基于ADAMS對(duì)輪轂電機(jī)專用底盤的平順性優(yōu)化

雷良育 胡永偉 荊家寶 王國輝

摘?要：設(shè)計(jì)并輕量化處理了一款輕型兩座輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型汽車底盤，輕量化處理后底盤質(zhì)量為400 Kg，導(dǎo)入ADAMS軟件中設(shè)計(jì)并搭建試驗(yàn)環(huán)境，重新設(shè)計(jì)和定義了本型號(hào)專用底盤最優(yōu)底盤重量為550 Kg，然后多次利用關(guān)鍵位置配重和次要位置輕量化的原則，再次重新分配底盤重量和改變底盤形態(tài)，并利用ADAMS特有的動(dòng)力學(xué)分析處理功能提取振動(dòng)加速度曲線，根據(jù)振動(dòng)加速度曲線量化處理各個(gè)底盤成品的振動(dòng)值，做成對(duì)比表格進(jìn)行底盤平順性對(duì)比，擇選出本型號(hào)專用底盤最優(yōu)形態(tài)為連接孔處加重75 Kg，其他薄弱環(huán)節(jié)加重75 Kg。

關(guān)鍵詞：汽車底盤，平順性，ADAMS，虛擬試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U467.5+25?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：2095-8153（2019）01-0068-05

0?引言

近年來，隨著汽車保有量持續(xù)上升[1]，人們對(duì)汽車的舒適性要求越來越苛刻。汽車底盤的平順性是汽車舒適性的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，也是評(píng)判這款汽車好壞的重要因素。底盤平順性不好會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員和乘客的乘坐舒適性，所以汽車底盤平順性也逐漸成為設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)之一[2]，設(shè)計(jì)人員在開發(fā)底盤時(shí)也將平順性納入底盤的考慮因素。

傳統(tǒng)汽車底盤大多采用經(jīng)典的H型底盤車架，H型底盤車架經(jīng)過數(shù)十代設(shè)計(jì)師的改進(jìn)和試驗(yàn)，平順性已經(jīng)滿足大多數(shù)車型。然而，這種底盤并不適用于近年來日趨流行的兩座輕型電動(dòng)汽車[3]。電動(dòng)汽車特別是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車，大多取消了傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其質(zhì)量分布發(fā)生了很大改變，其運(yùn)行原理與傳統(tǒng)燃油車完全不同，需要重新定義、設(shè)計(jì)專用底盤去滿足它的平順性。傳統(tǒng)汽車底盤的平順性分析一般是廠商直接制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，這種試驗(yàn)方式是非常浪費(fèi)人力、物力的。現(xiàn)今，動(dòng)力學(xué)分析手段日趨多樣性[4]，ADAMS就是分析機(jī)械動(dòng)力學(xué)的工具之一，它可以兼容各種三維模型，搭建和設(shè)計(jì)各種仿真試驗(yàn)。本課題提出利用ADAMS軟件構(gòu)建分析底盤平順性的虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)底盤平順性進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。這種實(shí)驗(yàn)方式方便快捷，真實(shí)有效。

本課題設(shè)計(jì)了一款輕型兩座輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型汽車底盤，并輕量化處理了此專用底盤。實(shí)驗(yàn)人員將專用底盤導(dǎo)入ADAMS軟件中并設(shè)計(jì)搭建試驗(yàn)環(huán)境，利用ADAMS軟件特有的動(dòng)力學(xué)分析處理功能提取振動(dòng)加速度曲線，根據(jù)振動(dòng)加速度曲線量化振動(dòng)值。實(shí)驗(yàn)人員多次利用關(guān)鍵位置配重和次要位置輕量化的原則，重新設(shè)計(jì)和定義了底盤支撐能力和重量分布，然后再次利用ADAMS軟件特有的動(dòng)力學(xué)分析處理功能提取振動(dòng)加速度曲線，根據(jù)振動(dòng)加速度曲線量化在處理底盤過程中各個(gè)階段振動(dòng)值。經(jīng)過反復(fù)修改設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，得到了一系列試驗(yàn)值，進(jìn)行對(duì)比可以擇選出最優(yōu)的底盤形態(tài)。

