純電動(dòng)汽車(chē)縱臂懸架系統(tǒng)性能優(yōu)化仿真

楊凱，連晉毅

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

純電動(dòng)汽車(chē)縱臂懸架系統(tǒng)性能優(yōu)化仿真

楊凱，連晉毅*

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

純電動(dòng)汽車(chē)因重心的變化而使其懸架系統(tǒng)的性能與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)相比有很大不同。針對(duì)輪轂電機(jī)汽車(chē)的這一特性，利用三維繪圖軟件建模并導(dǎo)入ADAMS建立多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行轉(zhuǎn)向模擬仿真用以驗(yàn)證雙縱臂懸架系統(tǒng)在電動(dòng)車(chē)上的可行性；在此基礎(chǔ)之上，對(duì)懸架系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾特性和轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行分析。分析表明，通過(guò)優(yōu)化懸架的結(jié)構(gòu)可彌補(bǔ)電動(dòng)汽車(chē)可能出現(xiàn)的過(guò)多轉(zhuǎn)向特性和側(cè)傾特性，而優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)可滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)的靜動(dòng)態(tài)特性要求。

純電動(dòng)汽車(chē)；縱臂懸架；仿真優(yōu)化

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-44-04

引言

隨著石油資源的日益減少，人類(lèi)生活環(huán)境遭到越來(lái)越嚴(yán)重的破壞，純電動(dòng)汽車(chē)將會(huì)被運(yùn)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域里。越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外院校以及汽車(chē)運(yùn)輸行業(yè)開(kāi)始重視電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)和生產(chǎn)。較之傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)環(huán)境的污染可以達(dá)到最小，噪聲得到很好地抑制，在較低車(chē)速時(shí)有著良好的加速能力，因此純電動(dòng)汽車(chē)作為城際代步車(chē)輛，園區(qū)專(zhuān)用車(chē)輛，城市特種車(chē)輛都有很好的發(fā)展前景。

縱臂懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，占用車(chē)身橫向空間更少，適合純電動(dòng)汽車(chē)布置，可以增加底盤(pán)中電池組件的空間，安裝更大電池可以顯著提高純電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程。純電動(dòng)汽車(chē)由于結(jié)構(gòu)上較燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)取消了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器等機(jī)械部件，并在底盤(pán)的很大空間布置電池組件，所以純電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)的重心位置勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的懸架系統(tǒng)不能直接用在純電動(dòng)汽車(chē)上。

本文以某輕型電動(dòng)車(chē)輛的懸架系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立前后車(chē)橋均為雙縱臂式非獨(dú)立懸架的系統(tǒng)模型，初步對(duì)整車(chē)進(jìn)行路面行駛仿真以驗(yàn)證雙縱臂懸架系統(tǒng)在純電動(dòng)車(chē)上的可行性。由于影響懸架系統(tǒng)性能的因素有很多，本文通過(guò)改變雙縱臂式非獨(dú)立懸架系統(tǒng)左右縱臂間距的大小，對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的各性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，找到最適宜純電動(dòng)汽車(chē)行駛性能的懸架方案。

1、雙縱臂懸架系統(tǒng)工作原理分析

本文所用整體式車(chē)橋縱臂懸架系統(tǒng)如圖1所示，縱臂一端與車(chē)橋相連，另一端與車(chē)架相連；減震器一端與車(chē)橋相連，另一端與車(chē)架相連。

