下重型卡车平顺性和道路友好性;张洪信等人[9]在“四次幂定律”的基础上,提出一种车辆损伤路面的全概率评价方法,能够较好地反映车辆对整个路面的损伤,可作为评价车辆损伤路面的依据;刘大维等人[10]创建了三维随机路面激励下的重型车辆动力学模型,探究在三维空间域路面激励下的道路友好性。因此,本文基于Adams/Car软件建立集成电驱桥电动商用车的整车模型,研究车速、路面等级及非簧载质量的增加对车辆行驶平顺性和道路损伤的影响规律。该研究为商用车电驱动系统设计、车辆悬架系统匹配及优化设计提供了参考。

1 路面-车辆系统动力学模型

1.1 路面模型

纯电动商用车多用于城际货物运输或市内物流配送等,行驶路面较为复杂,根据GB/T7031的规定,以随机路面作为系统输入,路谱表达式采用正弦波叠加法,生成随机道路频谱[11-12]。当汽车以一定车速驶过空间频率路面时,路面激励的时间频率为

f=vn

(1)

式中,f一般在f1=0.5 Hz,f2=80 Hz取值;v为车速,km/h;n为空间频率。

时间频率内的路面位移谱密度为

(2)

式中,Gq(n0)为空间频率的路面位移谱密度;n0=0.1m-1为参考空间频率。

将时间频率区间划分为多个区间,用每个小区间中间频率对应的功率谱密度作为该区间的功率谱密度,则第i个小区间的功率谱为

Pi=Gq(fmid_i)Δfi,i=1,2,…m

(3)

式中,Δfi为频率间隔;fmid_i为第i个小区间的中间频率。

由功率谱与幅值谱的关系,得到每个小区间所对应的不平度幅值为

(4)

浮盘是内浮顶储罐的核心部件，在储罐运行中时而会出现浮盘侧倾或浮盘整体沉没于所储物料液面之下，即沉船(行业俗称)。内浮顶储罐出现侧倾或沉船，一般可以通过人工检尺核对储罐液位时能够从检尺孔直观看到罐内物料，检尺所用油尺尺锤、尺带进入储罐时所触及的障碍物、尺带变化、尺锤触底声音都会有异常变化或不同手感。若以储罐设计参照液位高度为参照，人工所测液位高度与仪表探测液位在数值上会有很大差值。储罐在接收物料时，罐内会发出明显的液体撞击声响，与此同时罐体周围、顶部油气浓度也会增大，可燃、有毒检测报警系统也会发出报警。通过这些现象可以判断内浮顶储罐浮盘侧翻、沉船等情形发生。

(5)

式中,x为汽车行驶的位移;θi为[0,2π]之间服从正态分布的随机数。

基于随机谐波叠加算法,使用Matlab软件建立A、B、C级随机路面,其中A级路面代表光滑的沥青路面,B级路面代表粗糙的沥青路面,C级路面代表水泥混凝土路面。导入Adams/Car软件中,对集成式纯电动商用车进行仿真研究[13]。随机路面不平度曲线如图1所示。

图1 随机路面不平度曲线

由图1可以看出,随着路面等级的增加,路面不平度最大值及最小值都有所增加,其中A级路面路面不平度范围为-0.02～0.025 m、B级路面路面不平度范围为-0.04～0.045 m、C级路面路面不平度范围为-0.07～0.078 m。

1.2 整车模型

在Adams/Car中建立车辆动力学模型时,需要对车辆进行简化,去除副驾驶座椅、电器元件等零部件。集成电驱动桥纯电商用车与传统汽车不同,动力系统发生了变化,省去传统汽车上的发动机,换成电机、控制器及减速器等机构,全部集成在车桥上[14]。针对目标车辆模型的相关结构,结合局部硬点,建立各部件的几何形状。根据各部件之间的关系,在模型的相应位置添加几何约束,建立各个子系统。利用Adams/Car通信器将不同的子系统连接,建立目标车辆模型,并输入所需参数,对车辆进行仿真。共建立了9个子系统,包括前悬架、后悬架、转向、驾驶室、车架、前轮、中轮、后轮、动力。本文建立纯电动商用车部分子系统和整车虚拟样机模型,车辆模型主要参数如表1所示,整车模型及部分子系统模型如图2所示。

