轮毂集成电机电动汽车非簧载质量的被动与主动隔离缓解研究

《World Electric Vehicle Journal》：Mitigating Unsprung Mass in an Electric Vehicle Through Passive and Active Isolation of a Wheel-Integrated Motor

　　

这项数值研究考察了轮毂集成电机的推进质量能否与车轮组件隔离，以减轻非簧载质量增加带来的不利影响。研究采用恒定的400 kg车辆单角质量，对三种匹配构型进行比较。集中驱动参考构型的簧载质量为370 kg，车轮质量为30 kg。将40 kg电机转移至车轮，得到刚性车轮安装电机构型，其簧载质量为330 kg，非簧载质量为70 kg。在所提出的构型中，同样的40 kg电机成为330 kg车身与30 kg车轮组件之间的中间坐标。刚性电机安装使总体验证隆起RMS加速度、隆起峰值加速度和随机路面轮胎力分别相对于集中驱动参考构型增加33.1%、41.1%和35.8%。一项2500点极大极小拉丁超立方搜索选出了被动隔离电机设计，其弹簧刚度比为0.869，局部阻尼为1774 N·s/m。相对于刚性安装，该设计将所有六项场景平均隆起和C级路面指标降低13.3%–29.2%。为40 kg电机选择的参数在电机质量从20 kg变化至60 kg时仍保持比值低于1。在所选的作动器力限制下，平衡LQR将平均随机路面加速度相对于刚性安装降低76.6%，轮胎力降低8.3%，但悬架行程增加18.2%。舒适LQR产生更大的加速度降低以及更大的行程和轮胎力代价。所有500个采样的被动和主动参数组合在所研究的 uncertainty 范围内保持稳定。本研究的贡献在于提供了一个质量匹配的数值框架，将刚性车轮安装电机运行的代价与通过隔离现有推进质量所获得的恢复分开，无需增加单独的吸振器，并量化了进一步主动控制的权衡。

论文解读

一、研究背景与问题

车辆悬架设计需要在乘坐舒适性、悬架工作空间和轮胎与路面接触之间取得平衡。这些目标相互耦合，因为减小传递至车身的力可能会增加悬架相对运动或动态轮胎载荷。四分之一车辆模型对于识别这些机理以及在匹配条件下比较被动与主动设计仍然十分有用。

电动推进改变了这一问题——当电机和减速部件被布置在车轮处时，集中驱动将大部分推进质量保留在簧载侧，而轮毂集成驱动则将部分质量转移至车轮组件。由此导致的非簧载质量增加可能改变车轮跳动模态、悬架行程和动态轮胎力。近期整车和频域研究证实，其影响取决于路面输入、车速和所选响应位置，但非簧载质量增加始终需要特别关注悬架工作空间和路面保持能力。

已有研究提出了多种解决途径：结构集成可降低等效非簧载质量，悬挂式电机可充当动力吸振器，主动或半主动悬架可重新分配响应。然而，现有方法仍存在方法论上的缺口：缺乏一种质量匹配的比较框架，能够在保持总车辆角质量恒定的前提下，将集中驱动、刚性车轮安装电机和隔离轮毂集成电机三种构型进行公平对比。这种比较能够将转移必要推进质量至车轮所造成的代价与隔离同一质量所获得的收益分离，且无需添加辅助吸振器。此外，还需检验为某一电机质量选择的参数在现实质量范围内是否依然有效，以及主动增益在主要机械参数变化时能否保持稳定性。

二、研究内容与意义

本研究采用三坐标四分之一车辆模型，在400 kg恒定车辆角质量下对三种构型进行比较。基线车轮组件为30 kg，20–60 kg的推进质量从簧载侧转移至车轮或独立的中间坐标。标称40 kg案例遵循已发表的中级车轮侧驱动示例，代表从簧载侧转移的现有推进单元，而非额外吸振器质量。等效悬架刚度、轮胎刚度和主悬架阻尼保持恒定，从而使比较能够隔离电机安装方式的影响。

