基于ADAMS Car電動汽車底盤布置仿真分析與優(yōu)化

摘 要：在電動汽車底盤布置優(yōu)化設(shè)計中，我們需要考慮的因素不止動力電池組的布置還要考慮操縱性、穩(wěn)定性、平順性等整車綜合性能。而設(shè)計出合理理想的底盤布置優(yōu)化方案，對電動汽車未來的發(fā)展具有深遠的意義。針對以上的問題，本文提出通過ADAMS Car仿真模型建立不同電動汽車底盤布置，基于國家標(biāo)準(zhǔn)和評價方法進行仿真試驗，對不同的底盤布局方案的試驗進行對比，確定對于整車操縱性、穩(wěn)定性、平順性更理想合理的底盤設(shè)計方案，通過仿真結(jié)果分析，驗證優(yōu)化結(jié)果。

關(guān)鍵詞：底盤布置 底盤優(yōu)化設(shè)計 電動汽車 操縱穩(wěn)定

1 緒論

電動汽車底盤設(shè)計與優(yōu)化的研究顯示，學(xué)者們通過仿真和試驗深入探討了車輛的操縱穩(wěn)定性和平順性。閆雪在2012年基于動力學(xué)理論提出了一種分析和優(yōu)化方法。榮祥濤在2015年研究了底盤模態(tài)變化和電池箱連接對動態(tài)剛度的影響，并優(yōu)化了電池箱連接點位置[1]。張宇和在2016年提出前移和降低整車質(zhì)心位置的底盤布置方案，以改善操縱穩(wěn)定性[2]。國內(nèi)研究者使用ADAMS軟件優(yōu)化懸架、傳動系統(tǒng)和電池布局，而國外通過輕量化和結(jié)構(gòu)設(shè)計提升性能。通過前人的研究看來，動力電池的布局是車輛的總體性能的重要因素，通過構(gòu)建模型來仿真分析和做相關(guān)實驗可以對汽車底盤布局進行優(yōu)化，提高操縱穩(wěn)定性和平順性。

本文探討了電動汽車底盤設(shè)計方面的的仿真分析與優(yōu)化。通過ADAMS Car建立仿真模型，重點研究電動汽車動力電池布局對操縱穩(wěn)定性和平順性的影響，并通過一系列仿真試驗分析優(yōu)化底盤布置方案。

2 純電動汽車底盤布置方案設(shè)計

2.1 純電動汽車三種不同底盤布置方案

本研究電動汽車將采用約為350kg的動力電池組，按照底盤布置的可利用空間，以此提出3種底盤布置方案，再根據(jù)提出的方案進行操縱穩(wěn)定性、平順性的仿真試驗，根據(jù)數(shù)據(jù)分析進行方案的優(yōu)化設(shè)計。

方案一的布置主要是在車身底盤的正下方或后備箱下面，該布置增加了線路復(fù)雜性，且降低了散熱性能和車內(nèi)空間利用率；方案二的電池組布置在車身底盤底板之下，這種平整布置在底盤下方的電池組，便于檢修和更換電池；方案三的布置主要是將電池組分別布置在前機艙下和底盤正下方。

2.2 多體動力學(xué)軟件ADAMS 的介紹

ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（AutomaTIc Dynamic Analysis of Mechanical Systems），ADAMS軟件具有二維建模和三維建模的功能。利用ADAMS軟件可以在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)在計算機上仿真分析對比機械的運動性能[3]。

2.3 基于ADAMS整車動力學(xué)模型的建立

2.3.1 懸架系統(tǒng)模型的建立

汽車懸架主要分為獨立懸架和非獨立懸架，懸架之間靠車橋連接；獨立懸架相當(dāng)于是兩個獨立的個體，車輪之間互不影響，可以有效的起到緩沖和減震的效果。通過ADAMS模型數(shù)據(jù)庫得到的硬點坐標(biāo)可以對前后懸架建立模型。

