輪轂電機驅動電動汽車的懸架定位參數優化分析

肖文文　張緩緩　軒飛虎

摘要：針對輪轂電機驅動電動汽車由非簧載質量大而引起的平順性問題，通過增加車輪的質量進行仿真實驗驗證非簧質量增大確實會影響輪轂電機驅動電動汽車的平順性。為改善輪轂電機驅動電動汽車的平順性，通過多體動力學仿真軟件ADAMS/Car建立某汽車的整車模型并對其進行平順性仿真分析，建立的整車模型仿真實驗主要由前后車輪、前后懸架、轉向系統以及四柱實驗臺等組成。通過選取適當懸架的硬點坐標作為優化變量，以影響懸架的前束角、主銷內傾角、外傾角、主銷后傾角等定位參數變化范圍作為優化目標。通過仿真實驗可以看出，優化后的外傾角、前束角等影響懸架的定位角參數的變化優于優化前，從而使得懸架的綜合性能達到最佳。結果表明，優化之后的懸架硬點坐標可以有效地改善輪轂電機驅動電動汽車的平順性。

關鍵詞：電動汽車；輪轂電機；平順性；定位參數；仿真分析

中圖分類號：U1463.33 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）09-0148-05

0引言

輪轂電機驅動純電動汽車在目前具有較好的發展前景，其具有可有效實現汽車尾氣零排放、能源利用多元化、高效化等優點，且其直接或間接地把電機安裝在車輪上，使得機械傳動裝置減少，這將提高電動汽車能源的利用率、續航里程和提供乘客更大的空間。但由于輪轂電機安裝在車輪上使得電動汽車的非簧載質量增加，勢必影響到電動汽車的平順性。平順性主要是保持汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊環境對乘員舒適性的影響在一定的界限之內。本文嘗試通過優化懸架的定位參數，改善輪轂電機驅動純電動汽車的平順性。首先利用ADAMS/Car建立整車汽車模型對其進行平順性仿真分析，通過改變車輪的質量分析懸架的底盤加速度的變化、懸架動撓度的變化以及車輪動載荷的變化來評價是否會對輪轂電機驅動純電動汽車的平順性產生惡化。然后利用ADAMS/INSIGHT對所建立的懸架進行定位參數的優化，將優化之后的懸架重新裝配到整車模型中，對比分析優化的懸架是否可以有效地改善輪轂電機驅動純電動汽車的平順性。

1整車模型

根據輪轂電機驅動純電動汽車的機構形式，在ADAMS/Car中建立前后懸架模型、車身模型、輪胎模型、轉向器等。

假設所建立的各個模型的所有部件為剛體，零部件之間的連接都簡化為鉸鏈，不計內部摩擦，彈簧剛度和減震器阻尼均假設為線性的。

1.1前后懸架模型

根據實際情況，將雙橫臂懸架簡化為由上橫臂、下橫臂、拉力桿、主銷、轉向拉桿和轉向節等構件組成，如圖1所示。其中雙橫臂懸架中的減震器使用螺旋彈簧來代替，且需要給螺旋彈簧設置剛度系數和阻尼系數，把減震器安裝在汽車底盤和上橫臂之間。轉向節是固定在主銷上，主銷的連接方式是通過球副連接。上下橫臂是通過旋轉副連接在底盤上。拉力桿是直接固定在主銷上的，其連接方式是通過固定副，且與轉向拉桿連接，連接方式是通過球副。后懸架模型的建立同理，如圖2所示。

1.2輪胎模型

在進行整車平順性仿真時，輪胎是不可缺少的一部分。在ADAMS/Car中有兩類輪胎模型，操縱型輪胎模型和耐久性輪胎模型。操縱型輪胎模型主要用于計算輪胎上的力和力矩，包括側向力、徑向力、回正力矩等，其評價的頻率較低，只能在二維路面上進行分析。耐久性輪胎模型可以在不平路面上進行耐久性分析，評價頻率高，充分地考慮了輪胎的包容性。根據仿真的需要，在進行平順性仿真時，采用的是耐久性輪胎上的SWIFT（short wave-length intermediate frequency tire），該輪胎模型充分地考慮了分析截止和仿真時間的問題。

1.3轉向系統模型

轉向系統是汽車不可缺少的部分，本模型采用的是齒輪齒條式轉向機構。汽車產生轉向動作的過程：方向盤產生力矩或者是角度的輸入，通過恒速度副傳到轉向傳動軸荷轉向電機；轉向電機和車身通過轉動副連接，轉向梯形中的轉向搖臂可以通過轉動副進行相對轉動。轉動副和轉動副之間通過耦合副傳遞方向盤的力矩或角度，如圖3所示。

1.4整車模型的裝配

本文采用的是FOUR-POST試驗臺如圖4所示，對其進行平順性仿真分析。車輛整車模型建好之后需要設定一定的整車參數。FOUR-POST試驗臺仿真整車平順性模型，不需要設置轉向系統傳動比、制動力系統分配系數，只需要根據整車模型參數調整整車車身質心的質量和位置。