1/4懸架的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中m1為非簧載質(zhì)量，m2為簧載質(zhì)量，L為縱臂長(zhǎng)度（上下兩縱臂等長(zhǎng)），K為懸架剛度，C為懸架阻尼，K1為輪胎剛度，q為路面激勵(lì)。車(chē)輛在平整路面行駛時(shí)，由縱臂和減震器共同支撐車(chē)身起到懸架的作用。當(dāng)遇到不平路面時(shí)，路面激勵(lì)q使一側(cè)車(chē)輪跳動(dòng)通過(guò)輪胎（K1）傳遞到車(chē)橋，車(chē)輪跳動(dòng)會(huì)壓縮或伸張一側(cè)減震器，同時(shí)該側(cè)的上下雙縱臂會(huì)繞與車(chē)架相鉸接的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，若兩側(cè)車(chē)輪均發(fā)生跳動(dòng)，會(huì)同時(shí)壓縮或伸張兩個(gè)減震器，左右四個(gè)縱臂同時(shí)圍繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而保持車(chē)架的平穩(wěn)。由于縱臂與車(chē)架直接相連，電動(dòng)車(chē)車(chē)架上布置電池組件，因此該懸架系統(tǒng)縱臂受力比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的縱臂系統(tǒng)受力更大，有必要對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化使其更適合電動(dòng)汽車(chē)。

圖1 雙縱臂懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 二自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型

懸架系統(tǒng)中影響懸架系統(tǒng)性能的參數(shù)很多，任意改變一個(gè)參數(shù)都對(duì)懸架的性能會(huì)發(fā)生變化，全部考慮會(huì)使計(jì)算強(qiáng)度過(guò)大。本文著重考慮某些參數(shù)，例如左右側(cè)縱臂間距的改變對(duì)于懸架性能的影響和對(duì)整車(chē)行駛的影響。以下便是建立仿真模型和參數(shù)優(yōu)化過(guò)程。

2、電動(dòng)汽車(chē)縱臂懸架模型建立

ADAMS中，輪胎和路面的添加應(yīng)最大限度的和實(shí)際汽車(chē)行駛狀況相符。本文所研究系統(tǒng)的輪胎參數(shù)如表2所示。

利用SolidWorks軟件建立純電動(dòng)汽車(chē)的懸架和底盤(pán)的三維模型。將模型文件導(dǎo)入ADAMS/View軟件，在ADAMS/ View中對(duì)各部分零件賦予密度屬性和質(zhì)量屬性。縱臂懸架模型關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

“哎——撿垃圾的，我這有個(gè)空瓶，要不要？”身后突然傳來(lái)一個(gè)女孩的聲音時(shí)，我禁不住回過(guò)頭，大聲喊：“你才撿垃圾的，不要！”沒(méi)想到秦風(fēng)卻回過(guò)頭應(yīng)了聲：“要！”

根據(jù)汽車(chē)?yán)碚撆c汽車(chē)構(gòu)造知識(shí)可知，雙縱臂懸架的上下縱臂需要設(shè)計(jì)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)能夠在汽車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中避免懸架系統(tǒng)互相干涉而引起的行駛問(wèn)題。本文通過(guò)改變左右雙縱臂懸架的間距來(lái)完成對(duì)懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)化。底盤(pán)三維模型如圖3所示。

圖3 雙縱臂懸架系統(tǒng)底盤(pán)模型

表1 縱臂懸架系統(tǒng)模型參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)向側(cè)傾角優(yōu)化

由于學(xué)生會(huì)同時(shí)使用兩種或兩種以上的詞典，因此百分比相加的總和會(huì)大于100。表4說(shuō)明兩組都有大約三分之二的學(xué)生選擇使用在線(xiàn)詞典(使用手機(jī)上網(wǎng))，譬如，有道、谷歌、金山詞霸，約五分之一的學(xué)生選擇使用電子詞典，如：步步高、文曲星。在紙質(zhì)詞典的選擇方面，兩組有很大的差別，英語(yǔ)四級(jí)分?jǐn)?shù)大于等于500分的學(xué)生中有47%使用紙質(zhì)詞典，而另一組卻只有21%使用，不過(guò)，這21%的份額中，有將近50%的學(xué)生填寫(xiě)的所使用的紙質(zhì)詞典為漢英詞典，使用目的主要是完成漢譯英學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)方便進(jìn)行查詢(xún)。

2.1 縱臂懸架模型的建立

表2 輪胎參數(shù)

可以用來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)轉(zhuǎn)向性能的參數(shù)有三個(gè)：前后輪側(cè)偏角絕對(duì)值之差；轉(zhuǎn)向半徑的比；靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)。本文運(yùn)用靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)分析純電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向?qū)τ趥鹘y(tǒng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向有何不同。靜態(tài)儲(chǔ)備系數(shù)（S.M.）的計(jì)算公式如式（2）所示。

