基于ADAMS對輪轂電機專用底盤的平順性優化

雷良育 胡永偉 荊家寶 王國輝

摘?要：設計并輕量化處理了一款輕型兩座輪轂電機驅動型汽車底盤，輕量化處理后底盤質量為400 Kg，導入ADAMS軟件中設計并搭建試驗環境，重新設計和定義了本型號專用底盤最優底盤重量為550 Kg，然后多次利用關鍵位置配重和次要位置輕量化的原則，再次重新分配底盤重量和改變底盤形態，并利用ADAMS特有的動力學分析處理功能提取振動加速度曲線，根據振動加速度曲線量化處理各個底盤成品的振動值，做成對比表格進行底盤平順性對比，擇選出本型號專用底盤最優形態為連接孔處加重75 Kg，其他薄弱環節加重75 Kg。

關鍵詞：汽車底盤，平順性，ADAMS，虛擬試驗

中圖分類號：U467.5+25?文獻標識碼：A?文章編號：2095-8153（2019）01-0068-05

0?引言

近年來，隨著汽車保有量持續上升[1]，人們對汽車的舒適性要求越來越苛刻。汽車底盤的平順性是汽車舒適性的重要衡量標準之一，也是評判這款汽車好壞的重要因素。底盤平順性不好會嚴重影響駕駛員和乘客的乘坐舒適性，所以汽車底盤平順性也逐漸成為設計人員關注的重點之一[2]，設計人員在開發底盤時也將平順性納入底盤的考慮因素。

傳統汽車底盤大多采用經典的H型底盤車架，H型底盤車架經過數十代設計師的改進和試驗，平順性已經滿足大多數車型。然而，這種底盤并不適用于近年來日趨流行的兩座輕型電動汽車[3]。電動汽車特別是輪轂電機驅動型電動汽車，大多取消了傳動系統和發動機系統，其質量分布發生了很大改變，其運行原理與傳統燃油車完全不同，需要重新定義、設計專用底盤去滿足它的平順性。傳統汽車底盤的平順性分析一般是廠商直接制造樣機進行試驗，這種試驗方式是非常浪費人力、物力的。現今，動力學分析手段日趨多樣性[4]，ADAMS就是分析機械動力學的工具之一，它可以兼容各種三維模型，搭建和設計各種仿真試驗。本課題提出利用ADAMS軟件構建分析底盤平順性的虛擬試驗平臺，對底盤平順性進行評估和優化。這種實驗方式方便快捷，真實有效。

本課題設計了一款輕型兩座輪轂電機驅動型汽車底盤，并輕量化處理了此專用底盤。實驗人員將專用底盤導入ADAMS軟件中并設計搭建試驗環境，利用ADAMS軟件特有的動力學分析處理功能提取振動加速度曲線，根據振動加速度曲線量化振動值。實驗人員多次利用關鍵位置配重和次要位置輕量化的原則，重新設計和定義了底盤支撐能力和重量分布，然后再次利用ADAMS軟件特有的動力學分析處理功能提取振動加速度曲線，根據振動加速度曲線量化在處理底盤過程中各個階段振動值。經過反復修改設計和試驗，得到了一系列試驗值，進行對比可以擇選出最優的底盤形態。

1?ADAMS在專用底盤分析中的運用

1.1 ADAMS仿真平臺在專用底盤中的具體運用

ADAMS軟件是一種針對機械動力學的分析平臺，適合針對機械振動的分析，有專門的后處理工具窗口[5]。汽車底盤是運動學中最具代表性的機械零部件之一，各大研究機構和整車制造公司在研制汽車底盤過程中，都將其平順性分析定為底盤試驗必不可少的環節[6]。分析平順性常用的方法為脈沖輸入法[7]（脈沖輸入法：汽車以一定速度，等速通過標準三角突出障礙物，汽車垂直方向下的加速度響應特性[8]）。本課題小組利用ADAMS分析軟件搭建脈沖輸入法的試驗平臺，將需要試驗的專用底盤的三維模型一一導入試驗平臺，模擬分析專用底盤并提取振動加速度曲線，這種提取振動加速度的分析方法在機械領域的應用非常廣泛。

ADAMS軟件中有專門針對動力學分析的插件，如圖1所示。插件有系統控制模塊Controls、振動模塊Vibration、耐久性模塊Durability、機電一體化模塊Mechatronics。這些模塊可以相互混合搭建，可以設計各種仿真平臺和仿真實驗，利用構建和設計的仿真試驗對設計的機械系統進行仿真數據提取。

1.2 ADAMS仿真平臺在專用底盤分析中的優勢

一款汽車底盤在設計之初，設計人員都十分重視底盤的輕量化設計，但是輕量化需要有一個合適的重量，重量過輕會造成底盤斷裂或者越過障礙物時平順性很差，重量過重也會造成平順性很差和輕量化失敗[9]。

