某微型EV回正性與直線行駛性的分析與優化

景愛軍，劉陽

某微型EV回正性與直線行駛性的分析與優化

景愛軍，劉陽

（西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039）

汽車的性能在如今的車企中越來越得到重視，如操穩性、制動性、平順性、安全性等。然而，懸架性能的好壞影響操穩性能，操穩性能的好壞又影響到汽車的安全性能，因此很多的主機廠花費大量的時間和精力來進一步提高操穩性能。文章基于Adams/Car搭建了某企業微型EV的懸架及整車模型，并對懸架存在的Caster Angle問題進行分析與優化，解決該車型的方向盤回正問題與直線行駛穩定性的問題，使得整車的操穩性能得到很大的提升，提高駕駛員對車輛操控的信心感。

Caster Angle；分析；回正性；穩定性

前言

汽車的車輪定位參數對于底盤性能有著相當重要的影響，是底盤參數設計中重要的參數之一，參數設計的好壞影響汽車的懸架特性和轉向特性，進而影響汽車的操作穩定性。懸架是指汽車的車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱，它把車架與車輪彈性的聯系起來，影響汽車的多個性能，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，并且緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，并減少由此引起的震動，以保證汽車能平順行駛[1]。

虛擬樣機應用軟件MSC_Adams目前已在汽車、飛機、鐵路、機械工程以及航天機械等領域得到了廣泛的應用，在我國各大主機廠依賴Adams/Car做懸架K&C特性與整車操穩性能已經成為一種常態。Adams軟件由核心模塊、功能拓展模塊、專業模塊、工具箱以及接口模塊這五類模塊組成，Adams/Car是該軟件的專業模塊，它基于零部件結構的建模方式，來逐步搭建懸架以及整車模型的仿真軟件，其模型搭建的結構框圖如下圖1所示，該軟件是由MDI公司與Audi、BWM、Renault和Volve等公司合作開發的整車設計軟件軟件包，集成了很多工程師、專家的經驗而得，可以幫助工程師快速的搭建高精度的車輛虛擬樣機，工程師可以通過仿真動畫的形式直觀的發現各種工況下的整車動力學響應[2]。

圖1 建模方式框圖

虛擬樣機的應用為許多工程問題提供了很大方便，節省了很大的時間成本和資源。丁金全等利用瞬時軸線理論對主銷后傾拖距進行計算，提出了主動回正策略，為主銷參數的研究提供了方向[3]。Jonsson考慮了各部件的非線性特征，通過有限元的方法建立了動力學模型，并通過試驗的方式驗證了模型的正確性，進一步提高了模型的精度[4]。何志剛，陳陽等采用最優拉丁超立方的試驗設計方法，找到了對K 和C 影響較大的變量因子，利用遺傳算法進行了優化[5]。

1 Caster Angle的作用及其對車輛性能的影響

圖2 Caster Angle的示意圖

車輪的定位參數主要有前束角、外傾角、主銷后傾角以及主銷內傾角，在定位參數共同作用下保證汽車的正常行駛，Caster Angle（主銷后傾角）是指在車身側視圖主銷軸與垂直軸的夾角，正的主銷后傾角是指注銷頂部向后傾的角度，如圖2所示；在車輛的正常行駛中，Caster Angle的作用是使車輪恢復到設計的位置，以保證車輛的直線行駛穩定性，當行駛中的車輛在外力作用下車輪產生偏離時，Caster Angle產生回正力矩使車輪自動回復到原來的位置；若Caster Angle過大，可以增加轉向的穩定性，但同時也會加大轉向力矩，容易使駕駛員疲勞，則需要更大的轉向助力系統來輔助駕駛員操縱方向盤，若Caster Angle過小，則轉向的穩定性便會下降，不利于車輛的自動回正性能，但轉向時的力矩會變輕[6][7]。

2 懸架模型的搭建以及懸架特性分析

該車型的前懸架采用雙叉臂是獨立懸架，其懸架的簡化結構如下圖3所示，主要包含的零部件有轉向節、減振器、螺旋彈簧，上控制臂、下控制臂、轉向橫拉桿等，上、下控制臂的外點均連接在轉向節上面，下控制臂的的前后點連接在副車架上面，上控制臂的前后點連接在車身上面，前懸架的各個硬點如表1所示，基于車輛的設計硬點以及襯套、減振器、彈簧、緩沖塊的參數搭建前懸架的多體模型，搭建的模型如下圖4所示。

