四輪電驅(qū)汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)仿真*

杜榮華 鄒鴻翔 朱昭， 朱云

（1.長沙理工大學(xué)智能交通與車路協(xié)同技術(shù)研究所，長沙 410004）

（2.長沙理工大學(xué)工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)重點實驗室，長沙 410004）

引言

面對日益加劇的能源危機以及溫室效應(yīng)，開發(fā)新能源汽車來取代傳統(tǒng)的燃油汽車已經(jīng)成為眼前亟須解決的關(guān)鍵問題.電動汽車作為新能源汽車的突出代表其發(fā)展必將對未來汽車事業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響.現(xiàn)今，電動汽車主要分為電機間接驅(qū)動車輪和電機直接驅(qū)動車輪兩種形式，其中，以輪轂電機直接驅(qū)動車輪的電動汽車倚其簡潔的車體結(jié)構(gòu)、高效傳動、借助微機實時控制技術(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向差速和驅(qū)動防滑等突出優(yōu)點，成為電動汽車發(fā)展的一個獨特方向［1-8］.

近年來，國內(nèi)外對四輪電驅(qū)汽車開展了大量卓有成效的工作，但大部分的研究工作都聚焦于電動汽車電氣控制層面上，對其車身結(jié)構(gòu)研究甚少.車身作為車輛的主要部件之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個車輛的穩(wěn)定性、安全性以及乘坐舒適性［9］.較傳統(tǒng)汽車而言，四輪電驅(qū)汽車在行駛工況下由于各車輪受力不均以及電機控制差異性的影響，使其內(nèi)部受力變得更加復(fù)雜［10］.在研制四輪電驅(qū)汽車的過程中，考慮到四輪電驅(qū)汽車車身受力情況與傳統(tǒng)汽車不同，傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)并不完全適合四輪電驅(qū)汽車，在此基礎(chǔ)上，提出了一種縱向承載橫向不承載的半承載式車身結(jié)構(gòu)，并借助ADAMS軟件對其進行了動力學(xué)仿真研究.研究結(jié)果表明，車身所受橫向力的影響較小.

1 四輪電驅(qū)汽車的受力特點

受四輪電驅(qū)汽車驅(qū)動方式的影響，使得四輪電驅(qū)汽車中電動輪對車身的作用力變得更為復(fù)雜.車身不僅承受縱向汽車與乘客或在不平道路行駛時垂直向上的沖擊力，還承受變化的橫向拉力或壓力.以下為車身受力分析.

圖1 主動輪受力分析示意Fig.1 Driving wheel force analysis diagram

在分析車身受力之前，首先分析車輪的受力情況，如圖1所示，主動輪受到的力和力矩包括自身重力g、車身的縱向壓力T、地面的支撐力N、輪轂電機的驅(qū)動力矩M、路面阻止輪轂電機驅(qū)動車輪滾動產(chǎn)生的驅(qū)動摩擦力fm、產(chǎn)生滑移或滑移趨勢時產(chǎn)生的摩擦阻力fd以及當四輪速度不一致時，車身對車輪產(chǎn)生橫向拉力F.其中，F(xiàn)與fm水平方向的夾角為π－β，fd與fm水平方向的夾角為π－α.考慮電子差速轉(zhuǎn)向控制精度的影響，不僅可能產(chǎn)生與滾動方向一致的滑移，而且還會產(chǎn)生側(cè)滑.設(shè)車輪質(zhì)量為m輪，車重為m，輪速為V輪，車速為V，車輛不漂移，根據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué)進行分析，可以得出以下等式.

車輛受到的牽引力（fdi，i＝1、2、3、4）方向與速度方向之間的夾角為 ai（i＝1、2、3、4），有如下關(guān)系：

將車身、懸架及底盤當作一個整體，與四個裝配輪轂電機的車輪連接.車身重力為G，包括車體本身和乘客等，忽略車輛行駛中所受的風(fēng)阻影響，在四輪驅(qū)動行駛工況下，后輪對車身產(chǎn)生向前的推力F1、F2和豎直方向的作用力T1、T2，前輪對車身產(chǎn)生向前的拉力F3、F4和豎直方向的作用力T3、T4，如圖2所示.

圖2 車身受力分析示意圖Fig.2 Body stress analysis schematic diagram

車身的受力情況滿足如下關(guān)系：

上述的受力分析是基于車輪不偏轉(zhuǎn)的假設(shè)，當車輪偏轉(zhuǎn)時，車身受力情況可以進行類似考慮.由公式（3）可看出，與傳動汽車相比，四輪電驅(qū)汽車受到比較復(fù)雜的橫向內(nèi)力，故四輪電驅(qū)汽車車身結(jié)構(gòu)要求能夠承受一定的橫向內(nèi)力.

2 縱向承載橫向不承載車身結(jié)構(gòu)

車身一般分為非承載式車身和承載式車身.非承載式車身的汽車具備剛性車架，大部分總成部件依靠懸架裝置固定在車架上，車架通過前后懸架裝置與車輪聯(lián)接.非承載式車身比較笨重，質(zhì)量大，高度高，一般用在貨車、客車和越野車上，也有部分高級轎車使用，因為它具有較好的平穩(wěn)性和安全性.承載式車身的汽車沒有剛性車架，只是加強了車頭、側(cè)圍、車尾、底板等部位.承載式車身除其固有的乘載功能外，還要直接承受各種負荷力的作用.承載式車身具有質(zhì)量小、高度低、裝配容易等優(yōu)點，大部分轎車采用這種車身結(jié)構(gòu)［11］.

