輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的懸架定位參數(shù)優(yōu)化分析

肖文文　張緩緩　軒飛虎

摘要：針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由非簧載質(zhì)量大而引起的平順性問題，通過增加車輪的質(zhì)量進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證非簧質(zhì)量增大確實(shí)會(huì)影響輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性。為改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性，通過多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS/Car建立某汽車的整車模型并對(duì)其進(jìn)行平順性仿真分析，建立的整車模型仿真實(shí)驗(yàn)主要由前后車輪、前后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及四柱實(shí)驗(yàn)臺(tái)等組成。通過選取適當(dāng)懸架的硬點(diǎn)坐標(biāo)作為優(yōu)化變量，以影響懸架的前束角、主銷內(nèi)傾角、外傾角、主銷后傾角等定位參數(shù)變化范圍作為優(yōu)化目標(biāo)。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，優(yōu)化后的外傾角、前束角等影響懸架的定位角參數(shù)的變化優(yōu)于優(yōu)化前，從而使得懸架的綜合性能達(dá)到最佳。結(jié)果表明，優(yōu)化之后的懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)可以有效地改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；輪轂電機(jī)；平順性；定位參數(shù)；仿真分析

中圖分類號(hào)：U1463.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）09-0148-05

0引言

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車在目前具有較好的發(fā)展前景，其具有可有效實(shí)現(xiàn)汽車尾氣零排放、能源利用多元化、高效化等優(yōu)點(diǎn)，且其直接或間接地把電機(jī)安裝在車輪上，使得機(jī)械傳動(dòng)裝置減少，這將提高電動(dòng)汽車能源的利用率、續(xù)航里程和提供乘客更大的空間。但由于輪轂電機(jī)安裝在車輪上使得電動(dòng)汽車的非簧載質(zhì)量增加，勢(shì)必影響到電動(dòng)汽車的平順性。平順性主要是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)乘員舒適性的影響在一定的界限之內(nèi)。本文嘗試通過優(yōu)化懸架的定位參數(shù)，改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的平順性。首先利用ADAMS/Car建立整車汽車模型對(duì)其進(jìn)行平順性仿真分析，通過改變車輪的質(zhì)量分析懸架的底盤加速度的變化、懸架動(dòng)撓度的變化以及車輪動(dòng)載荷的變化來評(píng)價(jià)是否會(huì)對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的平順性產(chǎn)生惡化。然后利用ADAMS/INSIGHT對(duì)所建立的懸架進(jìn)行定位參數(shù)的優(yōu)化，將優(yōu)化之后的懸架重新裝配到整車模型中，對(duì)比分析優(yōu)化的懸架是否可以有效地改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的平順性。

1整車模型

根據(jù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的機(jī)構(gòu)形式，在ADAMS/Car中建立前后懸架模型、車身模型、輪胎模型、轉(zhuǎn)向器等。

假設(shè)所建立的各個(gè)模型的所有部件為剛體，零部件之間的連接都簡(jiǎn)化為鉸鏈，不計(jì)內(nèi)部摩擦，彈簧剛度和減震器阻尼均假設(shè)為線性的。

1.1前后懸架模型

根據(jù)實(shí)際情況，將雙橫臂懸架簡(jiǎn)化為由上橫臂、下橫臂、拉力桿、主銷、轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)等構(gòu)件組成，如圖1所示。其中雙橫臂懸架中的減震器使用螺旋彈簧來代替，且需要給螺旋彈簧設(shè)置剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，把減震器安裝在汽車底盤和上橫臂之間。轉(zhuǎn)向節(jié)是固定在主銷上，主銷的連接方式是通過球副連接。上下橫臂是通過旋轉(zhuǎn)副連接在底盤上。拉力桿是直接固定在主銷上的，其連接方式是通過固定副，且與轉(zhuǎn)向拉桿連接，連接方式是通過球副。后懸架模型的建立同理，如圖2所示。

