微型電動汽車懸架系統(tǒng)特點分析及其優(yōu)化

陸革威

摘 要： 全球能源石油、煤炭等資源日益枯竭，危機進一步加劇，由于工業(yè)發(fā)展造成的空氣污染、全球溫室效應現(xiàn)象越發(fā)突出，世界各國在汽車制造領域更加注重節(jié)能、環(huán)境保護、尾氣及碳排放量減排，這是電動汽車產業(yè)快速發(fā)展成為未來汽車制造產業(yè)重點發(fā)展方向的主要原因。系統(tǒng)介紹了微型電動汽車技術發(fā)展的歷程及未來未來電動汽車研究的重點；介紹了懸架系統(tǒng)結構分類和特點以及ADAMS軟件功能；利用ADAMS軟件優(yōu)化設計了懸架結構。

關鍵詞： 微型電動汽車；懸架系統(tǒng)；ADAMS；優(yōu)化設計

1.綜述

電動汽車的發(fā)展歷經134年的悠久歷史，由初始的小市場、特定領域逐漸發(fā)展成為世界汽車工業(yè)優(yōu)先重點發(fā)展的高新技術產業(yè)?，F(xiàn)有的電動汽車分類較多，技術上逐步集成了現(xiàn)代智能化設計理念，廣泛應用先進的計算機控制、網絡、先進的材料制造、能源、信息等技術，應用上也逐步由高端化走向家庭化成為家庭代步的主要交通工具。也因此成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。近些年，隨著世界各國經濟快速發(fā)展，全球能源尤其是石油、煤炭等資源日益枯竭，危機進一步加劇，由于工業(yè)發(fā)展造成的空氣污染、全球溫室效應現(xiàn)象越發(fā)突出，世界各國在汽車制造領域更加注重節(jié)能、環(huán)境保護、尾氣及碳排放量減排，這也是電動汽車產業(yè)快速發(fā)展成為未來汽車制造產業(yè)重點發(fā)展方向的主要原因。當前，電動汽車主要分為：混合動力型 （HEV）、純電動型（ PEV）、燃料電池驅動型 （FCEV）等。而純電動型主要是指采用蓄電池作為動力源，以電動機驅動的汽車，電動汽車具有清潔、噪聲污染小、制動能量可回收、無尾氣及一氧化碳排放、節(jié)能、舒適性好等優(yōu)點，目前美國、日本、德國、中國等國家已經投入最大的人力、財力、技術等進行開發(fā)并逐步投放到市場應用中。

汽車產業(yè)發(fā)展方面，我國起步較晚，但是近些年國家大力發(fā)展汽車制造產業(yè)，尤其是電動汽車領域，發(fā)展迅速，成果顯著，我國擁有全球最為龐大的電池生產供應基地和鋰資源原產地，具有領先的鋰離子、磷酸鈦鋰電池制造等技術，解決了電池熱穩(wěn)定性等關鍵技術，為電動汽車提供高效、穩(wěn)定的動力源。

汽車穩(wěn)定性、舒適性、安全性的性能方面，現(xiàn)階段我國電動汽車很多制造廠家還處于改裝內燃機車的發(fā)展階段，還存在空間布置狹小、舒適性不高、動力不足、操縱穩(wěn)定性不強、平順性差、安全性偏低、由于前后橋荷載分配因素造成電池配置不集中、電池監(jiān)測及均衡性能不高等問題。而電動汽車懸架系統(tǒng)基于舒適性和行駛操縱穩(wěn)定性存在矛盾，改善電動汽車行駛的舒適性需要應用的彈性元件為較軟型材質，從而影響行駛轉彎過程汽車側傾，造成制動和加速的前后顛簸，降低了駕駛的穩(wěn)定性。相反，采用硬質的彈性元件提高電動汽車操縱穩(wěn)定性，勢必降低電動汽車舒適度[1]。

2.微型電動汽車懸架結構及特點

微型電動汽車懸架一般指承載式車身（汽車車架）與車輪轂（車橋）間的傳應力裝置總成。其主要作用傳遞來自路面對于車輪上的作用力及力矩，主要包括：支承力（）垂直反力、制動力與牽引力（縱向反力）、側向反力到承載式車身（車架），實現(xiàn)載荷的傳遞，沖擊力的緩和，振動的衰減，汽車位置的調節(jié)等功能，確保汽車安全行駛。電動汽車懸架設計決定了汽車的制動安全性、舒適性、操縱穩(wěn)定性、動力提升性等動力學性能。懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性地連接起來，并能都保證汽車行駛的平順性。懸架結構主要有導向裝置、減振裝置、阻尼元件、彈性元件、橫向穩(wěn)定桿等部件構成。目前可分為主動、非獨立、獨立等懸架結構，主動懸架結構主要分為半主動、可變特性、電子控制（ECAS）等主動懸架；非獨立懸架包括鋼板彈簧型、螺旋彈簧型、空氣彈簧型等非獨立懸架結構。獨立懸架又分麥克弗遜式、雙橫臂、縱臂式、單橫臂式、多連桿式等獨立懸架。當下麥克弗遜式與雙橫臂獨立懸架結構應用最為普遍。主動懸架剛度、阻尼特性可以動態(tài)的根據行駛條件狀況進行自適應性調節(jié)，減振性優(yōu)；雙橫臂式獨立懸架導向桿連接位置和導向臂長度可自行調節(jié)，具備良好的運動特性[2]。