四輪電驅(qū)汽車承受比較復(fù)雜的橫向內(nèi)力，若采用傳統(tǒng)非承載式車身，可通過底盤承受四輪產(chǎn)生的部分變力，但結(jié)構(gòu)笨重、底盤高（裝設(shè)于減震器上），不適合要求輕便的電動汽車；若采用傳統(tǒng)的承載式車身，缺少底盤，車身承受四輪之間的力可能產(chǎn)生變形、振動，影響乘坐的安全性和舒適性.考慮到四輪電驅(qū)汽車的受力特點以及對車身結(jié)構(gòu)的特殊要求，提出一種適合四輪電驅(qū)汽車的縱向承載橫向不承載的承載式車身結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)包含車身，懸架系統(tǒng)，底盤以及多組膠套組件，如圖3所示.懸架系統(tǒng)中的減震器總成與車身固定，懸架系統(tǒng)中的擺臂與底盤鉸接，車身與底盤通過多組具有彈性的膠套組件連接.車身與減震器總成連接的部位相對車身其他部位加強，設(shè)計為縱向承載.

圖3 縱向承載橫向不承載的承載式車身結(jié)構(gòu)Fig.3 Vertical bearing lateral hosted unibody structure

前面將車身懸架等作為一個整體，車輪對車身的力和力矩表示為 Ti和 Fi（i＝1、2、3、4）.采用一定的車身結(jié)構(gòu)，可以將車輪對車身的作用力由不同部分承受，如圖4所示.以一個車輪進行分析，車身與懸架和底盤主要是彈性連接，且橫向相對懸架、底盤無法運動，設(shè)懸架系統(tǒng)彈性系數(shù)為kt、阻尼系數(shù)為c，底盤橫向相對懸架無法活動，相當于剛體，設(shè)彈性系數(shù)為kg，顯然kg?kt.當受到變化的橫向沖擊力時，沖擊力通過懸架減震器和底盤膠套作用于車身，設(shè)彈性連接部分承受力Ft，彈性部件的變形位移為dt，底盤剛體受力Fg，變形位移為dg，故有

圖4 縱向承載橫向不承載的承載式車身受力分析示意Fig.4 The vertical bearing lateral hosted unibody stress analysis to indicate

當受到橫向變力時，懸架減震系統(tǒng)和底盤分別會有一個沿分力方向的位移，由于底盤相對懸架無法移動，即dt約等于 dg，故可得出 Fg?Ft，即橫向變力主要由底盤承受，車身受到的橫向變力較小.

3 仿真分析

3.1 車身模型的建立

由于四輪電驅(qū)汽車車身承受的橫向力比較復(fù)雜，在理論分析的基礎(chǔ)上對它展開仿真研究，能夠更加直觀的反映出車身所受外力的情況.本文在ADAMS/view環(huán)境下構(gòu)建如圖5所示的車身動力學(xué)模型.模型包括車輪、懸架、底盤以及車身等主要構(gòu)件，各構(gòu)件之間按照四輪電驅(qū)汽車的運動關(guān)系添加一定的約束，根據(jù)上述車輪對車身的縱、橫向反作用力的分析，分別在兩車輪軸上施加動載Force，方向為縱、橫向的合力方向，以此來模擬車身所受的變化外力，并將兩個車輪motion值設(shè)定為V＝17m/s，以四輪電驅(qū)汽車的最大速度來模擬車輛的極限運行工況，據(jù)此分析車身在極限行駛工況下的受力特點.仿真中，用動載F模擬Fi與Ti的合力，模型的具體參數(shù)為：動載 F＝100×sin（60d×time）N，減震器 K＝129.8，C＝1000，阻尼器 K＝0，C＝4000.

圖5 iECar1/2車身動力學(xué)仿真模型Fig.5 Dynamics simulation model of iECar1/2 body

3.2 車身模型動態(tài)仿真分析

車輪運轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩并作用到懸架上，懸架系統(tǒng)作用力、膠套承載力以及車身重力之間相互影響，使得車身受力時刻處于變化狀態(tài).本文仿真時間設(shè)定為1000s，仿真步數(shù)位200，其仿真結(jié)果如圖6和圖7所示.

圖6 iECar車身橫向受力圖Fig.6 Lateral force diagram of iECar body

圖7 iECar車身縱向受力圖Fig.7 Longitudinal force diagram of iECar body

由仿真結(jié)果可知，車輪運轉(zhuǎn)時車身所受的橫向力與縱向力隨時間變化而出現(xiàn)周期性的改變，車身橫向受到的平均力為5N，縱向受到的平均力為50N，橫向所受外力影響較小，縱向受力明顯增大，且數(shù)值上高出橫向受力10倍左右，其仿真結(jié)果與車身受力理論分析是一致的.顯然，車身在動載的作用下，通過減震器和底盤對動載橫向力的吸收，大大減少了車身所受的橫向合力，車身縱向所受合力較大.此車身特有的結(jié)構(gòu)設(shè)計有效降低了四輪電驅(qū)汽車因四輪受力不均、電機控制差異或差速轉(zhuǎn)向等產(chǎn)生的變化內(nèi)力，從而確保四輪電驅(qū)汽車在行駛工況下的平順性和穩(wěn)定性.

4 結(jié)論

本文針對四輪獨立驅(qū)動電動汽車與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動的差異性，研發(fā)了一種適合四輪獨立驅(qū)動電動汽車的縱向承載橫向不承載的半承載式車身，并在ADAMS/view環(huán)境下構(gòu)建了1/2車身動力學(xué)仿真模型，其仿真結(jié)果表明，該車身結(jié)構(gòu)能夠有效承受四輪獨立驅(qū)動電動汽車在行駛工況下所受的變化內(nèi)力，對四驅(qū)電動汽車行駛穩(wěn)定性具有重要意義.

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