一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)及其優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，底盤系統(tǒng)包含差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊；差速轉(zhuǎn)向模塊包括方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、兩個(gè)輪轂電機(jī)、車速傳感器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器和差速轉(zhuǎn)向控制ECU；主動(dòng)懸架模塊包括彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；差速制動(dòng)模塊包括制動(dòng)踏板位置傳感器和差速制動(dòng)控制ECU。在轉(zhuǎn)向/制動(dòng)工況下，以轉(zhuǎn)向路感、轉(zhuǎn)向靈敏度、懸架平順性為性能指標(biāo)，以本發(fā)明三個(gè)模塊的參數(shù)為優(yōu)化變量，基于NSGA?Ⅱ算法對(duì)底盤系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)在獲得較好轉(zhuǎn)向路感及轉(zhuǎn)向靈敏度同時(shí)保證汽車平順性，從而提高電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的整體綜合性能。
【專利說明】
_種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)及其優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種電動(dòng)輪汽車底盤 系統(tǒng)及其優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)輪技術(shù)本身結(jié)構(gòu)具有很好的優(yōu)勢(shì)，使其在電動(dòng)汽車上得到廣泛的應(yīng)用。由于 電動(dòng)輪技術(shù)取消了變速器、差速器等機(jī)構(gòu)，簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅提高了傳動(dòng)效率，而且減 小了傳動(dòng)系統(tǒng)占用的車內(nèi)空間；將電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)直接與車輪集成為一體，有利于整車 布置。
[0003] 電動(dòng)輪汽車采用了不同于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向及制動(dòng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用差速助力轉(zhuǎn)向及差速制動(dòng) 技術(shù)，通過改變左右車輪輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，來控制系統(tǒng)的力傳遞特性，實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功 能;通過輪轂電機(jī)提供的附加轉(zhuǎn)角，來控制系統(tǒng)的位移傳遞特性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能;通過 改變輸入輪轂電機(jī)電流大小，控制制動(dòng)阻力矩大小，實(shí)現(xiàn)差速制動(dòng)功能。上述功能都是由輪 轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)，但是由于電動(dòng)機(jī)與固定速比減速裝置制成一體，輪胎直接安裝在減速裝置的 輸出端上，在這種結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)輪質(zhì)量全部成為非簧載質(zhì)量，使得非簧載質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)特性 發(fā)生變化，影響非簧載質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)過程中的平順性。
[0004] 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)輪汽車底盤中三個(gè)重要的子系統(tǒng)，其性能 直接影響電動(dòng)輪汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性和行駛安全性等整車綜合性能，三個(gè)子系統(tǒng)中 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響其性能指標(biāo)，從而影響整車綜合性能。通常在對(duì)電動(dòng)輪汽車底盤三 大子系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，人們習(xí)慣把它們之間的相互影響相對(duì)獨(dú)立，即對(duì)電動(dòng)輪 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)建立相對(duì)獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。例如，分析汽車 懸架的振動(dòng)平順性時(shí)，往往忽略輪胎側(cè)向力和縱向力對(duì)其的影響;或者，在分析汽車轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)忽略路面不平度輸入和車身振動(dòng)引起的垂向因素和車身側(cè)傾的 影響。這樣的分析與假設(shè)在一定程度上簡化了動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜程度，降低性能分析的難 度，但同時(shí)也減少了電動(dòng)輪汽車整體優(yōu)化的實(shí)用性能。
