微型電動汽車懸架系統(tǒng)特點(diǎn)分析及其優(yōu)化

陸革威

摘 要： 全球能源石油、煤炭等資源日益枯竭，危機(jī)進(jìn)一步加劇，由于工業(yè)發(fā)展造成的空氣污染、全球溫室效應(yīng)現(xiàn)象越發(fā)突出，世界各國在汽車制造領(lǐng)域更加注重節(jié)能、環(huán)境保護(hù)、尾氣及碳排放量減排，這是電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展成為未來汽車制造產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向的主要原因。系統(tǒng)介紹了微型電動汽車技術(shù)發(fā)展的歷程及未來未來電動汽車研究的重點(diǎn)；介紹了懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類和特點(diǎn)以及ADAMS軟件功能；利用ADAMS軟件優(yōu)化設(shè)計了懸架結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞： 微型電動汽車；懸架系統(tǒng)；ADAMS；優(yōu)化設(shè)計

1.綜述

電動汽車的發(fā)展歷經(jīng)134年的悠久歷史，由初始的小市場、特定領(lǐng)域逐漸發(fā)展成為世界汽車工業(yè)優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)有的電動汽車分類較多，技術(shù)上逐步集成了現(xiàn)代智能化設(shè)計理念，廣泛應(yīng)用先進(jìn)的計算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的材料制造、能源、信息等技術(shù)，應(yīng)用上也逐步由高端化走向家庭化成為家庭代步的主要交通工具。也因此成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。近些年，隨著世界各國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全球能源尤其是石油、煤炭等資源日益枯竭，危機(jī)進(jìn)一步加劇，由于工業(yè)發(fā)展造成的空氣污染、全球溫室效應(yīng)現(xiàn)象越發(fā)突出，世界各國在汽車制造領(lǐng)域更加注重節(jié)能、環(huán)境保護(hù)、尾氣及碳排放量減排，這也是電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展成為未來汽車制造產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向的主要原因。當(dāng)前，電動汽車主要分為：混合動力型 （HEV）、純電動型（ PEV）、燃料電池驅(qū)動型 （FCEV）等。而純電動型主要是指采用蓄電池作為動力源，以電動機(jī)驅(qū)動的汽車，電動汽車具有清潔、噪聲污染小、制動能量可回收、無尾氣及一氧化碳排放、節(jié)能、舒適性好等優(yōu)點(diǎn)，目前美國、日本、德國、中國等國家已經(jīng)投入最大的人力、財力、技術(shù)等進(jìn)行開發(fā)并逐步投放到市場應(yīng)用中。

汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，我國起步較晚，但是近些年國家大力發(fā)展汽車制造產(chǎn)業(yè)，尤其是電動汽車領(lǐng)域，發(fā)展迅速，成果顯著，我國擁有全球最為龐大的電池生產(chǎn)供應(yīng)基地和鋰資源原產(chǎn)地，具有領(lǐng)先的鋰離子、磷酸鈦鋰電池制造等技術(shù)，解決了電池?zé)岱€(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)，為電動汽車提供高效、穩(wěn)定的動力源。

汽車穩(wěn)定性、舒適性、安全性的性能方面，現(xiàn)階段我國電動汽車很多制造廠家還處于改裝內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)展階段，還存在空間布置狹小、舒適性不高、動力不足、操縱穩(wěn)定性不強(qiáng)、平順性差、安全性偏低、由于前后橋荷載分配因素造成電池配置不集中、電池監(jiān)測及均衡性能不高等問題。而電動汽車懸架系統(tǒng)基于舒適性和行駛操縱穩(wěn)定性存在矛盾，改善電動汽車行駛的舒適性需要應(yīng)用的彈性元件為較軟型材質(zhì)，從而影響行駛轉(zhuǎn)彎過程汽車側(cè)傾，造成制動和加速的前后顛簸，降低了駕駛的穩(wěn)定性。相反，采用硬質(zhì)的彈性元件提高電動汽車操縱穩(wěn)定性，勢必降低電動汽車舒適度[1]。

