CN102139638A - 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

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K_t、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：

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，

为相对于初始静平衡位置的转角，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

，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：

        (1)

式中：

，

。

，

分析受力得：

                                                 (2)

其中

另根据初始静平衡情况下有：

此外，三个坐标之间的关系为：

                                      (3)

当

较小时，有

从而（1）、（2）、(3)式可简化成：

对（6）式求导，得：

                                                 (7)

                                                 (8)

将（8）式代入（4）式，消去

，将（4）式代入（5）式消去

可得方程组：

其中，

；

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 

。同时，会使得车轮垂向刚度等效为。

因

一般远小于

，且

不大，故很小，故

。

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，对于每个零件而言，其

较小，因此每个零件的等效簧下质量视为

。其中L_i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K_t、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：

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，

为相对于初始静平衡位置

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，

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：

        (1)

式中：

，

。

，

如图5所示，分析受力得：

                                                 (2)

其中

另根据初始静平衡情况下有：

此外，三个坐标之间的关系为：

                                      (3)

当

较小时，有

从而（1）、（2）、(3)式可简化成：

对（6）式求导，得：

                                                 (7)

                                                 (8)

将（8）式代入（4）式，消去

，将（4）式代入（5）式消去

可得方程组：

其中，

；

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 

。同时，会使得车轮垂向刚度等效为。

因

一般远小于

，且

不大，故

很小，故

。

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

，对于每个零件而言，其

较小，因此每个零件的等效簧下质量视为。其中L_i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 (2)

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。

2.根据权利要求1所述的减小单横臂悬架轮边电驱动系统等效簧下质量结构的方法，其特征在于：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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