[0005] 汽車在轉(zhuǎn)向工況下車身的橫擺角速度、制動(dòng)工況下車身的俯仰角等性能指標(biāo)對(duì)懸 架性能有著重要的影響；同時(shí)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化也受到懸架優(yōu)化的影響。由于三個(gè)子系 統(tǒng)之間存在一定的耦合關(guān)系，子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約，簡單的串行疊加優(yōu)化并不能 獲得集成系統(tǒng)最優(yōu)的整體綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】中所涉及到的缺陷，提供一種電動(dòng)輪 汽車底盤系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，根據(jù)由傳感器得到的車速、輪速、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向力矩、橫擺 角速度、制動(dòng)踏板位置、路面輸入等信息，在轉(zhuǎn)向/制動(dòng)工況下，考慮轉(zhuǎn)向橫擺力矩和側(cè)向 力、制動(dòng)縱向力和俯仰角、懸架側(cè)傾、輪胎垂直載荷、路面激勵(lì)等影響及差速轉(zhuǎn)向模塊機(jī)械 參數(shù)、主動(dòng)懸架模塊結(jié)構(gòu)參數(shù)、差速制動(dòng)機(jī)械參數(shù)等因素對(duì)電動(dòng)輪汽車整體性能的影響，對(duì) 底盤系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)，包含差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊；
[0009] 所述差速轉(zhuǎn)向模塊包括方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、兩個(gè)輪轂電機(jī)、 車速傳感器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器和差速轉(zhuǎn)向控制ECU;
[0010] 汽車的方向盤總成通過轉(zhuǎn)向柱與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器連接，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向 橫拉桿與汽車前輪的車軸連接；
[0011]所述方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)向柱上，用于獲取汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn) 角；
[0012] 所述兩個(gè)輪轂電機(jī)分別用于兩個(gè)前輪的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)；
[0013] 所述車速傳感器用于獲得汽車的車速；
[0014] 所述兩個(gè)輪速傳感器分別設(shè)置在兩個(gè)前輪上，分別用于獲得兩個(gè)前輪的角速度；
[0015] 所述橫擺角速度傳感器用于汽車的橫擺角速度；
[0016] 所述差速轉(zhuǎn)向控制ECU分別和方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、兩個(gè)輪轂電機(jī)、車速傳感 器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器電氣相連，用于根據(jù)汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角、車 速、兩個(gè)前輪的角速度、橫擺角速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)左右輪轂電機(jī)發(fā)出電流信號(hào)，使得左右輪 轂電機(jī)輸出不同的驅(qū)動(dòng)力矩，以實(shí)現(xiàn)差速助力轉(zhuǎn)向；
[0017] 所述主動(dòng)懸架模塊包括彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；
[0018] 所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器將汽車的車身與車架相連；
[0019] 所述差速制動(dòng)模塊包括制動(dòng)踏板位置傳感器和差速制動(dòng)控制ECU;
[0020] 所述制動(dòng)踏板位置傳感器用于獲取汽車制動(dòng)踏板被踏下的行程；
[0021 ]所述差速制動(dòng)控制ECU分別制動(dòng)踏板位置傳感器、兩個(gè)輪轂電機(jī)、車速傳感器、兩 個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器電氣相連，用于根據(jù)制動(dòng)踏板被踏下的行程、車速、兩個(gè) 前輪的角速度、橫擺角速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)左右輪轂電機(jī)發(fā)出電流信號(hào)，使得左右輪轂電機(jī)輸 出不同的制動(dòng)力矩，以實(shí)現(xiàn)差速制動(dòng)。
[0022 ]本發(fā)明還公開了一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，包含以下步驟：
[0023] 步驟1)，建立主動(dòng)懸架模塊模型、差速轉(zhuǎn)向模塊模型、整車動(dòng)力學(xué)模型、差速制動(dòng) 模塊模型，所述差速轉(zhuǎn)向模塊模型包括方向盤模型、輸入軸和輸出軸模型、齒輪齒條模型、 電機(jī)模型、路面輸入模型和輪胎模型。
[0024] 步驟2)，在制動(dòng)工況下，以轉(zhuǎn)向路感、轉(zhuǎn)向靈敏度和懸架平順性為電動(dòng)輪汽車底盤 系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，以轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、制動(dòng)減速度、懸架動(dòng)載荷和限位移為約束條件，并建 立差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：