患者在藥師協(xié)作下制定家庭健康計(jì)劃，如戒煙計(jì)劃、肺康復(fù)計(jì)劃（有效排痰、呼吸肌鍛煉、肌肉鍛煉、營(yíng)養(yǎng)支持、家庭氧療等）、飲食生活計(jì)劃（避免室內(nèi)外空氣污染等誘因、飲食指導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)注意事項(xiàng)等）以及教育患者關(guān)注的急性期癥狀（痰色變化、呼吸困難加重等）及處理措施（及時(shí)就診等），將具體步驟列在表中，囑咐患者在日常生活中記錄以上實(shí)際行為，以便藥師在下次隨訪(fǎng)時(shí)對(duì)比計(jì)劃與實(shí)際行為，對(duì)患者提出建議與激勵(lì)，從而提高患者依從性。

3、縱臂懸架系統(tǒng)的優(yōu)化

分別設(shè)置5組不同的前橋左右縱臂水平距離值。原始左右縱臂水平距離值為第 3組所定義的值，的取值范圍內(nèi)取5組不同的值進(jìn)行仿真優(yōu)化，將制好的表格導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行仿真分析。優(yōu)化時(shí)用到的各組左右縱臂水平距離值如表3所示。

表3 5組不同左右縱臂水平距離值

2.2 輪胎與路面參數(shù)的建立

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)人民的生活水平不斷提高,人民群眾對(duì)于醫(yī)療服務(wù)的要求也就變得更加個(gè)性化。臨床藥師參與臨床藥物治療工作,能夠進(jìn)一步提高對(duì)患者用藥治療的安全性、合理性及有效性,同時(shí)還促進(jìn)了患者對(duì)藥物治療的依從性,對(duì)其臨床治療效果的提升具有很大的意義。

定義獨(dú)立變量X和y,在X中的溫度變量數(shù)為p,數(shù)據(jù)集T可以描述為:T={(x1,y1),…,(xn,yn)},其中xi∈X?Rp,yi∈y?R1。

圖4 轉(zhuǎn)向側(cè)傾角

圖5 轉(zhuǎn)向側(cè)傾角局部放大圖

從圖5中可以看出第4組縱臂水平距離所代表的曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾角達(dá)到的最大值較其他曲線(xiàn)更小。第2組曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的縱臂水平距離使側(cè)傾角達(dá)到最大。

本文通過(guò)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)身側(cè)傾角變化的測(cè)量得到不同組縱臂水平間距下側(cè)傾角的變化曲線(xiàn)。車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)身會(huì)產(chǎn)生傾斜的現(xiàn)象稱(chēng)之為車(chē)身側(cè)傾，車(chē)輛均會(huì)出現(xiàn)側(cè)傾的現(xiàn)象，但側(cè)傾的角度大小則與懸架的形式以及優(yōu)化程度有關(guān)，車(chē)身側(cè)傾角過(guò)大會(huì)使車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)翻車(chē)，因此對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的側(cè)傾角進(jìn)行測(cè)量是十分有必要的。使汽車(chē)加速至30km/h時(shí)進(jìn)行30o的轉(zhuǎn)向行駛，在此過(guò)程中測(cè)量側(cè)傾角大小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為表3所用參數(shù)。側(cè)傾角仿真曲線(xiàn)如圖4所示，圖5為其局部放大圖。

3.2 轉(zhuǎn)向半徑優(yōu)化

ADAMS中路面的添加和輪胎的添加是同時(shí)進(jìn)行的，在輪胎添加過(guò)程中，創(chuàng)建用于雙縱臂懸架系統(tǒng)行駛的路面譜。由于本文所研究的為輕型純電動(dòng)汽車(chē)所以選擇在較好路面下的行駛工況作為研究目標(biāo)，因此將路面附著系數(shù)設(shè)定為為0.9。