2整車平順性仿真分析

2.1平順性分析

影響輪轂電機驅動電動汽車平順性主要有懸架、輪胎、座椅、電機的質量和電機的振動。本文主要通過改變懸架的定位參數對前后懸架進行一定的優化，從而得出最佳的懸架定位參數，改善汽車的平順性。研究汽車的平順性離不開評價方法和評價指標，評價方法有主觀評價方法和客觀評價方法，本文采用的是客觀評價方法。因本文重點是從懸架的角度來改善輪轂電機驅動電動汽車的平順性，所以本文通過車身的垂向加速度、懸架動擾度、車輪的動載荷來表示輪轂電機電動汽車的平順性。首先通過對25 kg和60kg的輪胎進行對比分析，表示增加35 kg的輪轂電機的質量對汽車平順性的影響。設置仿真初始頻率為20 Hz，仿真時間為10 s，仿真主要看車身的垂直加速度、懸架動擾度和車輪的動載荷。通過四柱臺架對輪轂電機電動汽車進行平順性仿真，結果如圖5～圖7所示。

可以看出增加輪胎的質量即增加非簧載質量，會惡化輪轂電機驅動電動汽車的平順性。如圖5所示，增加非簧載質量會增加車身的加速度。車身加速度增加得不太明顯，但還是會從某種程度上對車身的平順性造成一定的影響。同理可以看出懸架的動擾度變化也不是很明顯，如圖6所示。從圖7可以看出增加非簧載質量對車輪的動載荷有著明顯的影響，質量越大對車輪的動載荷影響也就越大，即增加非簧載質量惡化車輪動載荷。綜上所述非簧載質量越大對輪轂電機驅動電動汽車的平順性惡化就越嚴重。

2.2整車懸架分析

通過ADAMS/INSIGHT對前懸架優化分析，由于前后懸架都使用雙橫臂懸架，且左右懸架相互對稱。所以本文主要研究前懸架的左懸架，同理可對前懸架的右懸架和后懸架的左右懸架進行256次迭代優化分析。在優化之前需要設置優化變量和優化目標，通過對懸架的初步分析找出對懸架的定位參數靈敏度較高的坐標點作為優化變量，優化變量如表1所示。對懸架進行平行車輪跳動試驗，并且設置跳動的高度為上下各為50 mm，設置仿真類型為運動學仿真。優化目標為懸架定位參數，外傾角、主銷后傾角、主銷內傾角、前束角、前后輪距。

表2為各項指標的擬合值，各指標的R₂都大于0.9，R_2adj都是在1左右，表示懸架的定位參數的擬合效果較好。懸架定位參數的P都是為0，表示擬合中的有用項足夠多。

由圖8中可以看出外傾角的變化范圍從-1.25°～1°優化為-1.75°～0.25°，外傾角優化效果較好。由圖9可以看出，主銷后傾角優化前后的變化范圍，從5.300°～5.575°優化為5.400°～5.525°，主銷后傾角在優化之后有增大的趨勢，主銷后傾角增大了0.15°左右，但還是在可控的懸架定位參數范圍內。由圖10可以看出，主銷內傾角的變化范圍從8.75°～11.4°優化為9°～11.4°。主銷內傾角的變化范圍在0.15。左右，對懸架的定位參數影響不大。由圖11可以看出前束角優化前后的變化范圍，從-0.5°～3.5°優化為-1.5°～2.25°，前束角優化的效果比較好。圖12同理可得出輪距在優化前后的變化，優化后輪距有一定的增加，對懸架的穩定性有一定影響。

3整車平順性仿真優化分析

把優化之后的懸架重新裝配在整車模型中，再一次對整車進行平順性仿真分析，仿真是把非簧載的質量調整為35kg即輪胎的質量為60kg，通過對比，分析優化后的懸架對整車平順性的影響。

從圖13～圖14中可以看出優化之后的懸架對車身加速和整車懸架動擾度影響不是非常好。由圖15可以看出優化之后的懸架對整車平順性有著改善的效果，優化之后的懸架對車輪動載荷的優化效果最好。

4結束語

1）利用ADAMS/Car通過增加整車非簧載量即輪胎的質量進行平順性仿真，從仿真結果中可以看出隨著非簧載質量的增加，整車的平順性惡化越來越嚴重，每增加20kg的非簧載質量，平順性惡化25%左右。

2）通過對懸架坐標點的位置進行優化，優化之后的懸架可以對整車的平順性進行優化，優化效率達到50%左右。這對輪轂電機驅動電動汽車具有重大的意義。

3）優化結果表明此優化方法對懸架的外傾角、主銷后傾角和前束角的優化效果比較好，而對主銷內傾角和輪距影響不大。