1.2輪胎模型

在進(jìn)行整車平順性仿真時(shí)，輪胎是不可缺少的一部分。在ADAMS/Car中有兩類輪胎模型，操縱型輪胎模型和耐久性輪胎模型。操縱型輪胎模型主要用于計(jì)算輪胎上的力和力矩，包括側(cè)向力、徑向力、回正力矩等，其評(píng)價(jià)的頻率較低，只能在二維路面上進(jìn)行分析。耐久性輪胎模型可以在不平路面上進(jìn)行耐久性分析，評(píng)價(jià)頻率高，充分地考慮了輪胎的包容性。根據(jù)仿真的需要，在進(jìn)行平順性仿真時(shí)，采用的是耐久性輪胎上的SWIFT（short wave-length intermediate frequency tire），該輪胎模型充分地考慮了分析截止和仿真時(shí)間的問題。

1.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車不可缺少的部分，本模型采用的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。汽車產(chǎn)生轉(zhuǎn)向動(dòng)作的過程：方向盤產(chǎn)生力矩或者是角度的輸入，通過恒速度副傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸荷轉(zhuǎn)向電機(jī)；轉(zhuǎn)向電機(jī)和車身通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，轉(zhuǎn)向梯形中的轉(zhuǎn)向搖臂可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副之間通過耦合副傳遞方向盤的力矩或角度，如圖3所示。

1.4整車模型的裝配

本文采用的是FOUR-POST試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，對(duì)其進(jìn)行平順性仿真分析。車輛整車模型建好之后需要設(shè)定一定的整車參數(shù)。FOUR-POST試驗(yàn)臺(tái)仿真整車平順性模型，不需要設(shè)置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比、制動(dòng)力系統(tǒng)分配系數(shù)，只需要根據(jù)整車模型參數(shù)調(diào)整整車車身質(zhì)心的質(zhì)量和位置。

2整車平順性仿真分析

2.1平順性分析

影響輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車平順性主要有懸架、輪胎、座椅、電機(jī)的質(zhì)量和電機(jī)的振動(dòng)。本文主要通過改變懸架的定位參數(shù)對(duì)前后懸架進(jìn)行一定的優(yōu)化，從而得出最佳的懸架定位參數(shù)，改善汽車的平順性。研究汽車的平順性離不開評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)方法有主觀評(píng)價(jià)方法和客觀評(píng)價(jià)方法，本文采用的是客觀評(píng)價(jià)方法。因本文重點(diǎn)是從懸架的角度來改善輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性，所以本文通過車身的垂向加速度、懸架動(dòng)擾度、車輪的動(dòng)載荷來表示輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車的平順性。首先通過對(duì)25 kg和60kg的輪胎進(jìn)行對(duì)比分析，表示增加35 kg的輪轂電機(jī)的質(zhì)量對(duì)汽車平順性的影響。設(shè)置仿真初始頻率為20 Hz，仿真時(shí)間為10 s，仿真主要看車身的垂直加速度、懸架動(dòng)擾度和車輪的動(dòng)載荷。通過四柱臺(tái)架對(duì)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車進(jìn)行平順性仿真，結(jié)果如圖5～圖7所示。

可以看出增加輪胎的質(zhì)量即增加非簧載質(zhì)量，會(huì)惡化輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性。如圖5所示，增加非簧載質(zhì)量會(huì)增加車身的加速度。車身加速度增加得不太明顯，但還是會(huì)從某種程度上對(duì)車身的平順性造成一定的影響。同理可以看出懸架的動(dòng)擾度變化也不是很明顯，如圖6所示。從圖7可以看出增加非簧載質(zhì)量對(duì)車輪的動(dòng)載荷有著明顯的影響，質(zhì)量越大對(duì)車輪的動(dòng)載荷影響也就越大，即增加非簧載質(zhì)量惡化車輪動(dòng)載荷。綜上所述非簧載質(zhì)量越大對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的平順性惡化就越嚴(yán)重。

