某電動車前懸架運動學分析與優(yōu)化

張德軍，聶 昕

某電動車前懸架運動學分析與優(yōu)化

張德軍1，聶 昕2

（1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082）

針對某公司前期預研開發(fā)的純電動汽車前懸架系統(tǒng)，利用多體動力學軟件ADAMS，完成懸架系統(tǒng)運動學各個工況的仿真分析，并結(jié)合車輛的前期系統(tǒng)性能目標帶寬，發(fā)現(xiàn)個別指標存在偏離目標值，并利用ADAMS軟件自身優(yōu)化功能模塊，展開了詳細的懸架系統(tǒng)硬點優(yōu)化工作。通過實驗設計分析，優(yōu)化了該車輛的幾何硬點，并提高懸架系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向橫拉桿的外點變化對懸架系統(tǒng)轉(zhuǎn)向有較大影響，為電動車輛的性能設計開發(fā)提供了很好的工程參考。

電動汽車；運動性能；優(yōu)化分析；ADAMS

隨著國際能源危機與國內(nèi)新能源政策的推行，新能源車輛已越來越多地受到市場的追捧，根據(jù)有關(guān)研究顯示，當前消費者專業(yè)認知提升，對車輛的架構(gòu)組成有了更多的要求，甚至大部分消費者開始認識底盤構(gòu)造，尤其關(guān)注車輛的懸架結(jié)構(gòu)形式和性能感知。因此，各大汽車品牌需要提高電動車的行駛穩(wěn)定性和舒適性。車輛是否行駛既平穩(wěn)又舒適已成為眾多消費者對其評價的標準之一。一個好的懸架必須在操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性上做好優(yōu)化匹配，可以更好地傳遞力保證車身的穩(wěn)定性，有效衰減底盤振動，使駕乘人員能感知到懸架更加“柔軟”，從而極大地改善駕駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性能。因此，懸架的硬點設計與優(yōu)化成為車輛底盤開發(fā)的核心競爭點，如硬點設計不匹配，輕則出現(xiàn)輪胎過度磨損、車輛跑偏等不良情況，嚴重的則會導致車輛行駛側(cè)翻等不良后果。

虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展提供了一種快速分析新模型的方法，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[1]。在汽車底盤的開發(fā)中，需要優(yōu)化懸掛參數(shù)與輪跳之間的關(guān)系，從而提高車輛底盤性能，并基于可視化建模分析懸掛的結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系。針對實際生產(chǎn)中存在的問題，使用多體動力學優(yōu)化硬點的模塊。優(yōu)化后相關(guān)參數(shù)匹配更合理，從而減少磨胎及跑偏等現(xiàn)實問題。本文仿真結(jié)果可以為懸架系統(tǒng)設計提供理論及分析依據(jù)[2]。

1 某電動車前懸架系統(tǒng)及動力學建模

1.1 懸架拓撲結(jié)構(gòu)

某新能源電動車前懸架系統(tǒng)主要由彈簧與減振器總成、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、三角擺臂、車輪總成構(gòu)成，其中，懸架系統(tǒng)通過減振器上支撐總成與車身固定，三角擺臂通過襯套連接至副車架，三角擺臂外端與轉(zhuǎn)向節(jié)為球鉸連接，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)為球鉸連接，具體系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1—車身固定點；2—減振器與彈簧總成；3—轉(zhuǎn)向節(jié)；4—轉(zhuǎn)向橫拉桿；5—副車架連接點；6—三角擺臂；7—車輪總成。

根據(jù)某新能源電動車的整車相關(guān)參數(shù)匹配可知，懸架系統(tǒng)幾何尺寸需要滿足整車布置包絡需求，系統(tǒng)性能帶寬需擬合整車性能要求，根據(jù)以上描述可知，前懸架系統(tǒng)在清晰運動約束的前提下，需要展開系統(tǒng)動力學建模[3]。其中，該車整車參數(shù)如表1所示。

表1 某新能源汽車整車參數(shù)

1.2 前懸架動力學模型建立

運用ADAMS/car展開前懸架的動力學模型搭建。在建立模型的過程中，遵循“點—零件—幾何—附件”的順序。懸架系統(tǒng)中的硬點由設計輸入得知，也可使用CATIA軟件中轉(zhuǎn)化導入措施創(chuàng)建組件。前懸架系統(tǒng)需要附帶制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、副車架、輪胎系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。初步幾何搭建完成后，根據(jù)組件之間的實際運動關(guān)系，創(chuàng)建組件之間的運動副。本文根據(jù)總成布置的具體參數(shù)設計，并根據(jù)前期懸架系統(tǒng)設計參數(shù)，將系統(tǒng)需求的力學耦合屬性文件，包括彈簧曲線參數(shù)、減振器曲線參數(shù)、襯套曲線參數(shù)、限位塊曲線參數(shù)，要求按照設計需求擬合至動力學模型中，以便準確建立汽車前懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和最終的動力學運動系統(tǒng)[1]。詳細的前懸架動力學模型如圖2所示。

圖2 前懸架系統(tǒng)動力學模型

2 懸架運動學仿真分析

2.1 車輪平行跳動工況仿真

以上建模完成后，調(diào)試模型至成功運動狀態(tài)后，按照某企業(yè)標準規(guī)范，根據(jù)實際設置的車輛懸架系統(tǒng)參數(shù)狀況，包括簧上質(zhì)量、輪胎型號、輪胎半徑、質(zhì)心位置和四輪定位參數(shù)初始值，進行動力學模型的車輪平行跳動仿真分析[3]。平行車輪行程設置為±50 mm。對應工況下的相關(guān)曲線可通過Adams軟件中后處理模塊獲取讀數(shù)。本文對該工況中車輪前束角、外傾角展示如圖3和圖4所示。