非獨立懸架結構的特點在于車輪兩側為同軸，車軸與車架（承載式車身）通過彈性元件連接，假如一側車輪經過不平路面產生振動時，另一側振動加劇，其具有結構設計簡單、工藝制造簡便、車輛維修便宜等優(yōu)點；非獨立懸架結構.缺點在于平順性、操縱穩(wěn)性不好、汽車內部空間以及于發(fā)動機、物品艙設計布置小。

獨立懸架結構存在設計結構復雜度高、價格貴、維修成本大等缺點，但是其具有良好的舒適性和操作穩(wěn)定性能，同時懸架設計靈巧，彈簧剛度小、質量輕，車內置空間大、平順性能好，發(fā)動機安裝位置高度低，整車質量中心低，兩側車輪互相獨立，起伏路面地面附著力大，車身減震效果優(yōu)越等優(yōu)點，結構復雜。成本較高。

3.電動汽車懸架結構設計及優(yōu)化

3.1 懸架輔助設計軟件

計算機輔助工程（CAE）應用較為廣泛，其利用計算機輔助系統(tǒng)對結構工程設計及產品性能、產品可靠性等性能進行分析、模擬，尋找設計缺陷。在電動汽車懸架系統(tǒng)優(yōu)化設計中，可以全面提升電動汽車平順性、安全性，減少設計程序和生產工藝流程。ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美國MDI公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件。ADAMS/CAR軟件為美國 MDI公司聯(lián)和Volvo、Renault、Audi、BMW等汽車巨頭公司開發(fā)，軟件系統(tǒng)集成了交互式圖形界面、零件庫、材料庫、力庫、約束庫等軟件包，可以創(chuàng)建機械系統(tǒng)三維模型，參數(shù)化設置；軟件采用模塊化設計，其主要有基本模功能、擴展、接口、專業(yè)化、工具箱等模塊。功模塊能上分為可視化、建模、 分析、控制AFE接口等工具[3]。

在電動汽車懸架結構設計中主要調用整車動力學模塊（ Vehicle Dynamics ）和懸架設計模塊（Suspension Design ） 、優(yōu)化設計模塊（Insight）進行動力學分析、懸架設計和動態(tài)仿真分析、優(yōu)化處理。ADAMS/CAR仿真完成，對三十余種汽車懸架特性進行計算，內置求解器具備多種方程運算方法，可以建立系統(tǒng)動力學方程，可以模擬機械系統(tǒng)運動學、靜力學、運動力學分析，輸出速度、位移、加速度、反作用力等多種分析曲線。具備仿真功能，實現(xiàn)峰值載荷、運動范圍、機械性能、碰撞檢測、有限元（FEA）駛入載荷處理等仿真。產品設計研發(fā)中，通過ADAMS/CAR特性曲線對懸架綜合、實驗分析和性能評價、優(yōu)化設計，最終改善電動汽車性能的結果。

3.2微型電動汽車懸架優(yōu)化設計

電動汽車懸架結構優(yōu)化設計主要包括：

（1）合理選擇懸架參數(shù)，懸架彈性、阻尼等特性具有適度合理性，設計樣品的具備良好的減震性能和較小的振動加速度、頻率，行駛平順性能優(yōu)秀；有效解決懸架壓縮/伸張行程極限點的硬沖擊，使輪胎有很好的抓地性能；

（2）導向機構進行優(yōu)化設計，使車輪和車架的力及力矩有效傳遞，仿真過程，不平滑路面行駛時，車輪轂震動造成的車輪定位參數(shù)平滑無突變，電動汽車操縱穩(wěn)定性優(yōu)越；

（3）優(yōu)化導向機構、轉向桿系的運動匹配，避免擺向輪的共振；

（4）優(yōu)化側擺與縱傾中心點的平衡和統(tǒng)一，防止制動與加速過程的縱傾以及汽車轉向的側傾；

（5）優(yōu)化整車結構設計，確保車內空間足夠大，提升舒適性。

（6）優(yōu)化鉸接橡膠、襯套、彈性元件、減震器、阻尼元件、橫向穩(wěn)定桿、車輪胎等零部件材料選擇，減輕整車質量，提升汽車的整體強度，延長車輛使用壽命。

4.結論

隨著“十三五”規(guī)劃的實行，未來清潔能源利用、減排、降耗成為電動汽車工業(yè)未來發(fā)展需要解決的問題。電動汽車發(fā)展及懸架結構系統(tǒng)綜述中提出了電動汽車尤其是微型汽車未來設計的方向；介紹了電動汽車懸架系統(tǒng)的結構分類、功能特點；在懸架系統(tǒng)優(yōu)化設計中，系統(tǒng)分析了ADAMS軟件的功能、特點及應用，在整車動力學仿真模型設計過程，針對電動汽車懸架特性進行了優(yōu)化設計；仿真結果分析中阻尼比時，懸架系統(tǒng)具有良好的平順性。

參考文獻

[1]袁向華，王洪起，王曉喬. 電動交通工具的污染減排及對策[J]. 北方環(huán)境，2011（23）：36～52.

[2]智淑亞，謝冬. 電動汽車懸架優(yōu)化設計及操縱穩(wěn)定性分析[J]. 金陵科技學院學報， 2017（3）.

[3]石晶，孫艷，李衛(wèi)民，等.某微型電動汽車前懸架系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化研究[J].機械設計與制造， 2015（3）：65-68.

[4]劉進偉，吳志新，徐達.基于 ADAMS/CAR的某轎車懸架優(yōu)化設計[J].輕型汽車技術，2006（8）.