純電動汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計分析①

蔡軍

摘 要：由于我國當(dāng)前對純電動汽車的技術(shù)方面有所欠缺，導(dǎo)致市場上普遍出現(xiàn)的小型低速電動汽車，其車身和裝配都比較簡易，內(nèi)部裝飾粗略，僅帶有最基礎(chǔ)的操控設(shè)施和安全配備，與先進(jìn)汽車的配置相差甚遠(yuǎn)。該文主要闡述了純電動汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計的具體條件、技術(shù)指標(biāo)、及懸架系統(tǒng)的整體方案，采用麥弗遜懸架系統(tǒng)分析，最終提出懸架系統(tǒng)的主要評估方式。

關(guān)鍵詞：純電動汽車 懸架 性能 驅(qū)動

中圖分類號：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2813（2015）06（b）-0113-02

由于純電動汽車相比傳統(tǒng)型汽車來說，其對生活環(huán)境所帶來的危害極其微小，因此占有很廣泛的發(fā)展前景和發(fā)展空間。但是由于純電動汽車的操控穩(wěn)定性和行駛平順性較差，很難達(dá)到消費(fèi)者的需求。采用純電動汽車的懸置系統(tǒng)，則可以很好的減緩車身振動，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和平順性，因此對純電動汽車懸置系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化是當(dāng)前十分重要的任務(wù)。

1 懸置系統(tǒng)的設(shè)計條件

懸置系統(tǒng)的具體作用便是將整體車身的動力總成穩(wěn)定起來，用來削弱車身的波動幅度。其動力總成主要包括電動機(jī)向車身傳遞時的振動，和車身向動力總成傳遞時的，經(jīng)由懸架系統(tǒng)和地面摩擦?xí)r所產(chǎn)生的振動。車身良好的懸架系統(tǒng)不但能夠減弱因為振動而導(dǎo)致的車內(nèi)噪音，還可以優(yōu)化純電動汽車的的功效，可以將經(jīng)由懸架系統(tǒng)的從車身向動力總成傳遞的振動降到最低，因此，純電動汽車的懸置系統(tǒng)不僅僅可以作為動力總成的標(biāo)準(zhǔn)配件，又能夠作為純電動汽車良好的減振設(shè)備，所以，在對懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，需要滿足下面的一些約束條件。

1.1 懸置元件的剛度符合要求

純電動汽車懸置系統(tǒng)的主要作用便是承載動力總成，因此在對其進(jìn)行設(shè)計時需要顧及到車身因強(qiáng)重力作用而導(dǎo)致的懸置元件的變形情況。此外，也要顧及到純電動汽車車輪的反作用所產(chǎn)生力矩的因素，這便要求所使用的懸置元件穩(wěn)固良好，性能優(yōu)異，可以承載普遍范圍內(nèi)的靜載荷和動載荷的功效，這便需要懸置元件的剛度符合要求，不能松軟易折，如此方能確保懸置系統(tǒng)的持久性，使純電動汽車的壽命延長，并且能夠配合動力總成良好運(yùn)行。

1.2 懸置系統(tǒng)具備隔振功效

懸置系統(tǒng)不但要可以減緩動力總成本身所產(chǎn)生的波動傳遞到車身，還需要可以減緩崎嶇路面對動力總成的負(fù)面作用，所以，懸置系統(tǒng)要具備良好的隔振功效，其總體性能的判斷普遍使用如下公式進(jìn)行計算：

為隔振傳遞率，為懸置元件阻尼比，為激勵輸入頻率，為系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)時，隔振傳遞率，這樣懸置系統(tǒng)方能起到很好的隔振功效，這點(diǎn)也為設(shè)計純電動汽車懸置系統(tǒng)所必須考慮的一點(diǎn)。此外，不但要滿足上面的要求，設(shè)計懸置元件的剛度也不能過大而超出許可范圍，這樣會致使系統(tǒng)的固有頻率產(chǎn)生變化，使系統(tǒng)的隔振功效下降。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 整車級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