[0025] 步驟3)，根據(jù)差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函 數(shù)建立電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型；
[0026] 步驟4)，設(shè)置優(yōu)化變量、性能指標(biāo)范圍和約束條件范圍，基于NSGA-Π算法對(duì)底盤 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到底盤系統(tǒng)有關(guān)所述優(yōu)化變量的優(yōu)化參數(shù)，并根據(jù)得到優(yōu)化變量的 優(yōu)化參數(shù)對(duì)底盤系統(tǒng)對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
[0027] 作為本發(fā)明一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟2) 中：
[0028] 1)，差速轉(zhuǎn)向模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：
[0030]式中，fKX)表示差速轉(zhuǎn)向路感在路面信息有效頻率范圍（0, ω〇)內(nèi)的頻域能量平 均值；ω〇表示路面信息中有用信號(hào)的最大頻率值;E(s)為差速轉(zhuǎn)向路感傳遞函數(shù)：
[0032] 式中，Je、Be分別為轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼;Th 為駕駛員作用于方向盤等效力矩;T w為繞轉(zhuǎn)向主銷作用于輪胎的阻力矩;KS為方向盤轉(zhuǎn)矩傳 感器等效剛度;^為左、右兩前轉(zhuǎn)向輪的主銷橫向偏移距;r為車輪半徑;Νι為轉(zhuǎn)向直拉桿與 車軸之間距離;ΙμΒμ分別為輪轂電機(jī)與車輪總成等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼;G為齒輪齒條機(jī)構(gòu) 的傳動(dòng)比;η 2為轉(zhuǎn)向螺桿到前輪的傳動(dòng)比；
[0033] 2)，差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：
[0035]式中，f2(X)表示差速轉(zhuǎn)向靈敏度在路面信息有效頻率范圍（0, ω〇)內(nèi)的頻域能量 平均值；ω。表示路面信息中有用信號(hào)的最大頻率值
為差速轉(zhuǎn)向靈敏度傳遞函數(shù)：
[0037] θω為車輪中心到主銷的距離;kl、k2為前輪側(cè)偏剛度;Je、Be分別為轉(zhuǎn)向輸出軸與齒 輪齒條轉(zhuǎn)向器齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼;Ei為前輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù);δ是前輪轉(zhuǎn)向角；0S為 方向盤轉(zhuǎn)角;β為質(zhì)心側(cè)偏角；ω r為橫擺角速度#為俯仰角;a汽車質(zhì)心至前軸的距離;U為 汽車車速；
[0038] 3)，主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為：
[0040] 式中，WQ、Wi、Wj+4為權(quán)重；SQ、Si、Sj+4為比例因子；
[0041 ] σ2χ為平順性三大評(píng)價(jià)指標(biāo)的頻域能量：
[0042] = ix = Z^0lrFli) ^=(1,2,3,4)
[0043] σχ為振動(dòng)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差，
為頻率，丑即為幅頻特性I好U,T/ 7 Gx(f)為響應(yīng)量功率譜密度，q(/)為路面輸入量的功率譜密度；
[0044] 為車身振動(dòng)加速度傳遞函數(shù)：
[0046] 彳為懸架動(dòng)撓度傳遞函數(shù)：
[0048] 為車輪相對(duì)動(dòng)載荷傳遞函數(shù)：
[0050] mu為輪胎質(zhì)量;m2i為簧載質(zhì)量;ku為輪胎等效剛度;k2i為主動(dòng)懸架剛度;c 2i為主 動(dòng)懸架阻尼;下標(biāo)i為f?或r，f、r分別代表前、后輪。
[0051] 作為本發(fā)明一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟3) 中電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型f(X)為：
[0053] 式中，f\(X)表示差速轉(zhuǎn)向模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);f2(X)表示差速制動(dòng)模塊性能 指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);f 3(X)表示主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)；ω〇表示路面信息中有用 信號(hào)的最大頻率值，優(yōu)化設(shè)計(jì)中取ω 〇 = 40Ηζ 乂肩化^+彳為權(quán)重七^^七+彳為比例因 子;〇χ為振動(dòng)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0054] 作為本發(fā)明一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟4) 中設(shè)置的優(yōu)化變量為：