1?ADAMS在專用底盤分析中的運(yùn)用

1.1 ADAMS仿真平臺(tái)在專用底盤中的具體運(yùn)用

ADAMS軟件是一種針對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)的分析平臺(tái)，適合針對(duì)機(jī)械振動(dòng)的分析，有專門的后處理工具窗口[5]。汽車底盤是運(yùn)動(dòng)學(xué)中最具代表性的機(jī)械零部件之一，各大研究機(jī)構(gòu)和整車制造公司在研制汽車底盤過程中，都將其平順性分析定為底盤試驗(yàn)必不可少的環(huán)節(jié)[6]。分析平順性常用的方法為脈沖輸入法[7]（脈沖輸入法：汽車以一定速度，等速通過標(biāo)準(zhǔn)三角突出障礙物，汽車垂直方向下的加速度響應(yīng)特性[8]）。本課題小組利用ADAMS分析軟件搭建脈沖輸入法的試驗(yàn)平臺(tái)，將需要試驗(yàn)的專用底盤的三維模型一一導(dǎo)入試驗(yàn)平臺(tái)，模擬分析專用底盤并提取振動(dòng)加速度曲線，這種提取振動(dòng)加速度的分析方法在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。

ADAMS軟件中有專門針對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的插件，如圖1所示。插件有系統(tǒng)控制模塊Controls、振動(dòng)模塊Vibration、耐久性模塊Durability、機(jī)電一體化模塊Mechatronics。這些模塊可以相互混合搭建，可以設(shè)計(jì)各種仿真平臺(tái)和仿真實(shí)驗(yàn)，利用構(gòu)建和設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)提取。

1.2 ADAMS仿真平臺(tái)在專用底盤分析中的優(yōu)勢(shì)

一款汽車底盤在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員都十分重視底盤的輕量化設(shè)計(jì)，但是輕量化需要有一個(gè)合適的重量，重量過輕會(huì)造成底盤斷裂或者越過障礙物時(shí)平順性很差，重量過重也會(huì)造成平順性很差和輕量化失敗[9]。

ADAMS可以很真實(shí)地構(gòu)建仿真試驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)各種平順性試驗(yàn)。這些仿真平臺(tái)和試驗(yàn)不僅快速高效，而且節(jié)省試驗(yàn)成本。如圖2所示，針對(duì)本研究課題設(shè)計(jì)了一款輪轂電機(jī)專用底盤，并利用ADAMS分析平臺(tái)去分析它的平順性，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)的底盤。

2?創(chuàng)建仿真模型和構(gòu)建ADAMS仿真試驗(yàn)環(huán)境

2.1 創(chuàng)建仿真模型

利用Solid Work軟件建立本課題設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)專用底盤三維模型（圖3），將其導(dǎo)入ADAMS平臺(tái)構(gòu)建仿真模型并命名和合并零部件，將與底盤平順性無關(guān)的零部件合并入相應(yīng)零部件中，減少軟件平臺(tái)運(yùn)行分析內(nèi)存。然后對(duì)整理后的零部件定義材質(zhì)和命名，詳細(xì)材質(zhì)表如表1所示。

創(chuàng)建零部件的聯(lián)接，定義運(yùn)動(dòng)零部件與固定零部件，零部件的詳細(xì)聯(lián)接狀態(tài)見表2。對(duì)輪轂電機(jī)施加驅(qū)動(dòng)力，對(duì)各個(gè)聯(lián)接設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)，對(duì)輪胎與地面設(shè)置接觸，并設(shè)置重力環(huán)境，設(shè)置方式如圖4所示。

2.2?構(gòu)建ADAMS仿真試驗(yàn)環(huán)境

創(chuàng)建地面模型和三角突出物，定義并更新地面與輪胎的接觸，如圖5所示創(chuàng)建底盤車架重心與地面某一點(diǎn)的測(cè)量，如圖6、圖7所示測(cè)量并提取振動(dòng)曲線和振動(dòng)加速度曲線，振動(dòng)曲線是

最能直觀地反映底盤平順性的，而振動(dòng)加速度曲線根據(jù)如下公式：

可以間接地反映駕駛員和汽車之間的作用力，從而體現(xiàn)汽車的舒適性。

而設(shè)計(jì)的底盤顯然平順性很差，所以進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，加裝加強(qiáng)筋和承重梁，然后按照上述設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法提取優(yōu)化后底盤的振動(dòng)曲線和振動(dòng)加速度曲線。進(jìn)行對(duì)比分析，顯然優(yōu)化后平順性更好。