依照基準(zhǔn)車型當(dāng)前的市場狀況顯示，在以一些純電動汽車為例進(jìn)行懸架系統(tǒng)設(shè)計之后，發(fā)現(xiàn)其操作穩(wěn)定性和平順性與基準(zhǔn)車并無差異，然而仍要對純電動汽車的轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行整改和完善，由于純電動汽車普遍使用轉(zhuǎn)向柱式的電動驅(qū)動來進(jìn)行轉(zhuǎn)向，與基準(zhǔn)的液壓助力轉(zhuǎn)向相比，其功效更為良好和易于操作。需要根據(jù)各種車速的情況下來構(gòu)建各種助力曲線，這樣可以很好地提升駕駛員的操縱質(zhì)感和體驗。其中，側(cè)傾梯度則代表純電動汽車車身的側(cè)傾角在不同側(cè)向加速度下所產(chǎn)生的各種不同的變化率，在這個值比較小的情況下，純電動汽車進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)彎時多產(chǎn)生的側(cè)傾梯角便會越小。然而倘若側(cè)傾梯度的值低于許可范圍，便會極其嚴(yán)重的影響純電動汽車的穩(wěn)定性。這項參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)普遍設(shè)置為4°～4.5°/g左右。若是針對小型純電動汽車，為了方便家庭操作，這項指標(biāo)普遍設(shè)定在2°/g左右，這0樣可更深層次的抵環(huán)境干擾。其要求需要滿足如下公式：

是轉(zhuǎn)向靈敏度，是轉(zhuǎn)向傳動比，是軸距，是重力加速度，是車速，是不足轉(zhuǎn)向梯度。一般在的情況下，會使轉(zhuǎn)向靈敏度調(diào)整為。

2.2 系統(tǒng)級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

為了使純電動汽車的懸架系統(tǒng)具備低廉的成本和良好的結(jié)構(gòu)，這便需要最大限度地保證當(dāng)前市場基準(zhǔn)車懸架系統(tǒng)的元件和構(gòu)造，然后對其懸架系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的整改設(shè)計來達(dá)到相關(guān)指標(biāo)，這樣設(shè)計出的懸架系統(tǒng)所具備的性能和質(zhì)量都會獲得很好的提升。其中，輪跳便為系統(tǒng)指標(biāo)中比較關(guān)鍵的部分，主要代表輪心跳動量。在進(jìn)行懸架系統(tǒng)的設(shè)計時要進(jìn)行最大極限行程，以及行程的確定。從純電動汽車的平順性的功能特性來看，行程的值愈大，純電動汽車內(nèi)部的駕駛舒服度就越高。在極限行程的設(shè)計方面便需要整體顧及到行程及總布置的要求。普遍將前車輪的上跳值設(shè)定在（100±10）之間，將下跳值設(shè)定在（80±10）之間。而純電動汽車的后車輪在綜合顧及到?jīng)]有負(fù)載影響的情形下，其輪心變動通常會比前車輪的變動幅度大，因此將后車輪的上跳值設(shè)定在（125±10）之間，下跳值設(shè)定在（70±10）之間。前懸側(cè)傾剛度可以設(shè)置為，后懸側(cè)傾剛度則設(shè)置為，如此方可以達(dá)到側(cè)傾梯度以及側(cè)向力轉(zhuǎn)移的條件需求。

3 懸架系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

針對一款改型的純電動汽車進(jìn)行分析，對其總體參數(shù)展開相應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，其軸荷和車輪定位的參數(shù)都發(fā)生了相應(yīng)的改變，雖然變化幅度不是很大，但是綜合其設(shè)計理念、實(shí)用性和麥弗遜式懸架特征上的分析，對這款改型的傳電動汽車的前懸架進(jìn)行軟件模擬，其模擬圖如圖1所示。