圖3 雙叉臂懸架簡易模型

表1 前懸架的硬點參數

在此模型的基礎上對前懸架做懸架的平跳運動分析，懸架的上跳行程與下跳行程分別設置為80mm、-80mm，在軟件的后處理中調取Caster Angle的曲線，如圖5所示，由曲線可知該前懸架在車輪上跳時Caster Angle出現了減小的趨勢，這樣無法抵消制動點頭時后傾角減小的趨勢，使車輛在制動時出現制動點頭的效果，不利于駕乘的舒適性。由設計數據可知，雙叉臂懸架的Caster Angle在整備狀態下為5.9°，但是隨輪跳的變化不理想，所以需要對懸架的Caster Angle進行優化，使其在車輪上跳的過程中有增大的趨勢，這樣有利于提高整車的高速行駛穩定性。

圖5 Caster Angle變化曲線

3 懸架針對Caster Angle的優化分析

表2 優化的硬點參數坐標

表3 部分K&C特性指標

利用Adams/Insight對懸架的Caster進行優化，選取uca_front_Z、uca_rear_Z、lca_front_Z、lca_rear_Z四個硬點位置作為設計因素（factors），將后傾角作為響應response，并對每一個設計因素進行相關的參數設置，運行后選取最優解，使得優化后的結果在提高整車回正性的同時，又對其他的各項性能沒有太大的影響。優化前后變動的硬點參數如下表2所示，在懸架的硬點優化之后，對懸架的K&C特性做一次對比分析，懸架的K&C特性包含的參數特別多，如表3對一些關鍵的參數列舉出來，其中包含優化前后的懸架K&C指標，兩組參數對比之后，除后傾角的變化較大之外，其余指標的數值都在可行范圍之內。

3.1 Caster Angle變化趨勢

懸架在優化前后，對車輪的定位參數進行分析，以確保懸架優化后對主要的優化目標達到所需的效果，但同時對其他車輪定位參數又不能產生很大的負面作用，如下圖6是對Caster Angle優化前后的對比，相比于設計狀態的主銷后傾角變化趨勢而言，優化后的主銷后傾角隨著車輪的上跳出現了增大的趨勢，改善了汽車的轉向性能，這樣的變化趨勢有利于增加車輛的高速行駛穩定性。

圖6 優化前后的Caster Angle變化趨勢

3.2 Camber Angle變化趨勢

車輪外傾角是指前輪旋轉平面上略向外傾斜，這個傾斜的角度即為車輪外傾角。車輪外傾的作用是為了提高轉向操縱的輕便性和車輪行駛的安全性。由圖7分析可見，此次對于主銷后傾角的優化對車輪外傾角基本沒有發生影響。為了保證輪胎的側偏特性，在懸架設計時要求在車輪上跳的過程中外傾角向負值的趨勢變化，車輪下跳時外傾角向正值的趨勢變化，且負的外傾輪跳特性有利于極限轉向時輪胎的抓地力。

圖7 優化前后的Camber Angle變化趨勢

3.3 Toe Angle變化趨勢

車輪的前束角是指俯視車輪，汽車的兩個前輪的旋轉平面并不完全平行，而是沿車輛前進方向稍微帶一些角度，即左右車輪分別向內，正的前束角是指車輪前部指向車身的角度。在汽車運動過程中前束角的變化，，不僅影響到車輪的擺振和磨損，還直接影響汽車的轉向特性和直線行駛的穩定性。對比于設計狀態與優化后的前束變化趨勢，如圖8所示，在車輪上跳的過程中，都趨于負前束的變化趨勢，且優化后的前束角變化較為緩和，使得該懸架特性有利于不足轉向的特性，改善了汽車的操縱穩定性。

圖8 優化前后的Toe Angle變化趨勢

4 整車模型的搭建及操穩性能的驗證

基于前懸架模型動力學仿真與優化之后，將前懸架子系統、后懸架子系統、轉向子系統、前輪子系統、后輪子系統、車身子系統、前穩定桿子系統、制動子系統以及動力總成子系統搭建了微型EV整車模型，整車模型的結構如下圖9所示，該車型為三輪電動車，為了提高車型的操縱穩定性，采用了前懸架為雙叉臂的獨立懸架，后懸為獨輪結構的設計。