[0055] 差速轉(zhuǎn)向模塊中轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器小齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1和阻 尼Be、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器等效剛度K s、差速轉(zhuǎn)向模塊和差速制動(dòng)模塊中輪轂電機(jī)與車輪總成 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq和阻尼Beq、主動(dòng)懸架模塊中懸架剛度系，以及懸架阻尼系數(shù)c 2f、 C2f 〇
[0056] 作為本發(fā)明一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟4) 中設(shè)置的約束條件范圍為：
[0057] (1)在優(yōu)化過程中，差速轉(zhuǎn)向靈敏度傳遞函數(shù)的分母應(yīng)滿足Routh判據(jù)的約束條 件；
[0058] (2)在優(yōu)化過程中，制動(dòng)減速度應(yīng)滿足a<yrg;
[0059] (3)在優(yōu)化過程中，為防止共振，懸架動(dòng)撓度保證:fcr = (0.6~0.8)fcf，式中：fcf = Hlf g/k2f，fcr 一IIlrg/k2r ；
[0060] (4)在優(yōu)化過程中，根據(jù)限位移的要求，相對(duì)阻尼系數(shù)滿足ξε [0.25,0.35]，其中，
[0061] 作為本發(fā)明一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述步驟4) 中設(shè)置的性能指標(biāo)的范圍為：
[0062] 在優(yōu)化過程中，差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足0.006彡f2(XK〇.021。
[0063] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0064] 1.本發(fā)明提出的一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)充分考慮差速轉(zhuǎn)向模塊、主動(dòng)懸架模 塊、差速制動(dòng)模塊以及模塊之間的相互耦合關(guān)系，同時(shí)考慮轉(zhuǎn)向、懸架和制動(dòng)系的集成特點(diǎn) 以及路面輸入的影響進(jìn)行系統(tǒng)集成，提高了電動(dòng)輪汽車的集成程度，更好的分析系統(tǒng)之間 的耦合關(guān)系以及相互作用；
[0065] 2.本發(fā)明以差速轉(zhuǎn)向路感、差速轉(zhuǎn)向靈敏度、懸架平順性為目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化， 不僅可以考慮單個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化，而且可以設(shè)置全局優(yōu)化參數(shù)，提高了電動(dòng)輪汽車的整體 優(yōu)化能力；
[0066] 3.本發(fā)明可以在保證車輛行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性的基礎(chǔ)上，有效協(xié)調(diào) 車輛在轉(zhuǎn)向及制動(dòng)工況下的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性之間的矛盾，使整車在各種工況下均 可以實(shí)現(xiàn)行駛平順性和操作穩(wěn)定性的良好匹配，有效地改善整車動(dòng)力學(xué)性能，為底盤的集 成設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0067] 圖1為本發(fā)明差速轉(zhuǎn)向及差速制動(dòng)模塊布置示意圖；
[0068] 圖2為本發(fā)明主動(dòng)懸架模塊布置示意圖；
[0069] 圖3為本發(fā)明底盤系統(tǒng)優(yōu)化流程圖。
[0070] 圖中，1-方向盤總成，2-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器，3-方向盤輸出軸，4-齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，5-轉(zhuǎn)向橫拉桿，6-輪轂電機(jī)，7-車輪。
【具體實(shí)施方式】
[0071] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0072] 本發(fā)明公開了 了一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)，包含差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和 主動(dòng)懸架模塊。
[0073] 如圖1所示，差速轉(zhuǎn)向模塊包括方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、兩個(gè)輪 轂電機(jī)、車速傳感器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器和差速轉(zhuǎn)向控制ECU;汽車的方向 盤總成通過轉(zhuǎn)向柱與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器連接，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向橫拉桿與汽車前輪的 車軸連接;方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)向柱上，用于獲取汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角;兩 個(gè)輪轂電機(jī)分別用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪轉(zhuǎn)動(dòng);車速傳感器用于獲得汽車的車速;兩個(gè)輪速傳感 器分別設(shè)置在兩個(gè)前輪上，分別用于獲得兩個(gè)前輪的角速度;橫擺角速度傳感器用于汽車 的橫擺角速度;差速轉(zhuǎn)向控制ECU分別和方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、兩個(gè)輪轂電機(jī)、車速傳感 器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器電氣相連，用于根據(jù)汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角、車 速、兩個(gè)前輪的角速度、橫擺角速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)左右輪轂電機(jī)發(fā)出電流信號(hào)，使得左右輪 轂電機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)差速助力轉(zhuǎn)向。