S.M.=a'-aL （2）

式（2）中是中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)至前軸距離，是汽車(chē)質(zhì)心至前軸距離，是軸距。時(shí)汽車(chē)為中性轉(zhuǎn)向，時(shí)汽車(chē)為不足轉(zhuǎn)向，時(shí)汽車(chē)為過(guò)多轉(zhuǎn)向。電動(dòng)車(chē)輛由于在結(jié)構(gòu)上減去了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等裝置，在底盤(pán)中安裝大量電池組件，由此可知電動(dòng)汽車(chē)的質(zhì)心位置較傳統(tǒng)汽車(chē)質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生變化。在軸距相同的條件下，電動(dòng)汽車(chē)輛底盤(pán)質(zhì)心位置比普通車(chē)輛底盤(pán)質(zhì)心位置要靠后一些，這樣的變化會(huì)使公式（2）中的的值由大變小甚至變?yōu)樨?fù)值，即車(chē)輛的過(guò)多轉(zhuǎn)向特性會(huì)更加明顯，因此對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整來(lái)平衡質(zhì)心位置上的變化而引起的問(wèn)題是十分必要的。

滑動(dòng)聚束方式下波束在地面照射區(qū)域具有一定移動(dòng)速度vf，因此在增加定點(diǎn)聚束每個(gè)波位脈沖駐留數(shù)，打破波束掃描速度與飛機(jī)平臺(tái)速度的平衡，進(jìn)而使得波束在地面照射區(qū)域具有一定的移動(dòng)速度。這里引進(jìn)滑動(dòng)系數(shù)k(k≥1)，滑動(dòng)聚束方式下，波位駐留脈數(shù)N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通過(guò)設(shè)置k的取值，調(diào)節(jié)波束在地面的滑動(dòng)速度。

利用表3的5組縱臂水平距離值分別測(cè)量模型在轉(zhuǎn)向時(shí)的半徑值，圖6所示為轉(zhuǎn)向半徑數(shù)值曲線(xiàn)在18s到22s區(qū)間的局部放大曲線(xiàn)。從圖6中可以看出，縱臂水平位置的改變對(duì)轉(zhuǎn)向半徑的大小改變不是十分明顯，基本維持在5.8m-6m的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)，第4組實(shí)驗(yàn)使轉(zhuǎn)向半徑均值達(dá)到了最小值5.688m，但從圖中可以看出，第4組實(shí)驗(yàn)的曲線(xiàn)相較其他曲線(xiàn)跳動(dòng)幅度最大，最為平穩(wěn)的曲線(xiàn)則是第2組實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向半徑均值為5.775m,綜上可知，第2組實(shí)驗(yàn)，即縱臂水平距離為0.6m時(shí)，模型轉(zhuǎn)向半徑值達(dá)到最優(yōu)。

圖6 轉(zhuǎn)向半徑數(shù)值曲線(xiàn)局部放大圖

從圖5、圖6提取相關(guān)數(shù)值記錄成表格，如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

從表4中可以看出不同的左右縱臂水平距離對(duì)模型的轉(zhuǎn)向半徑的影響不大，所有曲線(xiàn)在22s的數(shù)值均大于在18s時(shí)的數(shù)值，即轉(zhuǎn)向半徑均增大，說(shuō)明該模型在轉(zhuǎn)向時(shí)有一定的轉(zhuǎn)向不足特性，符合實(shí)際的轉(zhuǎn)向情況。當(dāng)左右縱臂距離為0.8m時(shí)轉(zhuǎn)向半徑均值達(dá)到最小，但曲線(xiàn)的波動(dòng)較大。轉(zhuǎn)向半徑最為平穩(wěn)的是第2組實(shí)驗(yàn)。在汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾角方面，不同左右縱臂水平距離對(duì)側(cè)傾角大小影響較大，第2組實(shí)驗(yàn)的側(cè)傾角最大值達(dá)到11.682o，當(dāng)左右縱臂水平距離在0.8m時(shí)車(chē)輛的側(cè)傾角最小為6.094o，并且轉(zhuǎn)向過(guò)程最為平穩(wěn)。當(dāng)綜合模型轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向側(cè)傾角的數(shù)值可以看出當(dāng)左右縱臂水平距離為0.8m時(shí)，各項(xiàng)數(shù)值均為最優(yōu)值。

