純電動(dòng)汽車懸架性能設(shè)計(jì)研究

王陽(yáng)

摘 要： 純電動(dòng)汽車的巨大開(kāi)發(fā)潛力讓其迅速發(fā)展崛起，對(duì)于純電動(dòng)汽車性能要求也越來(lái)越高，尤其是懸架性能設(shè)計(jì)也從中凸顯出來(lái)。本文主要針對(duì)純電動(dòng)汽車懸架性能設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，基于CATIA軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化，在假設(shè)和純電動(dòng)汽車零部件建?；A(chǔ)上進(jìn)行裝配，完成全局干涉和全局間隙仿真模擬，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化參數(shù)，完成純電動(dòng)汽車前后懸架最優(yōu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 純電動(dòng)汽車；懸架；CATIA；性能設(shè)計(jì)

懸架系統(tǒng)對(duì)于汽車行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性和平順性具有重要意義，純電動(dòng)汽車的懸架性能又和車身零部件位置關(guān)系息息相關(guān)，而彈性元件、阻尼元件又是車身零部件的主要元素。因此，在純電動(dòng)車性能中主要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真以及試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架性能的研究分析。懸架性能的研究中還必須考慮懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，通過(guò)車輪定位參數(shù)等反映出來(lái)。只有保證參數(shù)設(shè)計(jì)以及零部件設(shè)計(jì)中必須保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性，才能保證懸架性能優(yōu)化，保證汽車操縱的平順性、穩(wěn)定性。因此，在懸架性能的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)是基于參數(shù)，應(yīng)用模擬仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)的，保證參數(shù)設(shè)計(jì)合理性的基礎(chǔ)上提升懸架性能。

1.純電動(dòng)汽車懸架設(shè)計(jì)基本要求

1.1基本要求

隨著汽車以及電動(dòng)汽車的發(fā)展和技術(shù)優(yōu)化，懸架的形式呈現(xiàn)多樣化。面對(duì)不同類型的懸架雖然構(gòu)件和組成略有差別，但是設(shè)計(jì)要求相同，主要集中在以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)符合承載穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)中還必須保證力與力矩的穩(wěn)定傳遞。

（2）平順性是對(duì)懸架性能的基本要求，對(duì)于懸架平順性設(shè)計(jì)體現(xiàn)在振動(dòng)頻率較小和較小振動(dòng)加速度兩方面。

（3）懸架設(shè)計(jì)保證不會(huì)出現(xiàn)“擊穿”情況，動(dòng)容量和動(dòng)行程滿足懸架要求。

（4）注重懸架中車輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以此來(lái)提高電動(dòng)汽車的操穩(wěn)性。

（5）設(shè)計(jì)中對(duì)電動(dòng)汽車懸架布置具有明確要求，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向系協(xié)同作用的同時(shí)必須布局合理，避免運(yùn)動(dòng)干涉影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（6）科學(xué)車身位移設(shè)計(jì)，因此應(yīng)注重縱傾中心和側(cè)傾中心的參數(shù)科學(xué)化選擇與設(shè)計(jì)。

（7）加強(qiáng)減震能力與抓地平穩(wěn)性設(shè)計(jì)優(yōu)化，體現(xiàn)在科學(xué)的平均阻尼比設(shè)計(jì)中。

（8）優(yōu)化懸架懸掛質(zhì)量設(shè)計(jì)，優(yōu)化強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)，通過(guò)減少非懸掛質(zhì)量來(lái)降低動(dòng)量，從而能夠減少車身沖擊。

（9）合理規(guī)劃懸架空間設(shè)計(jì)，預(yù)留空間便于電動(dòng)汽車的維修保養(yǎng)，以此降低成本。

1.2與傳統(tǒng)汽車懸架設(shè)計(jì)要求區(qū)別

由于電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)汽車具有一定的區(qū)別，電動(dòng)汽車的懸架電機(jī)集成于輪胎，因此在電動(dòng)汽車中非簧載質(zhì)量就會(huì)受到電磁力的作用，和傳統(tǒng)汽車的懸架以及系統(tǒng)性能相比在舒適性和操縱性方面較差。因此在電動(dòng)汽車懸架性能設(shè)計(jì)優(yōu)化中，必須要考慮底盤性能。然而目前傳統(tǒng)汽車懸架設(shè)計(jì)中主要采用被動(dòng)懸架，這種懸架結(jié)構(gòu)不能很好滿足電動(dòng)汽車懸架的要求，因此需要設(shè)計(jì)主動(dòng)或半主動(dòng)懸架應(yīng)用于電動(dòng)汽車當(dāng)中，對(duì)于電動(dòng)汽車懸架的集成化、智能化問(wèn)題進(jìn)行考慮。

2.純電動(dòng)汽車前后懸架的類型

2.1麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)

麥弗遜懸架是獨(dú)立懸架的代表，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且占據(jù)較小的空間，主要有螺旋彈簧、減震器以及控制器幾部分組成，由于其良好的性能被廣泛應(yīng)用于前置發(fā)動(dòng)機(jī)汽車當(dāng)中。但麥弗遜懸架也具有剛度較弱、穩(wěn)定性不理想等問(wèn)題。麥弗遜懸架直筒式的構(gòu)造使得左右方向沒(méi)有很好力的保護(hù)，在汽車轉(zhuǎn)彎和運(yùn)行中極易出現(xiàn)側(cè)傾問(wèn)題。和傳統(tǒng)雙A臂懸架的精度相比，麥弗遜稍遜，但在舒適性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.2扭力梁懸架結(jié)構(gòu)