[0074] 如圖2所示，主動(dòng)懸架模塊包括彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī) 構(gòu)通過彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器將汽車的車身與車架相連。
[0075] 差速制動(dòng)模塊包括制動(dòng)踏板位置傳感器和差速制動(dòng)控制ECU;制動(dòng)踏板位置傳感 器用于獲取汽車制動(dòng)踏板的踏下的行程;差速制動(dòng)控制ECU分別制動(dòng)踏板位置傳感器、兩個(gè) 輪轂電機(jī)、車速傳感器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器電氣相連，用于根據(jù)制動(dòng)踏板 踏下的行程車速、兩個(gè)前輪的角速度、橫擺角速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)左右輪轂電機(jī)發(fā)出電流信 號(hào)，使得左右輪轂電機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)差速制動(dòng)功能。
[0076] 如圖3所示，本發(fā)明開發(fā)了一種基于電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)集成優(yōu)化方法。
[0077] 首先，建立主動(dòng)懸架模塊模型、差速轉(zhuǎn)向模塊模型、整車動(dòng)力學(xué)模型、差速制動(dòng)模 塊模型;然后獲得底盤系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)性能函數(shù)，確定底盤系統(tǒng)中對(duì)性能函數(shù)影響較大參數(shù) 作為優(yōu)化變量，設(shè)置變量參數(shù)、約束條件、性能指標(biāo)的邊界，基于NSGA- Π算法對(duì)底盤系統(tǒng)進(jìn) 行多目標(biāo)優(yōu)化。
[0078] 建立模型時(shí)，差速轉(zhuǎn)向模塊模型包括方向盤模型、輸入軸和輸出軸模型、齒輪齒條 模型、電機(jī)模型、路面輸入模型和輪胎模型。
[0079] 在制動(dòng)工況下，以轉(zhuǎn)向路感、轉(zhuǎn)向靈敏度和懸架平順性為電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，以轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、制動(dòng)減速度、懸架動(dòng)載荷和限位移為約束條件，并建立差速 轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化公式：
[0080] 1)，差速轉(zhuǎn)向路感性能評(píng)價(jià)指標(biāo)量化公式為：
[0082]式中，Je、Be分別為轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼;Th 為駕駛員作用于方向盤等效力矩;Iw為繞轉(zhuǎn)向主銷作用于輪胎的阻力矩;E(s)為差速轉(zhuǎn)向 路感傳遞函數(shù);Ks為方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器等效剛度;κ為左、右兩前轉(zhuǎn)向輪的主銷橫向偏移距； r為車輪半徑;Λ為轉(zhuǎn)向直拉桿與車軸之間距離;JmAm分別為輪轂電機(jī)與車輪總成等效轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量和阻尼;G為齒輪齒條機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比;11 2為轉(zhuǎn)向螺桿到前輪的傳動(dòng)比；
[0083]差速轉(zhuǎn)向模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：
[0085] 式中，fKX)表示差速轉(zhuǎn)向路感在路面信息有效頻率范圍（0, ω〇)內(nèi)的頻域能量平 均值；ω〇表示路面信息中有用信號(hào)的最大頻率值。
[0086] 2)，差速轉(zhuǎn)向靈敏度性能評(píng)價(jià)指標(biāo)量化公式為：
[0088]式中，θω為車輪中心到主銷的距離;kl、k2為前輪側(cè)偏剛度;Je、Be分別為轉(zhuǎn)向輸出 軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼;EiS前輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù);δ是前輪轉(zhuǎn)向 角;β為質(zhì)心側(cè)偏角；ω 橫擺角速度#為俯仰角; a汽車質(zhì)心至前軸的距離;U為汽車車速；
[0089]差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：
[0091]式中，f2(X)表示差速轉(zhuǎn)向靈敏度在路面信息有效頻率范圍（0, ω〇)內(nèi)的頻域能量 平均值；ω〇表示路面信息中有用信號(hào)的最大頻率值。
[0092] 3)，車身振動(dòng)加速度傳遞函數(shù)：
[0094]懸架動(dòng)撓度傳遞函數(shù)：
[0096]車輪相對(duì)動(dòng)載荷傳遞函數(shù)：
[0098] 式中，mu為輪胎質(zhì)量;m2i為簧載質(zhì)量;ku為輪胎等效剛度;k2i為主動(dòng)懸架剛度;c 2i 為主動(dòng)懸架阻尼;下表i為f?或r，分別代表前后輪相關(guān)參數(shù)；
