纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析

2024年3月3日发(作者：福特新全顺房车)

纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析

倪彰;王凯;鹿麟祥;赵景波

【摘 要】针对在改装某款纯电动汽车时出现的由于车身质量与质心位置发生变化,而导致悬架与车身匹配程度降低,使车辆的操纵稳定性与行驶平顺性受到破坏的问题,以机械动力学软件ADAMS为平台,对前悬进行建模以及优化,对比优化前后的整车行驶平顺性,以验证平顺性得到改善.试验结果表明,整车的行驶平顺性得到改善.该方法可以缩短电动汽车研发时间、节约研发经济成本,对设计采用传统汽车悬挂系统的电动汽车有一定参考价值.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2015(015)012

【总页数】6页(P244-249)

【关键词】电动汽车;麦式悬架;ADAMS;优化设计;平顺性

【作 者】倪彰;王凯;鹿麟祥;赵景波

【作者单位】江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;人工智能四川省重点实验室,自贡643000;东北大学机械工程与自动化学院,沈阳110004;江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;人工智能四川省重点实验室,自贡643000;江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州213001;人工智能四川省重点实验室,自贡643000

【正文语种】中 文

【中图分类】U463.4

小型低速电动汽车是推动我国电动汽车产业化、启动电动汽车大规模消费市场的极佳产品；从长远发展来看，小型低速电动汽车可作为特殊区域、特殊用途、特殊人群用车长期发展的方向[1]。

而目前国内小型低速电动汽车，由于在改装过程中将原车中安装的发动机及相关组件以及传动系统由电动机、功率转换器、电池和电动汽车特有的传动装置所取代，改装后电动车的车身质量相对增大，质心位置也相应改变，导致悬架与车身的匹配程度大大降低，使车辆的操纵稳定性、行驶的平顺性受到破坏[2]。此外国内的小型低速电动汽车与进入“目录”的电动汽车产品有较大的差距，主要表现为：车辆配置简单，内饰较粗糙，只有基本的安全设备，此类电动小汽车的操纵稳定性及行驶平顺性很难与传统汽车相比。汽车的乘坐舒适性以及操纵稳定性[3,4]，不仅会对乘坐人员的舒适性、疲劳程度以及乘员的人身安全造成严重影响，而且也会影响汽车耗油量以及交通的安全性[5,6]。所以，对于整车进行操纵稳定性以及平顺性的优化分析，已经成为汽车设计过程中的所要完成的一件重要而艰巨的任务。

以某台改装的电动乘用车为研究对象，以机械动力学软件ADAMS为研究平台，搭建悬架与整车模型。为了使改装后电动汽车悬架的各项性能参数得到优化以实现车身和悬架相互匹配，从而改善电动汽车的操纵稳定性，提高行驶平顺性行驶性能。对该电动汽车的前悬架的硬点坐标进行了重新设计和优化，对设计采用传统汽车悬挂系统的电动汽车有一定的参考价值。

基于ADAMS/Car模块建立的整车模型包括了前悬架、后悬架、轮胎、转向系、横向稳定杆和车身等，而Car模块提供了包括以上模板的子系统，用户根据模型的需要可以调用。根据实车参数修改关键点坐标即可建立，简化了模型的建立[7]，为悬架的优化和改进提供支持。主要几何点参数如表1所示。

1.1 建立麦式悬架

创建前悬机构，如图1所示。首先创建几何点，在几何点上创建各个构建(part)，

包括控制臂，转向横拉杆，减震器以及弹簧等。

1.2 建立转向机构

定义其与悬架、车身的连接和相对运动。其中，在左右转向拉杆分别与转向横拉杆间添加运动副，起到传递运动的作用，转向机构如图2所示。

1.3 建立后悬架系统

该款电动汽车后悬采用结构简单的单斜臂式独立悬架，后悬架的两个斜臂通过旋转副与底盘相连。弹簧和减振器下端与斜置臂相连，上端接于车身，后悬架系统如图3所示。

1.4 建立轮胎模型

在整车仿真时采用Fiala轮胎，模型如图4所示。

1.5 建立横向稳定杆模型

利用Car模块中的模板，依照实测的数据对关键点坐标修改，横向稳定杆结构如图5所示。

1.6 建立车身及表面、驾驶室等模型

把车身及其表面、驾驶室、以及发动机都作简化处理，简化后即为整车质量和底盘质量都集中在一个几何球体上。整车的三维图如图6所示。

利用ADAMS/Car模块中的麦式悬架的模板建立前悬，同时选择前转向系统，按照实际测量的值对模板进行修改即可。添加悬架性能虚拟测试试验台，试验台构建完成如图7所示。

