城市微出行车辆轮内悬架优化几何形状的结构-舒适一体化方法

《Designs》：A Structural-Comfort Integrated Approach to Optimized Geometries for In-Wheel Suspensions in Urban Micromobility Vehicles

　　

城市微出行车辆（如自行车和电动自行车）悬架系统的发展需要在有效路面滤波与结构简单性之间取得平衡。传统解决方案（如伸缩前叉和后减震器）面临重量、体积和机械复杂性的重大挑战，这增加了生产和维护成本。将轮毂电机（In-Wheel Motor, IWM）集成到轮毂中进一步复杂化了设计，增加了非簧载质量和垂直振动，对乘坐舒适性产生负面影响。轮内悬架（In-Wheel Suspension, IWS）系统通过将弹性元件和阻尼元件直接集成到轮辋中，提供了一种创新解决方案，无需修改车架并减轻了整体重量。本研究提出了一种集成方法，用于优化IWS弹性元件的内部几何形状，使用LS-Dyna进行结构分析，并在Simulink环境中进行动态仿真以评估舒适性。结果表明，优化辐条和轮辋的几何形状显著降低了刚度变化和自激振动，提高了乘坐舒适性和抗疲劳性。优化的IWS设计最小化了临界速度下的不适峰值，并改善了振动衰减。然而，较高的平均刚度限制了在速度超过10 km/h时的滤波性能。尽管IWS系统在减重、紧凑性和结构简单性方面具有优势，是有前途的传统悬架替代方案，但仍需进一步改进——如使用复合材料和其他几何形状——以进一步提高舒适性并确保对可变负载的结构抗力。

**论文解读：城市微出行车辆轮内悬架的几何优化与舒适性集成研究**

**研究背景与问题**

城市微出行车辆（如自行车、电动自行车e-bikes及轻型四轮车）的悬架系统开发面临核心矛盾：如何在有效滤除路面激励的同时保持结构简单性。传统解决方案（如伸缩前叉和后减震器）存在重量大、体积占位、机械复杂度高的问题，导致生产与维护成本攀升，尤其在共享出行服务中，任一悬架故障往往使整车停运。此外，轮毂电机（In-Wheel Motor, IWM）的集成引入了大量非簧载质量，显著加剧了垂直振动，严重恶化乘坐舒适性。轮内悬架（In-Wheel Suspension, IWS）系统通过将弹性与阻尼元件直接集成于轮辋内部，避免了车架修改并减轻了总重，为上述问题提供了创新出路。然而，现有IWS设计存在关键缺陷：旋转过程中刚度随角度变化（即旋转刚度波动），导致自激振动；且平均刚度过高，限制了高速下的滤波性能。当前研究缺乏将弹性元件内部几何特征（如辐条形状）与刚度、舒适性直接关联的集成设计方法，且鲜有利用真实道路谱数据评估特定IWS刚度对用户感知舒适性影响的工作。为此，本研究旨在通过几何优化方法最小化IWS的自激振动，提升城市微出行车辆（最高速度30 km/h）的行驶稳定性和舒适性。

**研究内容与结论**

研究人员采用结构分析与动态仿真相结合的集成方法，以LS-Dyna进行有限元结构分析，在Simulink环境中建立集总参数动力学模型，基于ISO 2631-1和ISO 8608标准评估舒适性。通过优化辐条和轮辋的几何形状（特别是梯形辐条设计），成功将刚度波动系数（Coefficient of Variation, CV）降至2%以下，使自激振动显著减弱。优化后的IWS车轮在临界速度（约6.6 km/h）下的不适峰值被大幅消除，低粗糙度路面（A级）上时速10 km/h以下几乎无不适感。然而，由于平均刚度维持在75–81 N/mm，在时速超过10 km/h时滤波性能受限，导致较高不适水平。该研究建立的几何优化方法论可推广至不同轮径（如26或28英寸）和负载场景，为IWS技术从低速城市物流车向更高速度应用奠定基础。论文发表在《Designs》。