[0099] 對(duì)于上述討論的主動(dòng)懸架振動(dòng)系統(tǒng)，路面經(jīng)過四個(gè)車輪對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輸入，考慮到 路面不平度函數(shù)為平穩(wěn)隨機(jī)過程，線性系統(tǒng)平穩(wěn)隨機(jī)激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，包括車身振動(dòng)加 速度之,、懸架的動(dòng)撓度Sd和車輪動(dòng)載荷F d三個(gè)振動(dòng)響應(yīng)量，它們的功率譜密度與路面輸入量 的功率譜密度可表示為：
[0100] (.;,.(/) =l "(./W (U，.） (x = Z，4，i^) 1 = (1,2,3,4)
[0101] 式中為頻率，所加I,即為幅頻特性U,/而⑴為響應(yīng)量功率譜 密度;G,(/)為路面輸入量的功率譜密度；
[0102] 由于車身振動(dòng)加速度足、懸架的動(dòng)撓度3(1和車輪動(dòng)載荷Fd三個(gè)振動(dòng)響應(yīng)量取正、負(fù) 值的概率相同，所以其均值近似為零。因此根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，響應(yīng)均方值即主動(dòng)懸架平順 性性能評(píng)價(jià)指標(biāo)量化公式為：
[0103] σ2'|= / = (1,2,3,4)
[0104] 式中，σχ為振動(dòng)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0105] 主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為：
[0107] 式中，WQ、Wi、Wj+4為權(quán)重；SQ、Si、Sj+4為比例因子。
[0108] 以轉(zhuǎn)向路感、轉(zhuǎn)向靈敏度、懸架平順性為優(yōu)化目標(biāo)，以轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、制動(dòng)減速度、懸 架動(dòng)載荷和限位移為約束條件，建立電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，其優(yōu)化目標(biāo) 函數(shù)f(x)為：
[0110]式中，fi(X)表示差速轉(zhuǎn)向模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);f2(x)表示差速轉(zhuǎn)向模塊的 性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);f3(x)表示主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)；ωο表示路面信息中 有用信號(hào)的最大頻率值，優(yōu)化設(shè)計(jì)中取《0 = 40他;1^抑、％、％+4為權(quán)重；3^80、8^8」+4為比 例因子;σ χ為振動(dòng)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0111]性能指標(biāo)的沮圍為：
[0112] 在優(yōu)化過程中，差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足0.006彡f2(XK〇.021。
[0113] 電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化約束條件為：
[0114] (1)在優(yōu)化過程中，差速轉(zhuǎn)向靈敏度傳遞函數(shù)的分母應(yīng)滿足Routh判據(jù)的約束條 件；
[0115] (2)在優(yōu)化過程中，制動(dòng)減速度應(yīng)滿足a<yrg;
[0116] (3)在優(yōu)化過程中，為防止共振，懸架動(dòng)燒度保證:fcr=(0.6~0.8)f cf，式中：fcf = IHfg/k2f ,fcr = mrg/k2r；
[0117] (4)在優(yōu)化過程中，根據(jù)限位移的要求，相對(duì)阻尼系數(shù)滿足ξε [0.25,0.35]，其中，
[0118] 將差速轉(zhuǎn)向模塊中轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器小齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和 阻尼Be、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器等效剛度K s，差速轉(zhuǎn)向模塊和差速制動(dòng)模塊中輪轂電機(jī)與車輪總 成等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq和阻尼Beq，主動(dòng)懸架模塊中懸架剛度系數(shù)1^、1^，懸架阻尼系數(shù)(^、(^ 為電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量。
[0119] 設(shè)置優(yōu)化變量、性能指標(biāo)范圍、約束條件范圍，基于NSGA-Π算法算法，運(yùn)用isight 軟件，對(duì)底盤系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果滿足底盤系統(tǒng)性能最優(yōu)，則得到底盤系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)， 否則返回重新進(jìn)行計(jì)算，直到底盤系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)為止，最終得到底盤系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)。