2.1 前轮前束角对悬架运动学性能的影响

现代轿车的前束值有缩小的趋势，前束值在设置时一般不大于8 mm，前轮外倾为负值时，前束也为负值，即变为前轮后束。可以通过改变横拉杆的长度来调整前轮前束，一般情况下要求当车轮上跳时，前束角变化范围具有弱负性，车轮下跳时，前束值减小，该车前束值随车轮行程变化关系如图8所示。

从图8中发现，当车轮上跳时，该车前束值变小，而这会加剧轮胎磨损，所以可以针对该变量进行优化。

2.2 主销内倾角对悬架运动学性能的影响

主销内倾角要在合理范围内变化，内倾角值不宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，将出现明显的滑动，致使轮胎出现剧烈的磨损；同样，内倾角也不宜太小。主销内倾角值设置在7°～13°，在满足使用要求的条件下，一般取小值更佳[8]。该车内倾角随车轮行程变化关系如图9所示。

从图9中可以看出，不论前轮是向上或是向下跳动，该车内倾角值都是都在合理范围内，但当车轮下跳，内倾角值偏大，所以可对此变量进行优化。

2.3 主销后倾角对悬架运动学性能的影响

主销后倾角应在一定范围内变化，后倾角值不宜过大，因为回正力矩会随后倾角的增大而增大，从而导致转向时需要更多的外力，影响驾驶的舒适性；后倾角也不宜过小，后倾角过小容易导致驾驶走偏，汽车转向回正也会出现问题。后倾角值在0°～2°范围内，在可以实现时情况下，一般取小值更佳[9]。该车后倾角随车轮行程变化关系如图10所示。

从图中可以发现，不论车轮向上或是向下跳动，主销后倾角总有一部分不在正常的范围内，这必然会导致轮胎的剧烈磨损，所以可对该变量进行优化。

2.4 车轮外倾对悬架运动学性能的影响

为了减小汽车行驶过程中车身跳动时引起的车轮外倾角变化，一般设置车轮外倾角变化范围在±1°内。而该车外倾角变化范围在-2.7°～1.2°，所以可将该角度作为优化变量。该车车轮外倾角随车轮行程变化关系如图11所示。

根据上述对经改装的新奥拓电动汽车的麦式前悬的性能仿真分析，需要对悬架关键点进行优化分析，所以利用Insight模块确定优化目标，包含前轮四项定位参数：前轮前束角 、车轮外倾角、主销后倾角 、主销内倾角随车轮行程的变化关系[10]。

经改装以后的新奥拓电动车的悬架关键点的坐标由于车身质量和整车质心位置发生了变化，所以关键点坐标值也发生变化，从而影响整车的行驶平顺性和操纵稳定性。因此优化变选择麦式悬架的关键点，这些关键点有：转向横拉杆内点、转向横拉杆外点 、控制臂前点、控制臂外点、控制臂后点、滑柱上顶点这六个点的的坐标。

然后根据麦式悬架关键点的空间位置确定优化变量的范围。采用ADAMS/Insight模块中的DOE SCREENING方法进行优化，选择PLACKET BURMAN为优化类型，线性模型作为优化模型。完成后结果如表2所示。

3.1 前轮前束角

从前轮前束与wheel_travel的变化曲线(图12)中可以看出，经过优化的麦式悬架的前束角值变化明显，优化后车轮上跳时，前束角具有明显的弱负性，下跳时前束角增大，符合要求，对性能还是有一定的提高。

3.2 主销内倾角

从主销内倾随wheel_travel的变化曲线(图13)中可以看出，经过优化的主销内倾角的变化范围要优于优化之前的变化范围，优化之前，虽然内倾值在正常范围内变化，但是当车轮上跳时，内倾值依然偏大[11]，优化之后，当车轮上跳时，内轻质变为12°有了明显的改善。

3.3 主销后倾角

从主销后倾角随wheel_travel的变化曲线(图14)中可以看出，经过优化的后倾角的变化范围要优于优化之前的变化范围，优化之前，不论车轮向上或是向下跳动，主销后倾角总有一部分不在正常的范围内，优化之后，当车轮向下跳动时，后倾值在正常范围内变化，向上跳动时，后倾值也有了改善，所以优化对主销后倾角的改善是有效的。