懸架結(jié)構(gòu)的彈簧選用也十分重要，性能較為良好的彈簧能夠使車身的重心下降，使車身外觀更為美觀。此外，若要保證純電動汽車內(nèi)部駕駛的舒服度，便需要選用品質(zhì)較為柔軟、有彈性，質(zhì)地良好的彈簧作為材料。倘若選用了質(zhì)地比較堅硬，不易伸縮和控制的彈簧則會使純電汽車內(nèi)部駕駛的舒服度下降。也不是完全沒有優(yōu)點(diǎn)，這種硬質(zhì)彈簧可以使駕駛員良好的控制轉(zhuǎn)向速度和剎車操作。當(dāng)前在彈簧材料的選用上，比較有代表性的便是優(yōu)良材質(zhì)的鋼筋，從未進(jìn)行熱處理操作，直接進(jìn)行冷卷操作而形成的彈簧。此類彈簧的伸縮性能良好，相對熱卷形成的彈簧來說，其抗疲勞能力較為優(yōu)異，使用壽命也有所增長。然而，倘若所選用的彈簧的性能很軟，已經(jīng)超出最低許可范圍，便會產(chǎn)生露底現(xiàn)象，也就是說已經(jīng)將懸掛的行程消耗完畢，不能再進(jìn)行使用。倘若在純電動汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的時候產(chǎn)生露底現(xiàn)象，那么便可以將彈簧的彈力系數(shù)看做無限大，已經(jīng)不再具備可壓縮性，便會使車身發(fā)生嚴(yán)重的漂移，致使其平穩(wěn)性發(fā)生下降。

3.1 麥弗遜懸架的系統(tǒng)分析

麥弗遜懸架需要很多的零件來進(jìn)行構(gòu)建，所以在對其懸架體系的分析中常常運(yùn)用空間機(jī)構(gòu)分析法。這種方法把懸架總成中的元件來進(jìn)行等效操作，將其視作剛體展開詳細(xì)的分析，這樣便可以良好的研究其懸架系統(tǒng)所進(jìn)行的空間運(yùn)動。圖2便是麥弗遜式懸架的簡要表示，依照圖中所標(biāo)出的等效措施，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)懸架擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)的鏈接是以球副的形式來進(jìn)行等效。那么減振器的上支點(diǎn)，以及車身的鏈接便可以等效為一個轉(zhuǎn)動副。如此，便可以將麥弗遜式懸架進(jìn)行抽象描述，使其形成為固定而封閉的空間體系來進(jìn)行研究。

使用專用軟件中的麥?zhǔn)綉壹艿哪０鍋碓O(shè)定前懸值，也要進(jìn)行前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是構(gòu)架和選取，依據(jù)實(shí)踐測量的測量值展開相應(yīng)的整改，加入懸架特性虛擬評估試驗臺，最終得到純電動汽車懸架結(jié)構(gòu)的整體模型圖如圖3和圖4所示。

前輪的前束角在懸架結(jié)構(gòu)中起到十分重要的作用，其可以顯著的影響懸架運(yùn)動學(xué)性質(zhì)，根據(jù)市場情況來看，當(dāng)前純電動汽車的的前束值有呈現(xiàn)出降低的趨勢。普遍在進(jìn)行懸架系統(tǒng)的設(shè)計中，將前束值設(shè)定在以內(nèi)，當(dāng)前輪外傾處于負(fù)數(shù)的情況下，其前束也情況相同，也為負(fù)數(shù)，這樣便會轉(zhuǎn)化成為前輪后束。在前輪前束的協(xié)調(diào)上，一般利用調(diào)節(jié)橫拉桿的伸縮度來進(jìn)行前輪前束的整改。在普遍情況下，需要當(dāng)車輪上跳的時候，其前束角的變動幅度具有弱負(fù)性的特性，當(dāng)車輪下跳時，其前束值會相應(yīng)的降低。當(dāng)車輪上跳時，其前束值也會發(fā)生下降，由此便會使車輪發(fā)生很大程度的損傷，需要對這個變量展開優(yōu)化設(shè)計。