2.微型電動汽車懸架結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

微型電動汽車懸架一般指承載式車身（汽車車架）與車輪轂（車橋）間的傳應(yīng)力裝置總成。其主要作用傳遞來自路面對于車輪上的作用力及力矩，主要包括：支承力（）垂直反力、制動力與牽引力（縱向反力）、側(cè)向反力到承載式車身（車架），實現(xiàn)載荷的傳遞，沖擊力的緩和，振動的衰減，汽車位置的調(diào)節(jié)等功能，確保汽車安全行駛。電動汽車懸架設(shè)計決定了汽車的制動安全性、舒適性、操縱穩(wěn)定性、動力提升性等動力學(xué)性能。懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性地連接起來，并能都保證汽車行駛的平順性。懸架結(jié)構(gòu)主要有導(dǎo)向裝置、減振裝置、阻尼元件、彈性元件、橫向穩(wěn)定桿等部件構(gòu)成。目前可分為主動、非獨(dú)立、獨(dú)立等懸架結(jié)構(gòu)，主動懸架結(jié)構(gòu)主要分為半主動、可變特性、電子控制（ECAS）等主動懸架；非獨(dú)立懸架包括鋼板彈簧型、螺旋彈簧型、空氣彈簧型等非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)。獨(dú)立懸架又分麥克弗遜式、雙橫臂、縱臂式、單橫臂式、多連桿式等獨(dú)立懸架。當(dāng)下麥克弗遜式與雙橫臂獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍。主動懸架剛度、阻尼特性可以動態(tài)的根據(jù)行駛條件狀況進(jìn)行自適應(yīng)性調(diào)節(jié)，減振性優(yōu)；雙橫臂式獨(dú)立懸架導(dǎo)向桿連接位置和導(dǎo)向臂長度可自行調(diào)節(jié)，具備良好的運(yùn)動特性[2]。

非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于車輪兩側(cè)為同軸，車軸與車架（承載式車身）通過彈性元件連接，假如一側(cè)車輪經(jīng)過不平路面產(chǎn)生振動時，另一側(cè)振動加劇，其具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、工藝制造簡便、車輛維修便宜等優(yōu)點(diǎn)；非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu).缺點(diǎn)在于平順性、操縱穩(wěn)性不好、汽車內(nèi)部空間以及于發(fā)動機(jī)、物品艙設(shè)計布置小。

獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)存在設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、價格貴、維修成本大等缺點(diǎn)，但是其具有良好的舒適性和操作穩(wěn)定性能，同時懸架設(shè)計靈巧，彈簧剛度小、質(zhì)量輕，車內(nèi)置空間大、平順性能好，發(fā)動機(jī)安裝位置高度低，整車質(zhì)量中心低，兩側(cè)車輪互相獨(dú)立，起伏路面地面附著力大，車身減震效果優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。成本較高。

3.電動汽車懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

3.1 懸架輔助設(shè)計軟件

計算機(jī)輔助工程（CAE）應(yīng)用較為廣泛，其利用計算機(jī)輔助系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)工程設(shè)計及產(chǎn)品性能、產(chǎn)品可靠性等性能進(jìn)行分析、模擬，尋找設(shè)計缺陷。在電動汽車懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，可以全面提升電動汽車平順性、安全性，減少設(shè)計程序和生產(chǎn)工藝流程。ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美國MDI公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件。ADAMS/CAR軟件為美國 MDI公司聯(lián)和Volvo、Renault、Audi、BMW等汽車巨頭公司開發(fā)，軟件系統(tǒng)集成了交互式圖形界面、零件庫、材料庫、力庫、約束庫等軟件包，可以創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)三維模型，參數(shù)化設(shè)置；軟件采用模塊化設(shè)計，其主要有基本模功能、擴(kuò)展、接口、專業(yè)化、工具箱等模塊。功模塊能上分為可視化、建模、 分析、控制AFE接口等工具[3]。