2.3.2 動力子系統(tǒng)的模型建立

本文研究的對象是電動汽車，電動汽車的動力系統(tǒng)在其中只提供扭矩的作用，使用ADAMS軟件自帶的動力模型，通過修改模型硬點坐標(biāo)對模型電機進行簡單的修改，建立電機系統(tǒng)模型。

2.3.3 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)的模型建立

本文選擇齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過ADAMS建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

2.3.4 輪胎模型的建立

ADAMS/Car模型庫中就有很多的輪胎模型可以選擇，Tire模塊就是專門提供輪胎模型選擇的，本文采用的是文件庫里的pac2002_235_40hCG6vDlIe0hDmRN0sVo0vzFV0LMNg+PPGjw/zZtA4/k=R18輪胎來模擬實驗，根據(jù)參數(shù)建立好的輪胎模型。

2.4 整車模型的建立

在ADAMS/Car中，在Template Builder模式中建立好各子系統(tǒng)，將所建各個子系統(tǒng)模型通過試驗臺組裝一起，從而得到整車多體動力學(xué)仿真。

不同布置方案的模型建立。通過測量整車模型的可利用空間，可以得出整體利用空間為830mm×400mm×300mm，底盤為1300mm×530mm×300mm，后艙為600mm×300mm×300mm。

根據(jù)上文的不同底盤的布置方案，將電池組模型與整車完成裝配。如圖1所示。

3 不同底盤布置方案的操縱穩(wěn)定性影響分析

通過電池擺放的位置的改變，分析研究不同底盤布置對汽車操縱穩(wěn)定性影響，依據(jù)國標(biāo)GB/T 6323—2014為試驗分析依據(jù)，選擇蛇形試驗、雙車道變換試驗。在ADAMS/Car中完成以上仿真試驗。

3.1 蛇形駕駛仿真試驗與分析

3.1.1 試驗方法

根據(jù)國標(biāo)GB/T 6323.2-94規(guī)定，使用蛇形駕駛仿真，仿真實驗車速依次為45km/h、55 km/h、65 km/h、75 km/h。

3.1.2 試驗仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果曲線：橫擺角速度曲線，如圖2所示；車身側(cè)傾角曲線，如圖3所示。

通過分析曲線圖可以得出：方案一和方案三的最大橫擺角速度分別為a1max=30.611 m/s2、a3max=30.591m/s2，均比方案二的橫擺角速度a2max=30.586 m/s2大，方案一和方案三的最大車身側(cè)傾角分別為N1max=2.013°/s、N3max=1.785°/s，均比方案二的車身側(cè)傾角N2max=1.672°/s大，所以方案二電池組得布置方式更能提高整車的操縱穩(wěn)定性。

3.2 雙車道變換仿真與分析

3.2.1 試驗方法

依據(jù)GB/T 25979-2010規(guī)定，采用ADAMS中的雙車道虛擬路面進行仿真，試驗汽車以60km/h的速度行駛。

3.2.2 試驗仿真結(jié)果與分析

將三個方案的仿真結(jié)果進行對比，得出如圖4。

當(dāng)車輛都以60km/h行駛時，從上述數(shù)據(jù)可以得出，方案一和方案三的最大車身側(cè)傾角分別為N1max=1.314°/s、N3max=1.246°/s，均比方案二的車身側(cè)傾角N2max=1.181°/s大。根據(jù)以上蛇形試驗、雙車道試驗兩個操縱穩(wěn)定性試驗的結(jié)果分析得出，方案二的底盤布置方案會更有利于提高整車的操縱穩(wěn)定性。

4 不同底盤布置方案的平順性影響分析

4.1 脈沖輸入平順性仿真與分析

4.1.1 試驗方法

本文根據(jù)GB/T4970-2009進行脈沖輸入試驗。本次試驗選擇ADAMS/Car中的擋板路面進行仿真分析，如圖5所示?？偡抡鏁r間10s，仿真路程150m，檔位為3，行駛速度分別為40km/h、50km/h、60km/h。