3?針對(duì)專用底盤設(shè)計(jì)平順性優(yōu)化處理

3.1?利用仿真試驗(yàn)對(duì)底盤平順性進(jìn)行總重量優(yōu)化

如圖6所示本課題組對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的底盤進(jìn)行重量測(cè)量為400 Kg，如圖7所示設(shè)計(jì)以50 Kg為間隔進(jìn)行試驗(yàn)，以50 Kg的重量對(duì)底盤進(jìn)行加重和減重，分別讓加配重后不同重量的底盤通過試驗(yàn)路面，分別提取無配重、配重50 Kg、配重100 Kg、配重150 Kg、配重200 Kg的振動(dòng)曲線（圖8）。

已知由如下振動(dòng)加速度公式可知，乘客所受作用力為F0，利用振動(dòng)加速度計(jì)算公式對(duì)振動(dòng)進(jìn)行量化得到乘客所受作用力如表3所示，那么平順性最優(yōu)的底盤就是F0值最小的值，因而得出兩座輕型底盤最優(yōu)重量為550 Kg。

3.2?利用仿真試驗(yàn)對(duì)底盤平順性進(jìn)行重量分布優(yōu)化

課題組經(jīng)過上述底盤試驗(yàn)分析對(duì)比，確認(rèn)兩座輕型底盤最優(yōu)重量為550 Kg。底盤的原始重量為400 Kg，因此底盤需要增加150 Kg重量才能達(dá)到最優(yōu)平順性。這些重量不能盲目地平攤到底盤的各個(gè)部分，課題組首先將重量按照25 Kg的間隔左右前后對(duì)稱地加固到需要承受重量的部位，其余重量放置底盤重心處，按照相同的方法分別讓加固后相同重量的底盤通過試驗(yàn)路面，用上述方法提取振動(dòng)曲線并利用振動(dòng)加速度計(jì)算公式對(duì)振動(dòng)進(jìn)行量化，結(jié)果如表4和圖9所示。比對(duì)選取其最優(yōu)值為聯(lián)接孔處加固重量75Kg。

然后將重量按照25KG的間隔前后左右對(duì)稱地加固到底盤最薄弱的部位，其余重量放置底盤重心處，按照相同的方法分別讓加固后相同重量的底盤通過試驗(yàn)路面，提取振動(dòng)曲線并利用振動(dòng)加速度計(jì)算公式對(duì)振動(dòng)進(jìn)行量化，如下表5和圖9所示，比較選取最優(yōu)值為薄弱環(huán)節(jié)處加固重量75Kg。

經(jīng)過數(shù)次重量分布優(yōu)化試驗(yàn)，我們可以得到各個(gè)部位應(yīng)該加固的重量，這樣可以得到平順性最優(yōu)底盤形態(tài)，將原底盤重量從400Kg增加到550Kg，其中聯(lián)接孔處加固重量75 Kg，薄弱環(huán)節(jié)處加固重量75 Kg。

4?ADAMS在專用底盤的創(chuàng)新運(yùn)用總結(jié)

使用ADAMS分析平臺(tái)去分析底盤平順性是一種方便快捷的方法，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和試驗(yàn)成本。ADAMS分析平臺(tái)可以很逼真地創(chuàng)建仿真試驗(yàn)環(huán)境，很好地模擬平順性試驗(yàn)。

電動(dòng)汽車特別是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車其質(zhì)量分布發(fā)生了很大改變，其運(yùn)行原理與傳統(tǒng)燃油車完全不同，采用等間隔增重法可以很便捷地找到專用底盤的最優(yōu)重量。本課題的最優(yōu)底盤重量為550 Kg。

本課題研究組多次利用關(guān)鍵位置配重和次要位置輕量化原則，重新設(shè)計(jì)和定義了底盤支撐能力和重量分布，然后利用ADAMS軟件特有的動(dòng)力學(xué)分析處理功能提取振動(dòng)加速度曲線，根據(jù)振動(dòng)加速度曲線量化在處理底盤過程中各個(gè)階段振動(dòng)值，進(jìn)行對(duì)比可以擇選出本型號(hào)專用底盤最優(yōu)形態(tài)為連接孔處加重75 Kg，其他薄弱環(huán)節(jié)加重75 Kg。

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