基于整車平臺的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李云霆　劉紅領(lǐng)　張慧玉　王昱昕

摘 要：以整車平臺為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代汽車工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，市場競爭的加劇，汽車生產(chǎn)商越來越重視提高汽車的性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性。在這一背景下，動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為汽車工程技術(shù)人員面臨的一個(gè)新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。通過對整車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高整車性能、降低油耗、提高行車安全性、提高駕乘舒適性，進(jìn)而提高整車的市場競爭力。

關(guān)鍵詞：整車平臺 動(dòng)力學(xué) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車制造技術(shù)的日趨成熟，整車的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為汽車制造商與工程技術(shù)人員進(jìn)行整車開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在此過程中需要綜合考慮整車重心、懸架剛度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多方面因素，使整車能夠在不同路面條件下保持最優(yōu)的性能。動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到整車性能的提高，而且關(guān)系到汽車工程的綠色化。對車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效提高燃料利用率、降低尾氣排放和減少環(huán)境污染。

1 整車平臺開展動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的問題

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱協(xié)同不完善

發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱協(xié)同工作是整車動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中往往存在諸多問題，影響整車性能。為了獲得最好的傳動(dòng)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)矩曲線和工作范圍都要與齒輪箱的傳動(dòng)比和換擋邏輯進(jìn)行匹配。然而由于其設(shè)計(jì)與調(diào)試的復(fù)雜程度，很難達(dá)到理想的匹配效果，從而導(dǎo)致汽車在實(shí)際行駛過程中存在著功率輸出不平穩(wěn)、換擋抖動(dòng)等問題[1]。現(xiàn)代汽車普遍采用電子控制系統(tǒng)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器，但其控制算法復(fù)雜、精度高，易導(dǎo)致控制邏輯不準(zhǔn)確、響應(yīng)速度慢等問題。這樣就會造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱換擋不同步，從而影響車輛的行駛平順性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.2 缺乏電子控制系統(tǒng)的優(yōu)化

電控系統(tǒng)是整車平臺動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但是目前最大的問題之一就是缺乏對電控系統(tǒng)進(jìn)行充分的優(yōu)化。電控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和調(diào)整汽車各項(xiàng)參數(shù)，保證汽車在各種工況下的穩(wěn)定、安全及性能，是整車動(dòng)力學(xué)性能的重要組成部分。然而由于受技術(shù)、資源等因素的制約，一些整車廠商在設(shè)計(jì)階段忽略了電控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致整車平臺的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了很多問題。其中缺少對整車進(jìn)行優(yōu)化的電控系統(tǒng)，對整車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的影響很大。一套出色的電控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)輸出、制動(dòng)分配、懸掛、轉(zhuǎn)向等參數(shù)，從而提高汽車的操控性和穩(wěn)定性。然而若缺乏對電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則可能導(dǎo)致汽車在高速行駛和緊急轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生失穩(wěn)，從而增加駕駛風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 輪胎設(shè)計(jì)存在局限性

輪胎的設(shè)計(jì)是整車動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接影響整車的性能與穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有的輪胎優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在諸多局限與挑戰(zhàn)，這不僅制約了整車平臺性能的提高，還影響到整車的安全與駕駛體驗(yàn)。其中輪胎設(shè)計(jì)的一個(gè)局限在于輪胎的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)[2]。傳統(tǒng)輪胎設(shè)計(jì)多采用橡膠、鋼絲繩等材料，雖能滿足汽車基本使用要求，但隨著汽車性能的提高，其性能已不能滿足高速、高強(qiáng)度駕駛的要求。因此需要從新材料、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面提高輪胎性能。