老田看做不通侯大同的工作，就轉(zhuǎn)向湯翠，答應(yīng)再額外偷偷補(bǔ)給湯翠他們十萬(wàn)元現(xiàn)金。湯翠當(dāng)然沒(méi)意見(jiàn)，可侯大同卻是一副刀槍不入的樣子，死活不答應(yīng)。

4、結(jié)論

本文利用電動(dòng)機(jī)汽車(chē)懸架的特點(diǎn)對(duì)三維模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)向行駛的分析，通過(guò)改變左右縱臂水平距離的值分別進(jìn)行分析，得出轉(zhuǎn)向行駛時(shí)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向半徑和車(chē)身側(cè)傾角的值。通過(guò)分析可知當(dāng)所設(shè)計(jì)的模型左右側(cè)縱臂間距發(fā)生變化時(shí)轉(zhuǎn)向側(cè)傾角變化較大，而轉(zhuǎn)向半徑的值變化較小，從5組曲線(xiàn)可知，優(yōu)化的懸架結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)電動(dòng)汽車(chē)可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向側(cè)傾角過(guò)大和過(guò)多轉(zhuǎn)向特性。

通過(guò)對(duì)各仿真曲線(xiàn)的分析計(jì)算，得到了模型轉(zhuǎn)向半徑以及轉(zhuǎn)向側(cè)傾角的均值表，通過(guò)分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步選出了最優(yōu)的懸架布置方案。由此可知，對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)不能直接運(yùn)用，需要通過(guò)優(yōu)化和調(diào)整才能滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)的行駛特性。

[1] 王冬成, 潘筱, 王亞南.雙縱臂式非獨(dú)立后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(6):28-31.

[2] 孫延文.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的懸架參數(shù)優(yōu)化及汽車(chē)平順性仿真[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2015.

[3] 帥珍輝.電動(dòng)輪車(chē)專(zhuān)用底盤(pán)懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化匹配[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2015.

[4] 李晏,王春廷等.一種雙縱臂式懸架輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用交流,2015,07:49-53.

[5] NAGAYA G，WAKAO Y，ABE A．Development of an in-wheel drive with advanced dynamic-damper mechanism［J］．JSAE Review，2003,24(4):477-481．

[6] 劉永騰.基于ADAMS和SIMULINK的多軸電動(dòng)車(chē)建模與操縱穩(wěn)定性研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[7] 李景宇.基于ADAMS多軸車(chē)輛平順性分析及優(yōu)化[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

Battery electric vehicle trailing arm suspension system’s performance optimization simulation

Yang Kai, Lian Jinyi*
( School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Shanxi Taiyuan 030024 )

A Compared with fuel engine cars, the pure electric vehicle’s centre-of-gravity position has changed, and it affect the performance of the suspension system. In view of the electric car’s double trailing arm suspension system, this article uses Solidworks to build the model and parameterizes it ,than build the 3D ADAMS model to analysis the vehicle’s steering dynamic characteristics. On this basis, this article tests and optimizes the mechanical performance of the suspension system, the steering characteristics and the steering radius. Data shows that the more steering characteristic and the more rolling characteristic of the pure electric vehicle can be reduced through the optimization of the suspension system, and the ameliorated suspension system can satisfy the static and dynamic requirements of the pure electric vehicles.

pure electric vehicle; double trailing suspension; simulation; optimization

U461.2

A

A1671-7988 (2017)01-44-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.017

楊凱（1989-），男，就讀于太原科技大學(xué)。研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)車(chē)輛。通訊作者：連晉毅（1964-）男（漢族），教授，碩士研究生導(dǎo)師，就職于太原科技大學(xué)。主要研究領(lǐng)域?yàn)檐?chē)輛、機(jī)械。基金項(xiàng)目：本文得到山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201603D 121026）、校研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（20151024）的支持。