3.4 车轮外倾角

从前轮外倾随wheel_travel的变化曲线(图15)中可以看出，经过优化的前轮外倾

角的变化范围要优化之前的变化范围，变化范围由优化之前的2.0°～-2.0°变化为优化后的1.0°～-1.1°，变化范围缩小，有利于减轻轮胎的磨损。

在ADAMS/Car中搭建的整车模型导入ADAMS/Car Ride模块，对整车模型施加虚拟四柱实验台，从而实现对整车模型的仿真。通过对四柱实验台施加相应激励，得到车辆在不同路面状况下行驶的表现。仿真模型如图16所示。

4.1 随机路面输入

根据GB/T 4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》规定，沥青路面上常用车速为70 km/h；砂石路面上常用车速为60 km/h。设定车速在B级路面行驶[12]，试验时，汽车以规定的车速匀速试过试验阶段。图17为车辆在优化前后行驶速度为50 km/h的垂直加速度变化曲线。

4.2 脉冲激励输入

《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方案》中规定，使电动汽车整车模型以不同的速度匀速行驶，在行驶过程中对模型进行平顺性仿真研究。图18为车辆在优化前后行驶速度为10 km/h的垂直加速度变化曲线。

在基于ADAMS/Insight对某款电动汽车的前悬优化以后，前轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角以及主销后倾角的变化范围要明显优于优化之前的变化范围。同时，从平顺性仿真试验中可以看出，整车的行驶平顺性在优化之后有了较为明显的提高和改善，可见，对前悬的优化对于提高行驶平顺性有明显的帮助。

虚拟样机技术的应用，为汽车动力学仿真的研究提供了一条崭新的道路。本文利用ADAMS仿真软件建立的动力学模型，在B级路面上让其在不同速度下匀速直线行驶，并得到了车辆的垂直加速度的取值范围。为真实车辆行驶中利用加速度传感器采集其振动信号提供了理论依据。其建模方法可以为类似车辆的动力学模型建立提供参考。

【相关文献】

1 Tate E D, Harpster M O, Savagian P J. The electrification of the automobile: from

conventional hybrid， to plug-in hybrids, to extended-range electric vehicles. SAE 2008-01-0458

2 Doude M, Molen G M. Design methodology for a range-extended PHEV. IEEE， 2009，978-1-4244-2601

3 Zhou Leon, Wise Jeremy,etal. Design, modeling and hardware implementation of a next

generation extended range electric vehicle. SAE International, 2010-01-0830

4 Scott Varnhagen, Adam Same,etal. A numerical investigation on the efficiency of range

extending systems using Advanced Vehicle Simulator. Journal of Power Sources,

2011;196:3360—3370

5 周 苏, 牛继高, 陈凤祥, 等.增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究.汽车工程，2011;33(11):

924—929

Zhou Su,Niu Jigao,Chen Fengxiang,etal. A study on powertrain design and simulation for

range-extended electric vehicle. Automotive Engineering, 2011;33(11): 924—929

6 赵文章. 增程式客车整车控制器与控制策略研究.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011

Zhao Wenzhang. Research of vehicle controller and control strategy for extended range

electric vehicle. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2011

7 叶冬金. 增程式纯电动车动力系统参数匹配及其控制策略研究.长春：吉林大学，2012

Ye Dongjin. Study on parameters design and control strategy for powertrain system of

extended-range electric vehicle. Changchun: Jilin University, 2012

8 Keld Laursen,etal. Exploring the effect of geographical proximity and university quality

on university-industry collaboration in the United Kingdom. Regional Studies, 2009;(9):1—17

9 Hu Jianjun, Yang Zhipeng, Zhao Jinlong. Torque control method of the motor drive

system in electric vehicle. Advances in Information Sciences and Service Sciences,2013;

5(5): 1142—1148

10 Vliet O P R，Kruithof T，Turkenburg W C．Techno-economic comparison of series

hybrid，plug-in hybrid，fuel cell and regular cars. Journal of Power Sources,2010;(1):195:

6570—6585

11 Lee H, Tomizuka M. Adaptive vehicle traction force control for intelligent vehicle

highway Transactions on Industrial Industrial Electronics,2013;50(1):37—47

12 Terashima M，Ashikaga T. Novel motors and controllers for high performance electric

vehicle with four in-wheel Transactions on Industrial

Electronics,2012;44(1):28—38