研究首先量化刚性电机安装的代价，然后选择被动隔离电机的弹簧分配和局部阻尼，在完整电机质量范围内测试所选参数，并与各质量下独立重调的方案进行比较。两个全状态LQR控制器在力饱和、30条独立C级路面、车速变化和覆盖五个机械参数的500样本敏感性研究条件下进行评估。该分析为数值研究，不声称实验验证。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：第一，三坐标四分之一车辆模型，包含簧载车身质量、隔离电机质量和剩余车轮组件质量，用于描述集中驱动、刚性车轮安装电机和隔离电机三种构型；第二，2500点极大极小拉丁超立方采样，在弹簧刚度比0.2–5和局部阻尼100–5000 N·s/m的参数空间内搜索被动隔离电机设计；第三，全状态反馈LQR控制设计，采用舒适和平衡两种权重配置，并施加对称力饱和限制；第四，ISO 8608 C级路面谱的傅里叶级数模拟，生成30条独立随机路面实现；第五，500样本极大极小拉丁超立方参数敏感性分析，采用Spearman相关系数评估参数与输出的关联。样本队列来源于已发表文献中400 kg中级车轮侧驱动电动汽车示例。

四、研究结果

4.1 刚性车轮安装电机的影响与标称被动设计

图4显示，在总车辆角质量保持恒定的情况下，将40 kg推进质量从车身转移至刚性车轮安装电机，使总体验证隆起RMS加速度从0.522增至0.695 m/s2，隆起峰值加速度从4.895增至6.909 m/s2，最大行程从44.33增至48.96 mm。随机路面加速度从1.169增至1.311 m/s2，轮胎力从708.7增至962.0 N。刚性安装的主要代价体现在车身加速度和动态轮胎力，而非所有响应指标。图5展示了2500候选被动搜索，所选采样设计的最大个体归一化性能比为0.8672，代表隆起期间最大下部和上部电机相对运动分别为27.28 mm和20.10 mm。

4.2 电机质量范围内的被动性能

表2比较了标称构型。相对于刚性安装，被动隔离电机将隆起RMS加速度降低16.7%，隆起峰值加速度降低20.4%，最大隆起行程降低13.3%，随机路面加速度降低13.3%，行程降低13.3%，动态轮胎力降低29.2%。隔离电机还改善了相对于集中驱动参考构型的三个随机路面指标，但其隆起加速度仍高于该参考。图6和表3显示，40 kg参数在20–60 kg电机质量范围内使所有六项比值保持在1以下。固定设计的最差比值从20 kg时的0.956降至60 kg时的约0.868。重调对较轻的20 kg电机和50–60 kg的悬架行程提供最大额外收益；在40 kg附近，独立重调搜索在采样设计分辨率内复现标称结果。

4.3 力饱和下的主动控制

图8和表4量化了作动器饱和效应。舒适调谐仅在力限制升至2000 N附近时才接近其无限制随机路面加速度，无饱和时达到2219.9 N的隆起峰值力。平衡调谐在约2000 N以上保持不变，所需RMS力更小。在所选力限制下，舒适控制器使用±1500 N，平衡控制器使用±1000 N。舒适控制器在评估隆起区间的0.755%达到±1500 N，平衡控制器在1.411%达到±1000 N。30条C级路面实现中，舒适控制器平均饱和发生率为1.948%，RMS机械功率为433.2 W，峰值绝对机械功率为2.311 kW；平衡控制器平均饱和发生率为4.197%，RMS机械功率为252.2 W，峰值绝对机械功率为1.286 kW。