圖9 整車模型

4.1 方向盤力矩對比

駐車轉向是評價車輛停止在水平地面上，打開發動機，拉起手剎的條件下，將方向盤從中間位置勻速向左轉到最大位置，然后勻速向右回到右邊最大位置，最后再勻速回到中間位置，從后處理中調取方向盤力矩VS方向盤轉角的曲線，現調取的曲線如下圖10所示，可見設計狀態的方向盤力矩值區間為-1.446到1.438，優化后的方向盤力矩值區間為-1.491到1.467，優化后的力矩值與設計狀態沒有多大的變化，所以不需要對助力轉向系統做多余的匹配調校。

圖10 方向盤力矩VS方向盤轉角

4.2 回正性能對比

該車型在高速時的方向盤回正性能較差，且反應較慢，對整車在設計狀態和優化后的回正性能做分析對比，在整車仿真界面中選擇事件構造器（Event Builder），選擇設置三個微操縱，每一個微操縱對整車驅動有特定的執行命令，在第一個微操縱中保持車輛以80km/h的車速勻速行駛，第二個微操縱給方向盤施加一個30deg的轉角并使車輛保持在穩態，第三個微操縱松開方向盤，使方向盤自動回正，先觀察回正的效果，曲線如下圖11所示；在0點位置時，松開方向盤，讓車輪自動回復，查看A、B兩點之間方向盤角度的大小，提取的結果在A點時，設計狀態下為-32.90deg，優化后的數值為-27.87deg；提取的結果在B點時，設計狀態下為11.65deg，優化后的數值為5.03deg；對比下來可見優化后的結果更利于車輛的回正性能，保持穩定行駛性能，提高駕駛員的駕駛舒適度。

圖11 在0點處松開方向盤是的回正能力

5 結論

本文論述了Caster Angle對車輛回正性能的影響，通在Adams/Car軟件中搭建了設計車型的前懸架以及整車模型，就設計狀態下前懸架Caster Angle的變化率存在的問題，利用Adams/Insight進行優化，并將優化前后的主要K&C指標作以對比分析，由數據分析可知優化后的參數對于懸架的性能得到了一定的改善作用，將整車模型參數調整為優化后的參數，對其做了原地轉向與方向盤回正性能的分析，其結果相比于設計狀態得到了很大的優化，提高了整車的回正性能與直線行駛穩定性能。

[1] 陳家瑞.汽車構造[M[.3 版.北京:機械工業出版社,2009.

[2] 陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3] 丁金全,許男,郭孔輝.基于懸架虛擬主銷運動計算的主動回正控制[J].吉林大學學報(工學版) ,2017,47( 1) :21-7.

[4] JONSSON M.Simulation of Dynamical Behavior of a Front Wheel Suspension[J].Vehicle System Dynamics,1991,20( 5) : 269-281.

[5] 何志剛,陳陽,盤朝奉.基于 NSGA-Ⅱ算法的麥弗遜懸架多目標優化[J].廣西大學學報(自然科學版) ,2016,41( 6) : 1807-1814.

[6] 王春寬,林瑯,陳家庭等.前輪定位參數對雙橫臂獨立懸架系統動態特性影響的分析[J].起重運輸機械2016（1）,57-60.

[7] 潘智敏,李燕超,方志遠.電動汽車雙橫臂懸架優化分析[J].青島科技大學學報（自然科學版）2018,39（5）:100-105.

Analysis and Optimization of the Return and Straightness of Micro EV

Jing Aijun, Liu Yang

（Automotive and Transportation Engineering College, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039）

The performance of automotive is getting more and more attention in today's car companies, such as stability, braking, smoothness and safety. However, the performance of the suspension affects the stability performance, and the performance of the stability affects the safety performance of the car. Therefore, many OEMs spend a lot of time and effort to further improve the stability performance. Based on Adams/Car, the suspension and vehicle model of a company's miniature EV are built, and the Caster Angle problem of the suspension is analyzed and optimized to solve the problem of the steering wheel return problem and the straight running stability of the vehicle. The stability of the vehicle has been greatly improved, improving the driver's confidence in the handling of the vehicle.

Caster Angle; Analysis; Return; Stability

U463.33

A

1671-7988(2019)24-04-04

U463.33

A

1671-7988(2019)24-04-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.002

景愛軍（1991-），男，研究生，就讀于西華大學，研究方向：汽車性能測試與仿真。