2 在整車平臺中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略

2.1 對底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

在整車平臺上，動(dòng)力學(xué)優(yōu)化是十分重要的。其中底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是影響整車性能的重要環(huán)節(jié)之一。通過對底盤結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，不僅能有效地降低整車重心，提高整車的穩(wěn)定性和操控性，而且能有效地降低整車的總質(zhì)量，提高燃油利用率和功率輸出。在對汽車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以通過采用輕質(zhì)材料來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化[4]。采用輕質(zhì)材料可有效地減輕整車質(zhì)量、減輕底盤負(fù)載、改善加速性和燃油經(jīng)濟(jì)性。如用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，可在保證強(qiáng)度的前提下減輕車體重量，改善整車性能。在此基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化，進(jìn)一步提高材料的使用效率，實(shí)現(xiàn)性能和品質(zhì)的最優(yōu)平衡。比如采取懸掛系統(tǒng)進(jìn)行合理布置也是動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方面。懸掛系統(tǒng)作為汽車底盤的核心部件，對車輛的行駛穩(wěn)定性及舒適性有著重要的影響。通過對懸掛系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，可有效地控制車輛在行駛過程中的姿態(tài)變化，從而改善車輛的抓握性能和操控性。同時(shí)合理的懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)也能有效地吸收振動(dòng)，提高整車的舒適性，讓駕駛員和乘客都能感受到更順暢的駕駛感受。為了充分展示底盤優(yōu)化設(shè)計(jì)對整車平臺動(dòng)力系統(tǒng)的影響，可以參考下表1。

由表中可知，采用輕量化材料后，整車質(zhì)量明顯減輕，加速性能及燃油經(jīng)濟(jì)性有較大提高。2型車型在使用了碳纖維之后，重量減輕了很多，加速性能也得到了很大的改善。因此材料的輕量化是整車動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響整車性能。合理運(yùn)用輕量化材料，可提升整車性能，達(dá)到更高效率和更環(huán)保的駕駛體驗(yàn)。

2.2 對發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于整車平臺的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是當(dāng)前汽車工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。動(dòng)力學(xué)優(yōu)化過程中可以對發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”，為汽車提供動(dòng)力；而變速箱又是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中最核心的部分，它擔(dān)負(fù)著將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車輪的重任。其中發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)是動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。整車平臺在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以通過對發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、燃燒工藝、進(jìn)氣系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)三個(gè)方面入手，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而達(dá)到改善加速性能，降低燃油消耗的目的[5]。同時(shí)也可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、耐用性，延長其使用壽命，降低維修費(fèi)用，提高汽車的可靠性與質(zhì)量。另外變速器的設(shè)計(jì)將直接影響到汽車的換擋平順性與輸出功率的匹配程度。通過對齒輪箱傳動(dòng)比、離合器控制、換擋邏輯等參數(shù)的優(yōu)化，使換擋操作更加順暢，提高了駕駛體驗(yàn)，提高了汽車的傳動(dòng)效率。此外通過對變速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如多檔變速器、雙離合變速器等，也能提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛舒適性，滿足日益提高的消費(fèi)者對駕駛品質(zhì)的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的協(xié)同優(yōu)化是動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一重要內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的匹配程度直接影響到汽車的綜合性能。通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的匹配度，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在最優(yōu)的工作范圍內(nèi)運(yùn)行，達(dá)到最大功率輸出，并與變速箱的換擋邏輯相匹配，實(shí)現(xiàn)更順暢的傳動(dòng)，提高整車的綜合性能。在此基礎(chǔ)上，通過動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱協(xié)同工作，充分發(fā)揮整車性能潛能，提高整車市場競爭力。

2.3 利用先進(jìn)的輪胎技術(shù)

基于整車平臺的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是當(dāng)今汽車工程研究的熱點(diǎn)問題之一。其中采用先進(jìn)輪胎技術(shù)改善整車動(dòng)態(tài)性能是解決這一問題的有效途徑。輪胎規(guī)格、胎面設(shè)計(jì)、輪胎胎壓等參數(shù)的選擇，可有效提高整車的抓地力、操控性及燃油經(jīng)濟(jì)性，從而提高整車的綜合性能與駕駛體驗(yàn)。比如選擇符合車輛類型及使用要求的輪胎，可以有效實(shí)現(xiàn)整車的動(dòng)力優(yōu)化[6]。因?yàn)椴煌囆?、不同用途對輪胎的需求也不同，如高性能運(yùn)動(dòng)車對輪胎的抓地力及操控性要求較高，越野輪胎對通過性及耐磨性要求較高。通過對輪胎規(guī)格的精確匹配，可實(shí)現(xiàn)車輛各項(xiàng)性能指標(biāo)的最優(yōu)發(fā)揮，提高駕駛員的駕駛感受。而且胎面設(shè)計(jì)也是影響整車動(dòng)力特性的重要因素。胎面作為輪胎與路面的接觸面，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到輪胎的抓地力、操控性以及燃油經(jīng)濟(jì)性。采用先進(jìn)的胎面設(shè)計(jì)技術(shù)，可增加輪胎在路面上的摩擦系數(shù)，改善抓地力及操控性，降低滾動(dòng)阻力，減少油耗。因此合理地選取胎面花紋是進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。另外輪胎壓力的設(shè)定也是改善汽車動(dòng)力特性的一個(gè)重要因素。合適的輪胎胎壓能保證最優(yōu)的輪胎與路面接觸面積，從而改善抓地力及操控性。胎壓過高或過低都會加劇輪胎的磨損，增加油耗，降低駕駛穩(wěn)定性。因此對輪胎進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)車型、用途及載重量，可使輪胎的性能得到最大程度的發(fā)揮，從而提高車輛的動(dòng)力性能。