表1 车辆模型主要参数

图2 整车模型及部分子系统模型

2 整车平顺性分析

汽车平顺性是评价车辆在行驶过程中产生的振动和冲击对乘员舒适性和货物完好性的影响,平顺性过差,会影响车辆零部件的性能,它是评价车辆的主要性能之一,评价指标为轮胎动载荷和车身振动加速度等[15-17]。根据国标GB/T4970—2009,在进行电动汽车平顺性试验分析时,采用的车速通常为40,50,60,70,80,90 km/h;商用车电动集成驱动装置质量为350～500 kg;试验路面等级为A级、B级、C级,计算得到驾驶员、驾驶室质心和车架质心处的垂向加速度功率谱密度。

2.1 车速的影响

通过3次对比试验,分别得出速度、路面等级和电动集成驱动装置质量对汽车平顺性的影响。选取B级路面,电动集成驱动装置质量400 kg,车速范围为40～90 km/h,在不同车速下,分析各点垂向加速度功率谱密度随时间频率的变化情况,各点垂向加速度功率谱密度随时间频率变化曲线如图3所示。

图3 各点垂向加速度功率谱密度随时间频率变化曲线

由图3可以看出,驾驶员、驾驶室质心和车架质心处的垂向加速度功率谱密度随车速的增加,呈增加的趋势,在时间频率为2.5 Hz之后,功率谱密度增长速度加快,峰值均出现在2.5～4.5 Hz;当车速为90 km/h,频率为4.6 Hz左右时,垂向加速度功率谱密度剧增,因此要避免车辆长时间行驶在此范围内,以减小车架振动对人体、车辆及货物的影响。当车速为90 km/h时,驾驶员和驾驶室垂向加速度功率谱密度较车架质心处低,驾驶室悬置起到一定作用。

2.2 路面等级的影响

选取车速为60 km/h,电动集成驱动装置质量为400 kg,路面等级分别为A、B、C级,在不同路面等级下,各点垂向加速度功率谱密度随时间频率变化曲线如图4所示。

图4 各点垂向加速度功率谱密度随时间频率变化曲线

由图4可以看出,各点的垂向加速度功率谱密度随路面等级的增加而增加,在C级路面行驶时,垂向加速度功率谱密度比B级路面增大80%;在B级路面行驶时,比A级路面增大75%,说明汽车平顺性随路面等级的增加大幅下降。

2.3 电动集成驱动装置质量的影响

选取车速为60 km/h,路面等级为B级,电动集成驱动装置质量范围为350～500 kg,在不同电动集成驱动装置质量下,各点垂向加速度功率谱密度随时间频率变化曲线如图5所示。

图5 各点垂向加速度功率谱密度随时间频率变化曲线

由图5可以看出,各点垂向加速度功率谱密度随电动集成驱动装置质量的增加变化不大,说明质量变化对各点的垂向加速度功率谱密度影响较小。

3 道路友好性分析

道路友好性是指车辆在不平路面行驶时,评价轮胎载荷引起道路损伤程度的指标。轮胎在路面上运行时,轮胎动载荷所导致的路面损伤程度[18-19],用动载荷系数(dynamic load coefficient,DLC)表示车轮动载对道路破坏的能力,即

DLC=σ/P0

(6)