**主要技术方法**

1. **实验基准测试**：对20英寸城市自行车轮进行加载-卸载试验，测量轮胎径向刚度（50 N/mm）、轮辋-辐条组件直径刚度（127.4 N/mm）及整体车轮直径刚度（20.9 N/mm），为数值模型提供基础参数。
2. **有限元结构分析**：在LS-Dyna中建立二维壳单元模型（采用Bathe–Dvorkin全积分公式避免沙漏模式），模拟车轮滚动，评估不同角度位置下的垂直刚度，并计算平均刚度（k_avg）及其百分比变化（Δk）。
3. **动力学舒适性分析**：在Simulink中建立2自由度（2 DOFs）四分之一车模型，包含车辆簧载质量与非簧载质量，以IWS车轮刚度作为角度函数输入，基于ISO 2631-1加权加速度（a_w）评估舒适性，并利用ISO 8608 A级和B级路面谱进行时域仿真。
4. **几何优化筛选**：在离散设计空间内（圆形vs.梯形辐条、3或4辐条、辐条厚度2–4 mm、轮辋厚度3–8 mm），以最小化刚度波动（Δk）为首要目标，其次最小化平均刚度，约束结构安全系数≥1.5及制造简易性，选出最优梯形四辐条配置（辐条厚3 mm，轮辋变厚度8–10.5 mm）。

**研究结果**

**3.1 结构行为——刚度与应力**
- **3.1.1 辐条几何选择**：通过对比圆形和梯形辐条，发现梯形几何在相同尺寸下与轮辋接触曲率更低，改善接触渐进性。分级筛选表明，四辐条梯形配置（辐条厚3 mm、轮辋厚8 mm）具有最低的刚度波动（Δk=13.8 N/mm）和较低的平均刚度（75.2 N/mm），显著优于三辐条方案。该配置下辐条-轮辋连接处最大应力约170 MPa，安全系数≈1.5。
- **3.1.2 变厚度轮辋滚动测试**：在梯形辐条基础上，对轮辋进行差异化加厚（在辐条间区域增至10.5 mm），使刚度系数CV降至2%以下。优化后车轮旋转时应力状态更均匀，定性增强疲劳抗力。初步寿命评估表明，按每年3000 km使用，载荷循环次数低于200万次，170 MPa峰值应力可满足3年寿命，采用2014-T4铝合金（疲劳极限≈260 MPa）可提供充足安全裕度。

**3.2 动态分析——振动与舒适性**
- **3.2.1 自由度选择**：对比1 DOF和2 DOFs模型的频率响应函数（FRFs），发现引入轮胎滤波效应后，截止频率从7.1 Hz降至4.5 Hz，因此采用2 DOFs模型进行后续舒适性分析。灵敏度分析表明，刚度波动引起的截止频率变化小于5%，故可用平均刚度进行FRF计算。
- **3.2.2 优化IWS几何的动态响应**：基准IWS车轮平均刚度75.2 N/mm、波动13.8 N/mm；优化后平均刚度80.6 N/mm、波动4.1 N/mm。频率域分析显示，优化版本在辐条频率（四倍滚动频率）处的功率谱密度（PSD）峰值大幅降低，但出现二次谐波峰值。
- **3.2.3 临界速度**：自激振动频率与车辆一阶固有频率同步时产生临界速度，优化IWS车轮的首次临界速度为6.6 km/h。通过扁平化刚度轮廓，从激励源本身抑制自激振动。
- **3.2.4 舒适性**：在A级和B级路面上进行不同速度（5–30 km/h）仿真。优化车轮显著降低了临界速度附近的不适峰值，低粗糙度路面（A级）时速10 km/h以下几乎无不适（a_w<0.63 m/s2），但高速时不适水平升高（时速15–20 km/h为轻度不适，>20 km/h为高度不适）。与恒定刚度理想车轮对比，优化车轮在低速时略差，但远优于基准IWS车轮；高速时性能接近。结论是优化几何虽有效抑制自激振动，但平均刚度过高限制了高速滤波性能。

**讨论与结论**

讨论部分指出，优化后的IWS车轮平均刚度（75–81 N/mm）仅能在时速10 km/h以下提供满意舒适性，更适合低速城市物流车。要突破高速限制，必须采用更易变形的材料（如碳纤维复合材料）、替代几何形状或增加阻尼系数。当前研究的舒适性指标因将骑手简化为集中质量而偏保守，实际鞍座二次阻尼会进一步衰减振动。研究为后续实验验证和复合材料集成建立了几何基线，并表明优化几何是实现疲劳管理的前提。结论部分翻译如下：