圖3 車輪前束角隨輪跳變化關(guān)系圖

圖4 車輪外傾角隨輪跳變化關(guān)系圖

由以上仿真分析結(jié)果并結(jié)合系統(tǒng)性能目標可知，該車輛前懸架前束角和外傾角變化梯度超出定義的性能目標帶寬，變化梯度過大會導致車輛出現(xiàn)輪胎磨損及跑偏現(xiàn)象[4]，因此，該處重點參數(shù)需要展開進一步優(yōu)化。

2.2 車輪反向跳動工況仿真

按照某企業(yè)制定標準規(guī)范，進行動力學模型的車輪反向跳動仿真分析，車輪反向行程設置為±50 mm，讀取車輛側(cè)傾中心高度為重點研究分析對象，仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果可知，車輛側(cè)傾中心高度存在過高，超出預定義性能目標帶寬，側(cè)傾中心過高會導致車輛的穩(wěn)定性變差[5-6]。后續(xù)需要通過硬點優(yōu)化設計來提升車輛穩(wěn)定性能。

圖5 側(cè)傾中心高度隨側(cè)傾角變化關(guān)系圖

綜上仿真結(jié)果可知，考慮懸架性能目標帶寬要求，前束角變化范圍建議從0°到1.5°，外傾角變化范圍建議從0°到0.8°。圖4顯示前束角和外傾角變化范圍分別為（0,1.8）（0,1.3），變化范圍太大，意味著需要進一步優(yōu)化。

3 懸架系統(tǒng)硬點優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

由以上仿真分析結(jié)果可知，該懸架前期設計中需要進行優(yōu)化提升，在本文中，使用全因子實驗設計方法。全因子實驗設計是指所有因子的所有水平的所有組合都至少進行一次實驗，可以估計所有的主效應和所有的各階交互效應[7]。全因子仿真分析設計用于形成不同的仿真分析條件來參與仿真。仿真是在兩次或兩次以上的條件下進行分析。

3.2 目標函數(shù)及設計因子設定

本文中，將懸架系統(tǒng)的硬點坐標設定為相關(guān)性的設計變量。以影響的前束角和外傾角的變化確定為最終的優(yōu)化方向。因為導桿系統(tǒng)的作用，確保輪胎接地點由軌道變化引起的相對較小測試中要求，這將防止過度輪胎穿。其中，前束角的變化梯度對輪胎磨損影響很大，遠大于外傾角的影響。

根據(jù)以上分析可知，可設立本次優(yōu)化分析的目標函數(shù)為

()=min[()+a×()] （1）

式中，()為前束角變化函數(shù)；()為外傾角變化函數(shù)；為車輛定位參數(shù)因子加權(quán)系數(shù)，與車輛相關(guān)，根據(jù)企業(yè)標準一般取值為5，為硬點坐標變化帶寬。

同時，根據(jù)車輛制造工藝以及目標帶寬相關(guān)，設定本次優(yōu)化分析的約束函數(shù)為

根據(jù)以上目標函數(shù)及約束因子帶寬，運用ADAMS軟件自身優(yōu)化模塊，完成該懸架的硬點優(yōu)化，優(yōu)化后的坐標結(jié)果與優(yōu)化前分別展開對比查看，選取懸架平行跳動中前束角變化曲線及反跳運動中側(cè)傾中心高度變化曲線，仿真結(jié)果如圖6—圖8所示。

圖7 車輪外傾角優(yōu)化前后對比圖

圖8 車輪外傾角優(yōu)化前后對比圖

綜上所述，某新能源汽車前懸架系統(tǒng)經(jīng)過運動學仿真分析及優(yōu)化，達到了系統(tǒng)性能目標，提升了懸架的運動性能，優(yōu)化結(jié)果符合設計要求。

4 結(jié)論

（1）文章利用運動學理論方法，結(jié)合Adams軟件工具搭建了某新能源汽車的動力學模型，完成了運動學仿真分析及硬點優(yōu)化，提供了一種有效的懸架系統(tǒng)設計優(yōu)化參考指導。

（2）通過硬點優(yōu)化仿真驗證結(jié)果可知，采用文章中的全因子優(yōu)化設計，能有效提升懸架系統(tǒng)的運動性能，可最大化解決實車出現(xiàn)的行駛運動問題的矛盾點，為車輛懸架系統(tǒng)開發(fā)提供有效工程參考。

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Kinematics Analysis and Optimization of Front Suspension of a Electric Vehicle

ZHANG Dejun1, NIE Xin2

( 1.Dongfeng Liuzhou Motor Company Limited, Liuzhou 545005, China; 2.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China )

For the pure electric vehicle front suspension system developed by a company in the early stage, the multi-body dynamics software ADAMS is used to complete the simulation analysis of each working condition of the suspension system kinematics. The index deviates from the target value, and using the ADAMS software itself to optimize the function module, the detailed optimization of the hard point of the suspension system is carried out. By analyzing the variables through the design of experiments, the geometric hard point of the vehicle is optimized and the performance of the suspension system is improved. The results show that the change of the outer point of the steering tie rod has a great influence on the steering of the suspension system, which provides a good engineering reference for the performance design and development of electric vehicles.

Electric vehicle; Sports performance; Optimization analysis;ADAMS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.001

U467

A

1671-7988(2023)03-01-04

張德軍（1979—），男，高級工程師，研究方向為汽車設計，E-mail:zhangdj@dflzm.com。

柳州市科技計劃人才專項（柳科攻2021CBA0101）；柳州市科技計劃項目（2021AAA0105）。