在電動汽車懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要調(diào)用整車動力學(xué)模塊（ Vehicle Dynamics ）和懸架設(shè)計模塊（Suspension Design ） 、優(yōu)化設(shè)計模塊（Insight）進(jìn)行動力學(xué)分析、懸架設(shè)計和動態(tài)仿真分析、優(yōu)化處理。ADAMS/CAR仿真完成，對三十余種汽車懸架特性進(jìn)行計算，內(nèi)置求解器具備多種方程運(yùn)算方法，可以建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，可以模擬機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)、運(yùn)動力學(xué)分析，輸出速度、位移、加速度、反作用力等多種分析曲線。具備仿真功能，實現(xiàn)峰值載荷、運(yùn)動范圍、機(jī)械性能、碰撞檢測、有限元（FEA）駛?cè)胼d荷處理等仿真。產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中，通過ADAMS/CAR特性曲線對懸架綜合、實驗分析和性能評價、優(yōu)化設(shè)計，最終改善電動汽車性能的結(jié)果。

3.2微型電動汽車懸架優(yōu)化設(shè)計

電動汽車懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要包括：

（1）合理選擇懸架參數(shù)，懸架彈性、阻尼等特性具有適度合理性，設(shè)計樣品的具備良好的減震性能和較小的振動加速度、頻率，行駛平順性能優(yōu)秀；有效解決懸架壓縮/伸張行程極限點(diǎn)的硬沖擊，使輪胎有很好的抓地性能；

（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使車輪和車架的力及力矩有效傳遞，仿真過程，不平滑路面行駛時，車輪轂震動造成的車輪定位參數(shù)平滑無突變，電動汽車操縱穩(wěn)定性優(yōu)越；

（3）優(yōu)化導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動匹配，避免擺向輪的共振；

（4）優(yōu)化側(cè)擺與縱傾中心點(diǎn)的平衡和統(tǒng)一，防止制動與加速過程的縱傾以及汽車轉(zhuǎn)向的側(cè)傾；

（5）優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保車內(nèi)空間足夠大，提升舒適性。

（6）優(yōu)化鉸接橡膠、襯套、彈性元件、減震器、阻尼元件、橫向穩(wěn)定桿、車輪胎等零部件材料選擇，減輕整車質(zhì)量，提升汽車的整體強(qiáng)度，延長車輛使用壽命。

4.結(jié)論

隨著“十三五”規(guī)劃的實行，未來清潔能源利用、減排、降耗成為電動汽車工業(yè)未來發(fā)展需要解決的問題。電動汽車發(fā)展及懸架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)綜述中提出了電動汽車尤其是微型汽車未來設(shè)計的方向；介紹了電動汽車懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類、功能特點(diǎn)；在懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，系統(tǒng)分析了ADAMS軟件的功能、特點(diǎn)及應(yīng)用，在整車動力學(xué)仿真模型設(shè)計過程，針對電動汽車懸架特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；仿真結(jié)果分析中阻尼比時，懸架系統(tǒng)具有良好的平順性。

參考文獻(xiàn)

[1]袁向華，王洪起，王曉喬. 電動交通工具的污染減排及對策[J]. 北方環(huán)境，2011（23）：36～52.

[2]智淑亞，謝冬. 電動汽車懸架優(yōu)化設(shè)計及操縱穩(wěn)定性分析[J]. 金陵科技學(xué)院學(xué)報， 2017（3）.

[3]石晶，孫艷，李衛(wèi)民，等.某微型電動汽車前懸架系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造， 2015（3）：65-68.

[4]劉進(jìn)偉，吳志新，徐達(dá).基于 ADAMS/CAR的某轎車懸架優(yōu)化設(shè)計[J].輕型汽車技術(shù)，2006（8）.