2.2整車懸架分析

通過ADAMS/INSIGHT對(duì)前懸架優(yōu)化分析，由于前后懸架都使用雙橫臂懸架，且左右懸架相互對(duì)稱。所以本文主要研究前懸架的左懸架，同理可對(duì)前懸架的右懸架和后懸架的左右懸架進(jìn)行256次迭代優(yōu)化分析。在優(yōu)化之前需要設(shè)置優(yōu)化變量和優(yōu)化目標(biāo)，通過對(duì)懸架的初步分析找出對(duì)懸架的定位參數(shù)靈敏度較高的坐標(biāo)點(diǎn)作為優(yōu)化變量，優(yōu)化變量如表1所示。對(duì)懸架進(jìn)行平行車輪跳動(dòng)試驗(yàn)，并且設(shè)置跳動(dòng)的高度為上下各為50 mm，設(shè)置仿真類型為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。優(yōu)化目標(biāo)為懸架定位參數(shù)，外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前束角、前后輪距。

表2為各項(xiàng)指標(biāo)的擬合值，各指標(biāo)的R₂都大于0.9，R_2adj都是在1左右，表示懸架的定位參數(shù)的擬合效果較好。懸架定位參數(shù)的P都是為0，表示擬合中的有用項(xiàng)足夠多。

由圖8中可以看出外傾角的變化范圍從-1.25°～1°優(yōu)化為-1.75°～0.25°，外傾角優(yōu)化效果較好。由圖9可以看出，主銷后傾角優(yōu)化前后的變化范圍，從5.300°～5.575°優(yōu)化為5.400°～5.525°，主銷后傾角在優(yōu)化之后有增大的趨勢(shì)，主銷后傾角增大了0.15°左右，但還是在可控的懸架定位參數(shù)范圍內(nèi)。由圖10可以看出，主銷內(nèi)傾角的變化范圍從8.75°～11.4°優(yōu)化為9°～11.4°。主銷內(nèi)傾角的變化范圍在0.15。左右，對(duì)懸架的定位參數(shù)影響不大。由圖11可以看出前束角優(yōu)化前后的變化范圍，從-0.5°～3.5°優(yōu)化為-1.5°～2.25°，前束角優(yōu)化的效果比較好。圖12同理可得出輪距在優(yōu)化前后的變化，優(yōu)化后輪距有一定的增加，對(duì)懸架的穩(wěn)定性有一定影響。

3整車平順性仿真優(yōu)化分析

把優(yōu)化之后的懸架重新裝配在整車模型中，再一次對(duì)整車進(jìn)行平順性仿真分析，仿真是把非簧載的質(zhì)量調(diào)整為35kg即輪胎的質(zhì)量為60kg，通過對(duì)比，分析優(yōu)化后的懸架對(duì)整車平順性的影響。

從圖13～圖14中可以看出優(yōu)化之后的懸架對(duì)車身加速和整車懸架動(dòng)擾度影響不是非常好。由圖15可以看出優(yōu)化之后的懸架對(duì)整車平順性有著改善的效果，優(yōu)化之后的懸架對(duì)車輪動(dòng)載荷的優(yōu)化效果最好。

4結(jié)束語

1）利用ADAMS/Car通過增加整車非簧載量即輪胎的質(zhì)量進(jìn)行平順性仿真，從仿真結(jié)果中可以看出隨著非簧載質(zhì)量的增加，整車的平順性惡化越來越嚴(yán)重，每增加20kg的非簧載質(zhì)量，平順性惡化25%左右。

2）通過對(duì)懸架坐標(biāo)點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化之后的懸架可以對(duì)整車的平順性進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化效率達(dá)到50%左右。這對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車具有重大的意義。

3）優(yōu)化結(jié)果表明此優(yōu)化方法對(duì)懸架的外傾角、主銷后傾角和前束角的優(yōu)化效果比較好，而對(duì)主銷內(nèi)傾角和輪距影響不大。