在主銷內(nèi)傾角方面，倘若這個值在符合要求的變動區(qū)間中發(fā)生改變，其內(nèi)傾角的數(shù)值不應(yīng)該太大，不然在純電動汽車進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)彎時使車輪繞主銷發(fā)生很大程度的滑移，這樣也會致使純電動汽車的車輪產(chǎn)生損傷現(xiàn)象。此外，其內(nèi)傾角當(dāng)然也不能太小，超出臨界值將會發(fā)生危險。因此，在主銷內(nèi)傾角值的設(shè)計方面，通常將其值設(shè)定在之間。倘若是在許可范圍內(nèi)，普遍采用其中相對較小的數(shù)值。

在主銷后傾角方面，其后傾角的數(shù)值最好不要太大，這主要是由于回正力矩普遍將跟隨后傾角的變大而變大，這樣會致使純電動汽車轉(zhuǎn)彎時花費(fèi)很大的外力，從而使車輛駕駛的舒服度下降。當(dāng)然，后傾角的選用也不能太小，低于臨界值將會致使駕駛的穩(wěn)定性發(fā)生下降，使車輛在駕駛過程中發(fā)生輕微偏移，轉(zhuǎn)向回正也相應(yīng)產(chǎn)生許多的問題和矛盾。因此，通常將后傾角值調(diào)整在之間，在正常區(qū)間內(nèi)，普遍選用較小值。倘若懸架系統(tǒng)中的主銷后傾角的某個環(huán)節(jié)不在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間中，那么也會致使輪胎的損傷，因此，這項變量也需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

4 懸置系統(tǒng)的性能評估

純電動汽車懸置系統(tǒng)的工作性能十分重要，這將成為整體汽車質(zhì)量及市場銷售情況的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好性能的純電動汽車不但可以有效節(jié)能，并且將在提倡環(huán)保減排的社會中占有極大的發(fā)展優(yōu)勢。因此，通常在純電動汽車的懸置系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對其進(jìn)行性能評估。判斷其是否具有很強(qiáng)的隔振和減振的功效，并且可以使動力總成與車身間傳遞的振動顯著下降。這是當(dāng)前對純電動汽車懸置系統(tǒng)設(shè)計的主要觀念。

在評估懸置系統(tǒng)在純電動汽車的各種明顯工況下的性能狀況時，普遍使用兩類方式，也就是頻域法及時域法。這里主要介紹頻域法，此類方法普遍用來評估系統(tǒng)的固有頻率，有時也用來評估其在其他環(huán)境的影響下所帶來的響應(yīng)問題。這種評估結(jié)果普遍得出的是和頻率相關(guān)的量，能夠獲得系統(tǒng)的振動模態(tài)、振動能量分布等各種函數(shù)。因此基于這種狀況下的激勵振幅不會發(fā)生變化，只有頻率在規(guī)定區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一定的波動，所以此類評估方式主要是來分析近似穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)。在日常的實(shí)踐操作中，普遍采用白噪聲的振動方式來代替前面所說的激勵源，而且還可以獲得和實(shí)踐振動響應(yīng)相相似的評估結(jié)論。其主要原因在于激勵源和白噪聲的功效極為相近，總而言之，這種評估方法具備很好的實(shí)踐性和可靠性。

5 結(jié)語

純電動汽車的電力供給一般為動力蓄電池，不但具有很好的節(jié)能優(yōu)勢，在環(huán)境保護(hù)方面也優(yōu)于傳統(tǒng)汽車。然而，我國在純電汽車的生產(chǎn)和研發(fā)方面有所欠缺，在純電動汽車由傳統(tǒng)汽車的進(jìn)化過程中，使原先傳統(tǒng)汽車的整車總布置產(chǎn)生很大的變化，總質(zhì)量及質(zhì)心位置的設(shè)計無法滿足駕駛者的需求，相對傳統(tǒng)汽車而言，其操縱穩(wěn)定性和平順性都發(fā)生了很大程度的降低。但是對純電動汽車進(jìn)行懸架系統(tǒng)的設(shè)計和分析，通過進(jìn)行詳細(xì)的探索研究，并使用計算機(jī)輔助軟件對懸架系統(tǒng)進(jìn)行模擬，不但可以提升純電動汽車的工作性能，還可以提升其行駛的平順性，這對我國純電動汽車行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用。

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