ADAMS可以很真實地構建仿真試驗環境，設計各種平順性試驗。這些仿真平臺和試驗不僅快速高效，而且節省試驗成本。如圖2所示，針對本研究課題設計了一款輪轂電機專用底盤，并利用ADAMS分析平臺去分析它的平順性，然后優化設計的底盤。

2?創建仿真模型和構建ADAMS仿真試驗環境

2.1 創建仿真模型

利用Solid Work軟件建立本課題設計的輪轂電機專用底盤三維模型（圖3），將其導入ADAMS平臺構建仿真模型并命名和合并零部件，將與底盤平順性無關的零部件合并入相應零部件中，減少軟件平臺運行分析內存。然后對整理后的零部件定義材質和命名，詳細材質表如表1所示。

創建零部件的聯接，定義運動零部件與固定零部件，零部件的詳細聯接狀態見表2。對輪轂電機施加驅動力，對各個聯接設計摩擦系數，對輪胎與地面設置接觸，并設置重力環境，設置方式如圖4所示。

2.2?構建ADAMS仿真試驗環境

創建地面模型和三角突出物，定義并更新地面與輪胎的接觸，如圖5所示創建底盤車架重心與地面某一點的測量，如圖6、圖7所示測量并提取振動曲線和振動加速度曲線，振動曲線是

最能直觀地反映底盤平順性的，而振動加速度曲線根據如下公式：

可以間接地反映駕駛員和汽車之間的作用力，從而體現汽車的舒適性。

而設計的底盤顯然平順性很差，所以進行相應的優化設計，加裝加強筋和承重梁，然后按照上述設計試驗方法提取優化后底盤的振動曲線和振動加速度曲線。進行對比分析，顯然優化后平順性更好。

3?針對專用底盤設計平順性優化處理

3.1?利用仿真試驗對底盤平順性進行總重量優化

如圖6所示本課題組對輕量化設計的底盤進行重量測量為400 Kg，如圖7所示設計以50 Kg為間隔進行試驗，以50 Kg的重量對底盤進行加重和減重，分別讓加配重后不同重量的底盤通過試驗路面，分別提取無配重、配重50 Kg、配重100 Kg、配重150 Kg、配重200 Kg的振動曲線（圖8）。

已知由如下振動加速度公式可知，乘客所受作用力為F0，利用振動加速度計算公式對振動進行量化得到乘客所受作用力如表3所示，那么平順性最優的底盤就是F0值最小的值，因而得出兩座輕型底盤最優重量為550 Kg。

3.2?利用仿真試驗對底盤平順性進行重量分布優化

課題組經過上述底盤試驗分析對比，確認兩座輕型底盤最優重量為550 Kg。底盤的原始重量為400 Kg，因此底盤需要增加150 Kg重量才能達到最優平順性。這些重量不能盲目地平攤到底盤的各個部分，課題組首先將重量按照25 Kg的間隔左右前后對稱地加固到需要承受重量的部位，其余重量放置底盤重心處，按照相同的方法分別讓加固后相同重量的底盤通過試驗路面，用上述方法提取振動曲線并利用振動加速度計算公式對振動進行量化，結果如表4和圖9所示。比對選取其最優值為聯接孔處加固重量75Kg。

然后將重量按照25KG的間隔前后左右對稱地加固到底盤最薄弱的部位，其余重量放置底盤重心處，按照相同的方法分別讓加固后相同重量的底盤通過試驗路面，提取振動曲線并利用振動加速度計算公式對振動進行量化，如下表5和圖9所示，比較選取最優值為薄弱環節處加固重量75Kg。

經過數次重量分布優化試驗，我們可以得到各個部位應該加固的重量，這樣可以得到平順性最優底盤形態，將原底盤重量從400Kg增加到550Kg，其中聯接孔處加固重量75 Kg，薄弱環節處加固重量75 Kg。

4?ADAMS在專用底盤的創新運用總結

使用ADAMS分析平臺去分析底盤平順性是一種方便快捷的方法，節省設計時間和試驗成本。ADAMS分析平臺可以很逼真地創建仿真試驗環境，很好地模擬平順性試驗。

電動汽車特別是輪轂電機驅動型電動汽車其質量分布發生了很大改變，其運行原理與傳統燃油車完全不同，采用等間隔增重法可以很便捷地找到專用底盤的最優重量。本課題的最優底盤重量為550 Kg。

本課題研究組多次利用關鍵位置配重和次要位置輕量化原則，重新設計和定義了底盤支撐能力和重量分布，然后利用ADAMS軟件特有的動力學分析處理功能提取振動加速度曲線，根據振動加速度曲線量化在處理底盤過程中各個階段振動值，進行對比可以擇選出本型號專用底盤最優形態為連接孔處加重75 Kg，其他薄弱環節加重75 Kg。

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