**结论**：城市微出行车辆（如自行车和电动自行车）有效悬架系统的开发面临平衡路面滤波性能、结构简单性、重量、成本和机械复杂性的挑战。传统系统（如伸缩前叉和后减震器）需要大量车架修改，增加制造成本并复杂化维护，尤其对于共享出行服务。此外，轮毂电机的集成增加了非簧载质量，对乘坐舒适性产生负面影响并放大振动。这些挑战凸显了对定制化城市出行创新解决方案的需求。轮内悬架（IWS）系统通过将弹簧和减震器直接集成到轮辋中，提供了一种新颖方法，无需车架修改并减轻了车辆重量。这种紧凑的悬架设计在不牺牲舒适性的前提下将柔性引入车轮组件。本研究引入了一种集成方法，用于优化IWS系统弹性元件的内部几何形状，填补了先前研究的空白。通过采用先进的结构分析和动态仿真，研究将悬架元件的几何特征与其刚度联系起来，旨在优化抗疲劳性，同时使用真实道路谱数据评估其对用户感知舒适性的影响。关键发现包括成功优化了IWS系统的内部几何形状，特别是梯形辐条设计，它减少了刚度变化和自激振动。优化后的IWS车轮实现了更均匀的刚度分布，最小化了振动和疲劳。此外，优化设计减少了与临界速度相关的不适峰值，临界速度发生在IWS车轮的自激频率与车辆固有频率同步时。尽管数值结果聚焦于20英寸配置，但提出的几何优化方法提供了可扩展至不同轮径（如26或28英寸）和典型微出行领域负载谱的通用设计框架。尽管取得了这些进展，研究也指出了局限性。优化后的IWS车轮的高平均刚度（75–81 N/mm）限制了其在时速10 km/h以上的滤波性能。虽然优化设计减少了刚度变化和自激振动，但整体不适水平仍然较高，尤其在粗糙路面或高速条件下。需要进一步改进以提升舒适性能，例如探索使用更易变形的材料、替代几何形状以及增加弹性元件的阻尼系数。复合材料有助于根据不同的道路条件和车速调整阻尼和弹性特性。值得一提的是，由于将骑手简化为集中质量，所报告的不适水平反映了最坏情况。在实际应用中，自行车鞍座提供的二次阻尼将进一步衰减传递给用户的振动。这表明，优化的IWS几何形状在比原始底盘级仿真所指示的更广泛的城市速度范围内提供了足够的舒适性水平。优化梯形几何的实验验证可行性很高。基于此处建立的结构-几何结果，未来工作将侧重于制造和测试物理原型，以验证系统在实际动态条件下的性能。结果还建立了结构和几何基线：未来使用碳纤维或其他复合材料将利用这些优化形状来降低平均刚度，解决当前高速下的舒适性限制，同时保持已实现的动态稳定性。虽然本研究确立了最小化垂直自激振动的几何基础，但应注意，对于IWS设计，径向分量是振动不适的主要驱动因素。鉴于垂直加速度在人体振动感知中的主导地位，当前的径向优化仍是系统改善乘坐品质有效性的最关键证据。未来发展将把动态建模扩展到包括纵向和横向力及加速度，以及在人体振动相关点（如车把、脚踏）的测量。这将允许评估IWS在复杂机动和高速避障过程中的性能，确保系统在城市骑行典型的所有操作自由度上的鲁棒性。当前的结构分析在识别铝合金辐条安全系数为1.5的同时，强调了几何优化是疲劳管理的基本前提。未来研究将把这些优化形状与高性能复合材料集成，以同时降低平均刚度和最大应力，确保商业应用中数百万次载荷循环的结构完整性。结果确立了优化后的IWS几何形状与城市领域有限寿命要求的兼容性。由于每年密集使用低于200万次，当考虑高性能铝合金（如2014-T4）以确保稳健的疲劳安全裕度时，所识别的峰值应力（170 MPa）对于预期使用寿命是可持续的。未来发展还将解决这些优化几何形状与紧凑型电驱动系统的模块化集成问题，确保在高密度集成场景中结构支撑不与潜在的内部电机组件冲突。总之，本研究超越了IWS系统的简单性能基准测试。它建立了一种设计方法论，将车轮视为具有可变几何形状的动态组件，而非静态弹簧。成功将刚度波动降至2%以下，是使IWS技术适用于更高速度城市车辆的重要一步，在这些车辆中，传统的非优化IWS解决方案会因过度的自激振动而失效。通过应用研究结果，IWS系统成为一种潜在的技术方向，尽管在重量和简单性方面具有优势，但仍需大量进一步开发以作为传统悬架系统的功能性替代方案。为了克服在更高速度下观察到的舒适性限制，未来的迭代必须从铝材转向高性能复合材料（如碳纤维），这将允许系统利用稳定的梯形几何形状，同时显著降低平均刚度至接近传统悬架的值。随着材料和设计策略的持续进步，IWS系统可通过提供更平稳、更高效和可持续的交通解决方案，为城市出行做出贡献。