扭力梁懸架具有獨(dú)立懸架性能特征又具有非獨(dú)立懸架的特征，其性能特征介于獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架之間。在扭力梁懸架中添加變形桿要素，以此優(yōu)化電動(dòng)汽車懸架平衡性能，避免傾斜。扭力梁懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于后懸架系統(tǒng)。尤其在直線行駛過(guò)程中性能優(yōu)越性凸顯出來(lái)，通過(guò)車輪定位參數(shù)優(yōu)化體現(xiàn)其良好性能。扭力梁懸架在承受載荷方面具有一定缺陷和限制，扭力梁懸架雖然具有部分獨(dú)立懸架的特性，但是不可避免車輪跳動(dòng)還會(huì)影響另一側(cè)車輪以及直線行駛，導(dǎo)致平順性略差。

3.基于CATIA純電動(dòng)汽車懸架模型的建立

3.1 CATIA中建立模型的簡(jiǎn)化方法

在進(jìn)行純電動(dòng)汽車懸架設(shè)計(jì)與優(yōu)化中中，借助CATIA進(jìn)行建模，需要基于一定假設(shè)：

（1）假定彈性體不發(fā)生彈性形變，在模擬優(yōu)化中將彈性體作為剛體進(jìn)行模擬計(jì)算。

（2）CATIA仿真模擬中忽略運(yùn)動(dòng)發(fā)熱以及零部件之間的摩擦作用。

（3）在CATIA模擬中不必考慮慣性力因素。

3.2 設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車懸架參數(shù)

如果不借助仿真軟件不能實(shí)現(xiàn)彈性元件與阻尼元件的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，只能簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)外形結(jié)構(gòu)，因此在這些參數(shù)的設(shè)計(jì)中必須借助仿真模擬軟件進(jìn)行。在一定參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上借助仿真試驗(yàn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)車輪定位參數(shù)來(lái)綜合判斷評(píng)價(jià)懸架參數(shù)設(shè)計(jì)合理性以及準(zhǔn)確性，通過(guò)參數(shù)來(lái)反映懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與否。由于汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)存在上下跳動(dòng)的過(guò)程，跳動(dòng)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致輪距變化，形成側(cè)偏角，側(cè)偏角會(huì)改變側(cè)向力進(jìn)而影響其直線行駛。因此在參數(shù)設(shè)計(jì)中，要盡可能避免參數(shù)設(shè)計(jì)引起的輪距變化和側(cè)偏角變化，提高純電動(dòng)汽車直線行駛的穩(wěn)定性和平順性。

3.3 CATIA純電動(dòng)汽車懸架幾何模型建立

本文在借助CATIA進(jìn)行建模分析是基于零部件建模轉(zhuǎn)配基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先利用CATIA進(jìn)行零配件的建模，利用系統(tǒng)功能優(yōu)化，然后將不同零配件轉(zhuǎn)配，利用系統(tǒng)進(jìn)行干涉分析，協(xié)調(diào)處理優(yōu)化不合理部分。建模前完成上述工作，綜合考慮在普通對(duì)稱懸架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上考慮減振器部件建模優(yōu)化。在本文純電動(dòng)汽車懸架設(shè)計(jì)中引入的彈簧元件主要為了實(shí)現(xiàn)其減振功能，通過(guò)彈簧將地面力轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)緩沖目的，因此在建模仿真之前，需要建立懸架螺旋彈簧元器件，主要零部件模型如下圖所示：

在懸架零部件建模的基礎(chǔ)上，對(duì)零部件進(jìn)行轉(zhuǎn)配組裝，完成懸架裝配，利用CATIA干涉分析功能進(jìn)行全局干涉分析，完成仿真。

3.4 純電動(dòng)汽車懸架幾何模型分析

純電動(dòng)汽車懸架幾何模型建立的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行全局干涉、全局間隙優(yōu)化分析。全局干涉分析主要是能夠發(fā)現(xiàn)裝配之前各零部件之間的干涉信息，保證導(dǎo)入模型和裝配過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)有問(wèn)題零部件進(jìn)行優(yōu)化。間隙分析的主要目的是對(duì)零部件之間的作用、接觸以及間隙情況進(jìn)行分析，保證零部件運(yùn)動(dòng)流暢，為最終分析結(jié)果的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)，減小誤差。其中本文將麥弗遜懸架作為前懸架，扭力梁懸架作為后懸架進(jìn)行建模以及動(dòng)力學(xué)仿真。

下圖為前后懸架CATIA裝配圖：

按照上述圖片所示結(jié)構(gòu)完成麥弗遜梁懸架結(jié)構(gòu)和后扭力梁懸架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化裝配，通過(guò)循環(huán)多次的全局干涉分析和全局間隙分析，指出零部件之間的作用和干涉，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，由最開(kāi)始的7個(gè)麥弗遜懸架零部件碰撞以及4個(gè)扭力梁零部件碰撞優(yōu)化到兩個(gè)懸架結(jié)構(gòu)均無(wú)零部件碰撞。這樣最終得到最優(yōu)懸架結(jié)構(gòu)模型，保證純電動(dòng)汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性和平順性。

結(jié)論

本文在進(jìn)行懸架梁設(shè)計(jì)優(yōu)化分析過(guò)程中，綜合了計(jì)算機(jī)理論以及個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)純電動(dòng)汽車前后懸架結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了分析。介紹了設(shè)計(jì)要求以及計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體流程，最終形成科學(xué)的最優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)模型。

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