[0120] 本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技 術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還 應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0121]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)，其特征在于，包含差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸 架模塊； 所述差速轉(zhuǎn)向模塊包括方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、兩個(gè)輪穀電機(jī)、車速 傳感器、兩個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器和差速轉(zhuǎn)向控制ECU; 汽車的方向盤總成通過轉(zhuǎn)向柱與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器連接，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向橫拉 桿與汽車前輪的車軸連接； 所述方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)向柱上，用于獲取汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角； 所述兩個(gè)輪穀電機(jī)分別用于兩個(gè)前輪的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)； 所述車速傳感器用于獲得汽車的車速； 所述兩個(gè)輪速傳感器分別設(shè)置在兩個(gè)前輪上，分別用于獲得兩個(gè)前輪的角速度； 所述橫擺角速度傳感器用于汽車的橫擺角速度； 所述差速轉(zhuǎn)向控制ECU分別和方向盤轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、兩個(gè)輪穀電機(jī)、車速傳感器、兩 個(gè)輪速傳感器、橫擺角速度傳感器電氣相連，用于根據(jù)汽車方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角、車速、兩 個(gè)前輪的角速度、橫擺角速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)左右輪穀電機(jī)發(fā)出電流信號(hào)，使得左右輪穀電機(jī) 輸出不同的驅(qū)動(dòng)力矩，W實(shí)現(xiàn)差速助力轉(zhuǎn)向； 所述主動(dòng)懸架模塊包括彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)； 所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過彈性元件、阻尼元件、力發(fā)生器將汽車的車身與車架相連； 所述差速制動(dòng)模塊包括制動(dòng)踏板位置傳感器和差速制動(dòng)控制ECU; 所述制動(dòng)踏板位置傳感器用于獲取汽車制動(dòng)踏板被踏下的行程； 所述差速制動(dòng)控制ECU分別制動(dòng)踏板位置傳感器、兩個(gè)輪穀電機(jī)、車速傳感器、兩個(gè)輪 速傳感器、橫擺角速度傳感器電氣相連，用于根據(jù)制動(dòng)踏板被踏下的行程、車速、兩個(gè)前輪 的角速度、橫擺角速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)左右輪穀電機(jī)發(fā)出電流信號(hào)，使得左右輪穀電機(jī)輸出不 同的制動(dòng)力矩，W實(shí)現(xiàn)差速制動(dòng)。2. 基于權(quán)利要求1所述的電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，包含W下步 驟： 步驟1)，建立主動(dòng)懸架模塊模型、差速轉(zhuǎn)向模塊模型、整車動(dòng)力學(xué)模型、差速制動(dòng)模塊 模型，所述差速轉(zhuǎn)向模塊模型包括方向盤模型、輸入軸和輸出軸模型、齒輪齒條模型、電機(jī) 模型、路面輸入模型和輪胎模型。 步驟2)，在制動(dòng)工況下，W轉(zhuǎn)向路感、轉(zhuǎn)向靈敏度和懸架平順性為電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng) 的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，W轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、制動(dòng)減速度、懸架動(dòng)載荷和限位移為約束條件，并建立差 速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)： 步驟3)，根據(jù)差速轉(zhuǎn)向模塊、差速制動(dòng)模塊和主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)建 立電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型； 步驟4)，設(shè)置優(yōu)化變量、性能指標(biāo)范圍和約束條件范圍，基于NSGA-n算法對(duì)底盤系統(tǒng) 進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到底盤系統(tǒng)有關(guān)所述優(yōu)化變量的優(yōu)化參數(shù)，并根據(jù)得到優(yōu)化變量的優(yōu)化 參數(shù)對(duì)底盤系統(tǒng)對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟2) 中： 1 )，差速轉(zhuǎn)向模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：式中，fi(X)表示差速轉(zhuǎn)向路感在路面信息有效頻率范圍（〇，ω〇)內(nèi)的頻域能量平均值； ω〇表示路面信息中有用信號(hào)的最大頻率值;E(s)為差速轉(zhuǎn)向路感傳遞函數(shù)：式中，Je、Be分別為轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼;Th為駕 