式中,σ为轮胎动载荷的标准差;P0为轮胎的静载。

由道路友好性的动载荷系数定义可知,道路友好性与平顺性的轮胎动载荷呈线性关系,即车速、路面等级、电动集成驱动装置对平顺性的影响与道路友好性一致[20]。

3.1 车速的影响

选取B级路面,电动集成驱动装置质量为400 kg,车速范围为40～90 km/h,在不同车速下,各点轮胎力随时间变化曲线如图6所示。

图6 各点轮胎力随时间变化曲线

由图6可以看出,随着车速的增加,前轮轮胎力明显增加,与40 km/h行驶时相比,当汽车以90 km/h行驶时,轮胎力增加300 N左右;而汽车中轮和后轮的轮胎力随车速增加,浮动较小,但最大轮胎力有所增加,说明轮胎对路面的损伤随着车速的增大而增大。

3.2 路面等级的影响

选取车速为60 km/h,电动集成驱动装置质量为400 kg,路面等级分别为A、B、C级,在不同路面条件下,分析各点轮胎力随时间的变化情况,各点轮胎力随时间变化曲线如图7所示。由图7可以看出,随着路面等级的提高,前轮、中轮、后轮的轮胎力的峰值显著的增加,就峰值而言,B级路面比A级路面增幅1.34%,C级路面比B级路面增幅2.61%,车轮受到的最大轮胎力增大,说明汽车对道路的损伤增大,道路友好性变差;汽车在C级路面行驶时,最大轮胎力与最小轮胎力相差750 N左右,在B级路面行驶时,最大轮胎力与最小轮胎力相差350 N左右,在A级路面行驶时,最大轮胎力与最小轮胎力相差150 N左右,最大与最小轮胎力相差越大,说明驾驶员受力区间越大,汽车平顺性也越差。

图7 各点轮胎力随时间变化曲线

3.3 电动集成驱动装置质量的影响

选取车速为60 km/h,B级路面,电动集成驱动装置质量为350～500 kg,在不同电动集成驱动装置质量下,各点轮胎力随时间变化曲线如图8所示。

图8 各点轮胎力随时间变化曲线

由图8可以看出,当电动集成驱动装置质量为350 kg,前、中、后轮的轮胎力峰值为21 500,8 350,6 680 N;电动集成驱动装置质量为500 kg时,前、中、后轮的轮胎力峰值为21 690,8 480,6 840 N,分别增长0.88%,1.53%,2.33%左右。随着电动集成驱动装置质量的增加,前、中、后轮所受的轮胎力增大,说明随着电动集成驱动装置质量的增加,平顺性和道路友好性都有所降低。

分析3组对比实验可知,中轮所受的轮胎力要高于后轮所受的轮胎力,增幅19.3%左右,这是因为将电动集成驱动装置安装在中桥的缘故,增加了中桥的非簧载质量,由此可以看出,非簧载质量对汽车平顺性和道路友好性存在明显的影响。前、中、后轮所受的轮胎力随着车速、路面等级、电动集成驱动装置质量的增加而增大,说明汽车平顺性和道路友好性都变差。尤其是电动集成驱动装置质量的增加对轮胎力的影响最明显,质量每增加50 kg,轮胎力增加1.16%左右。

4 结束语

本文基于Adams/Car软件建立了纯电商用车的虚拟样机模型,进行平顺性和道路友好性的仿真,提取后处理模块中垂向加速度功率谱密度和轮胎力,分析车速、路面等级、电动集成驱动装置质量增加对平顺性和道路友好性的影响。研究结果表明,随着车速的增加,汽车的平顺性和道路友好有所降低,其中对平顺性影响更明显;随着路面等级的增加,汽车的平顺性和道路友好性有所降低,在C级路面行驶时,驾驶员、驾驶室质心和车架质心处的垂向加速度急剧增加,因此要避免在C级路面上长时间行驶;随着电动集成驱动装置质量的增加,垂向加速度功率谱密度和轮胎力都有所增加,其中轮胎力增加最明显,电动集成驱动装置质量每增加50 kg,轮胎力增加1.16%左右,非簧载质量的增加对汽车平顺性和道路友好性的具体影响规律。该研究为后续集成式纯电动商用车轻量化设计和优化奠定了基础。