4.1.2 實驗結(jié)果分析

行駛過程中保持勻速，并記錄完整的試驗過程。分別得到不同方案下車速40km/h、50km/h、60km/h的加速度時域曲線，如圖5、6、7所示。

由于本次試驗設(shè)置了三個方案進行仿真，故只選擇40km/h的垂直加速度的峰值A(chǔ)CCmax進行分析三個方案同個速度進行時的平順性。不同方案在40km/h的垂直加速度的峰值A(chǔ)CCmax結(jié)果對比，如表1所示。

依據(jù)仿真的車輛垂直加速度的峰值A(chǔ)CCmax進行分析，脈沖輸入試驗的評價指標(biāo)如圖表1所示。

該結(jié)論選取車輛都以40km/h行駛時車輛垂直加速度數(shù)據(jù)進行分析，從上述數(shù)據(jù)可以得出，方案一和方案二的垂直加速度分別為a1max=0.5672m/s2、a2max=0.5361m/s2，而方案三的垂直加速度為a3max=0.4779m/s2，根據(jù)數(shù)據(jù)可知，方案三的底盤布置方案更有利于提高整車的平順性。

4.2 隨機不平路面平順性仿真與分析

4.2.1 試驗方法

隨機路面可以在ADAMS/Car ride的路面譜中生成，其中結(jié)合了多方面的路面參數(shù)，生成了不同等級的路面。本章選擇了系統(tǒng)自帶的B級路面進行此次隨機路面的仿真，仿真時長10s，仿真路程150m，汽車行駛速度分別40km/h、50km/h、60km/h。

4.2.2 實驗結(jié)果分析

行駛過程中保持勻速，并記錄完整的試驗過程。分別得到不同方案下車速40km/h、50km/h、60km/h的加速度時域曲線，如圖8、9、10所示。

結(jié)論選取車輛都以40km/h行駛時的加權(quán)加速度進行分析，從上述數(shù)據(jù)可以得出，方案一和方案二的加權(quán)加速度分別為a1=0.0787m/s2、a2=0.0931 m/s2，而方案三的加權(quán)加速度為a3=0.0783m/s2，由于三個方案的加權(quán)加速度在人體主觀感受種都處于舒適的位置，但相較于方案一和方案二來說，方案三的底盤布置方案更有利于提高整車的平順性。根據(jù)以上脈沖輸入、隨即路面輸入兩個平順性試驗的結(jié)果分析得出，方案三的底盤布置方案會更有利于提高整車的平順性。

5 結(jié)論與期望

本文研究內(nèi)容主要是建立不同的底盤布置方案模型，在ADAMS/Car中建立整車和電池組的模型，并對建立的模型進行了操縱穩(wěn)定性和平順性的仿真試驗，通過數(shù)據(jù)分析，從而優(yōu)化底盤布置方案，為后續(xù)電動汽車事業(yè)貢獻出一份力量。本文完成的主要工作內(nèi)容：

（1）基于ADAMS Car建立仿真模型，分別建立前后懸架模型、車身模型、傳動系統(tǒng)、電池組模型等仿真模型。

（2）本文重點研究動力電池的布置位置，由于電池不同的布置方案對車輛的影響不同，因此需要通過多體動力學(xué)軟件ADAMS對建立起的底盤模型進行操縱穩(wěn)定性仿真分析并優(yōu)化，內(nèi)容主要有：蛇形試驗仿真分析、雙車道變換仿真分析。根據(jù)仿真得出的數(shù)據(jù)表示，方案二的底盤布置方式更有利于提高電動汽車的操縱穩(wěn)定性。

（3）平順性仿真實驗內(nèi)容主要有：脈沖輸入仿真分析、隨即路面輸入仿真分析。對試驗的結(jié)果進行分析，相同行駛速度下，方案三的加權(quán)加速度均方根值相比較于其他兩個方案的低，所以方案三的底盤布置方式更有利于提高電動汽車的平順性。

參考文獻：

[1]榮祥濤.純電動汽車動力電池箱總成布置分析及優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]應(yīng)久山.淺析純電動城市客車車身總布置設(shè)計[J].汽車博覽，2022（1）：25-27.

[3]吳心平，張博強，賈振華，等.車輪定位參數(shù)對整車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化分析[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2020，47（03）：23-26.