4.4 路面变异性、车速与参数敏感性

图9和表5总结了20 m/s下30条独立C级路面的结果。刚性车轮安装电机运行给出1.339 m/s2加速度、12.00 mm行程和982.8 N轮胎力的平均值。被动电机隔离将这些值降至1.161 m/s2、10.41 mm和695.9 N。±1000 N限制下，平衡LQR将加速度降至0.313 m/s2，轮胎力降至901.6 N，但行程升至14.19 mm。±1500 N限制下，舒适LQR将加速度进一步降至0.124 m/s2，同时行程增至17.36 mm，轮胎力增至1063.2 N。归一化动态载荷系数确认了相同解释：刚性电机安装将平均DLC从集中驱动的0.1846增至0.2505，被动隔离将其降至0.1773，平衡LQR给出0.2298，舒适调谐增至0.2709。图10显示相同定性权衡在10–30 m/s车速范围内持续存在。图11显示，被动加速度主要由簧载质量支配，被动行程由悬架阻尼支配，被动轮胎力由轮胎刚度支配。所有500个采样组合在所研究的不确定性范围内保持稳定。

五、讨论总结

研究确立了核心机理：将40 kg推进单元从车身转移至刚性车轮安装电机增加了车轮侧惯量，产生隆起加速度和动态轮胎力的大幅代价。隔离同一必需电机质量恢复了独立坐标，通过弹簧分配和局部阻尼器重定向和耗散运动。被动系统相对于刚性安装改善所有六项聚合指标，收益来自改变现有推进质量的连接方式而非添加辅助质量。集中驱动参考仍然重要，被动隔离可在某些随机路面指标上优于集中参考，但隆起加速度仍较高，且电机隔离支架需要相对运动，必须物理上予以容纳。

40 kg设计在20–60 kg电机质量范围内保持有效。20 kg时裕度较小，因为可用于隔离的中间惯量减少。随着电机质量增加，刚性安装产生更大的基线代价，隔离坐标提供更大的相对收益。重调改变优选阻尼和刚度分配，但标称点附近的差异有限，支持在有限电机系列中使用单一固定设计。

力容量改变主动控制权衡。舒适调谐使用更大的修正力，实现最低车身加速度，但也产生最大悬架行程和轮胎力。平衡控制器给出较少的加速度降低和较小的代价。对于所假设的系统，±1000 N是平衡增益的合理初始限制，而舒适增益需要更大的作动器并需单独评估轮胎载荷、行程、功率和热需求。平衡调谐将平均RMS机械功率从433.2降至252.2 W，平均峰值绝对机械功率从2.311降至1.286 kW，是作动器力和机械功率容量受限时更可辩护的起点。

参数敏感性显示主要通道与模型物理一致：簧载质量支配车身响应，悬架阻尼支配相对运动，轮胎刚度支配路面载荷传递。电机质量在±10%范围内具有较弱的局部系数，但20–60 kg更宽范围研究提供了被动设计有效性的适当证据。稳定性计数是有用的数值证据，但不是正式的鲁棒稳定性证明。

六、结论翻译

本研究将中间质量悬架重新定义为轮毂集成电动汽车必需推进质量的隔离架构。在恒定400 kg车辆角质量下，将标称40 kg电机从车身刚性转移至车轮，使聚合隆起RMS加速度相对于集中驱动增加33.1%，隆起峰值加速度增加41.1%，随机路面轮胎力增加35.8%。从2500个候选中选出的被动隔离电机相对于刚性安装将所有六项聚合指标降低13.3–29.2%。相同参数在20–60 kg电机质量范围内使所有比值保持在1以下，独立重调在标称设计附近仅提供有限额外收益。因此，被动隔离恢复了主要的非簧载质量代价，但未对每次激励产生相对于集中驱动的无条件支配。30条C级路面中，±1000 N限制的平衡LQR将加速度和轮胎力相对于刚性安装分别降低76.6%和8.3%，但悬架行程增加18.2%。舒适LQR给出更大的加速度衰减，伴随更大的行程、轮胎力和作动器需求。所有500个采样的被动和主动参数组合在所研究的不确定性范围内保持稳定。本研究的贡献并非新的悬挂电机概念或新的LQR算法，而是一个质量匹配的数值框架，将刚性车轮安装电机运行的代价与隔离同一必需推进质量的收益分离，在20–60 kg范围内测试固定和重调被动设计，并在作动器力和不确定性约束下量化主动控制权衡。当前结果确立了架构级可行性和性能趋势；实验验证和电机特定机械设计仍然必要。