駛員作用于方向盤等效力矩;Tw為繞轉(zhuǎn)向主銷作用于輪胎的阻力矩;Ks為方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器 等效剛度;rs為左、右兩前轉(zhuǎn)向輪的主銷橫向偏移距;r為車輪半徑;化為轉(zhuǎn)向直拉桿與車軸 之間距離;Jeq，Beq分別為輪穀電機(jī)與車輪總成等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼;G為齒輪齒條機(jī)構(gòu)的傳 動(dòng)比;Π 2為轉(zhuǎn)向螺桿到前輪的傳動(dòng)比； 2 )，差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)：式中，f2(X)表示差速轉(zhuǎn)向靈敏度在路面信息有效頻率范圍（0，ω 0)內(nèi)的頻域能量平均 值；ω〇表示路面信息中有用信號(hào)的最大頻率值;為差速轉(zhuǎn)向靈敏度傳遞函數(shù)：e。為車輪中屯、到主銷的距離;kl、k2為前輪側(cè)偏剛度;JeJe分別為轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒 條轉(zhuǎn)向器齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼;El為前輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù);δ是前輪轉(zhuǎn)向角；0S為方向 盤轉(zhuǎn)角;β為質(zhì)屯、側(cè)偏角；ω r為橫擺角速度;f為俯仰角;a汽車質(zhì)屯、至前軸的距離;U為汽車 車速； 3)，主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為：式中，W〇、Wi、Wj+4為權(quán)重；S0、Si、Sj+4為比例因子； 為平順性Ξ大評(píng)價(jià)指標(biāo)的頻域能量：Οχ為振動(dòng)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差，/ = ^為頻率，Wi、./wU即為幅頻特性恪(與化U批/，:Gx (f)為響應(yīng)量功率譜密度，G,/ 〇為路面輸入量的功率譜密度； W_-:, 9為車身振動(dòng)加速度傳遞函數(shù)：mii為輪胎質(zhì)量;m2i為黃載質(zhì)量;kli為輪胎等效剛度;k2i為主動(dòng)懸架剛度;C2i為主動(dòng)懸架 阻尼;下標(biāo)i為f或r，f、r分別代表前、后輪。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟3)中 電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型f(X)為：式中，fi(X)表示差速轉(zhuǎn)向模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);f2(X)表示差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo) 的目標(biāo)函數(shù);f3(X)表示主動(dòng)懸架模塊的性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)；ω〇表示路面信息中有用信號(hào) 的最大頻率值，優(yōu)化設(shè)計(jì)中取ω 0 = 40化;Wi、wo、Wi、Wj+4為權(quán)重；Si、so、Si、Sj+4為比例因子;Οχ 為振動(dòng)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟4)中 設(shè)置的優(yōu)化變量為： 差速轉(zhuǎn)向模塊中轉(zhuǎn)向輸出軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器小齒輪結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je和阻尼Be、 方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器等效剛度Ks、差速轉(zhuǎn)向模塊和差速制動(dòng)模塊中輪穀電機(jī)與車輪總成等效 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq和阻尼Beq、主動(dòng)懸架模塊中懸架剛度系數(shù)k2f、k2r，W及懸架阻尼系數(shù)C2f、C2f。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟4)中 設(shè)置的約束條件范圍為： (1) 在優(yōu)化過程中，差速轉(zhuǎn)向靈敏度傳遞函數(shù)的分母應(yīng)滿足Routh判據(jù)的約束條件； (2) 在優(yōu)化過程中，制動(dòng)減速度應(yīng)滿足; (3) 在優(yōu)化過程中，為防止共振，懸架動(dòng)曉度保證:fcr=(0.6~0.8)fcf，式中：fcf = mfg/ k2f，fcr = mrg/k2r; (4) 在優(yōu)化過程中，根據(jù)限位移的要求，相對(duì)阻尼系數(shù)滿足ξε [0.25,0.35]，其中，7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動(dòng)輪汽車底盤系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟4)中 設(shè)置的性能指標(biāo)的范圍為： 在優(yōu)化過程中，差速制動(dòng)模塊性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足0. 〇〇6《f2(X)《0.021。
【文檔編號(hào)】B60L15/20GK106080263SQ201610517268
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】趙萬忠, 楊遵四, 王春燕
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)