2.4 對車輛電子控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

整車平臺的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代汽車工程研究的重要內(nèi)容之一。其中電控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是影響整車性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。在對汽車電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮整車的動(dòng)力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出、噴油及點(diǎn)火時(shí)間的精確控制，提升整車的加速性與燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)通過對傳感器、執(zhí)行器的優(yōu)化配置，使系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確、更靈敏地監(jiān)測整車參數(shù)。而且對整車電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該充分考慮整車的穩(wěn)定性與操控性。通過對電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、防抱死（ABS）等汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可有效提高汽車在緊急情況下的操控性與安全性。另外在優(yōu)化電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車懸架的優(yōu)化時(shí)，可實(shí)現(xiàn)懸架的動(dòng)力調(diào)整，提高整車的平順性。此外，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中還需要加強(qiáng)對整車的節(jié)能環(huán)保特性的重視，通過對傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行模式的優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的智能啟停與能量回收，可有效降低汽車的燃油消耗與排放，提升整車的環(huán)保性能。而且還可以充分利用智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)智能化控制汽車的空調(diào)和照明系統(tǒng)，以此來降低整車能耗，提高整車的能效。除此之外還可以在整車智能化互聯(lián)的前提下，對電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對車內(nèi)娛樂、導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使車內(nèi)與外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化互聯(lián)，提升車內(nèi)駕駛樂趣與用戶體驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自主駕駛技術(shù)，采用電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能駕駛輔助功能，提高行車安全與便利性。

2.5 對整車平臺的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是整車平臺動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)中不可忽視的一環(huán)，能有效改善汽車在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性及燃油經(jīng)濟(jì)性，從而提高整車的綜合性能。比如在進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過對車身外形進(jìn)行優(yōu)化。藉由精心設(shè)計(jì)的車身曲線與線條，降低空氣阻力，降低風(fēng)阻，令車輛在高速行駛中更順暢，降低能耗。同時(shí)通過對車身下部壓力分布的合理設(shè)計(jì)，可提高車輛的抓地力，提高操控穩(wěn)定性，給駕駛者帶來更多的舒適性與安全性。而且在優(yōu)化設(shè)計(jì)中還可以增加空氣動(dòng)力學(xué)套件，以此來提高汽車性能。如通過在車身前部、側(cè)面及尾部加裝空氣動(dòng)力裝置（如空氣偏流板、擾流板等），可有效改善整車氣動(dòng)特性，降低氣流阻力，提高整車的動(dòng)力性和平穩(wěn)性。這些套件的設(shè)計(jì)還需要考慮到與車身外形的協(xié)調(diào)，以保證外觀美觀，同時(shí)又能達(dá)到最大的流線型。另外尾翼的設(shè)計(jì)也是氣動(dòng)優(yōu)化的一種重要方法。尾翼設(shè)計(jì)可有效改變汽車尾部氣流方向及速度，形成向下壓強(qiáng)，從而增強(qiáng)整車下壓，改善整車抓地力及操控性。通過對尾翼形狀及位置的合理設(shè)計(jì)，可在不影響整車外形的情況下獲得最優(yōu)氣動(dòng)性能，為整車性能的提高提供強(qiáng)有力的支撐。除上述措施外，對氣流導(dǎo)熱系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也是汽車氣動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。對導(dǎo)風(fēng)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效地減小空氣阻力，提高行車效率及行駛穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

綜上所述，基于整車平臺的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過對整車平臺的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，可有效地改善整車的操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性及燃油經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從整車的動(dòng)力、懸架、轉(zhuǎn)向等方面綜合考慮，使其具有最優(yōu)的動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)為了提高整車的能效及節(jié)能環(huán)保性，還需要對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。以此來提升用戶的駕駛體驗(yàn)，并為環(huán)保與節(jié)能事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

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