增程式電動SUV行駛穩定性優化設計

董益亮 景華斌 林歡 歐陽結新 陳誠

（東風小康汽車有限公司，重慶市 402246）

主題詞：增程式電動汽車車 操穩性 后軸荷占比 不足轉向度 側偏柔度 懸架K特性

1 前言

增程式電動車是電動汽車未來發展的重要方向，相對于普通乘用燃油車，增程式電動汽車有很大差別，主要表現在3個方面。

（1）整備質量增大，前后載荷分配有差別，整車前輕后重，后軸荷占比較大；

（2）驅動方式改變，增程式電動車通常是后輪驅動；

（3）驅動力大，加速性能好，后輪承受較大的縱向力。

這3方面的差別對車輛行駛穩定性和極限行駛能力都有巨大的影響。目前，國內外還沒有專用的增程式電動車底盤平臺，通常在燃油車平臺基礎上開發，為保證車輛的底盤性能，必須對傳統的燃油車底盤平臺做詳細的分析論證和優化設計。

2 前驅和后驅車輛動力學性能差異分析

2.1 后輪驅動對汽車俯仰性能的影響

為分析后懸架的抗俯仰性，將后懸架簡化為圖1所示的拖曳臂懸架，對鉸接點A取力矩平衡方程見式（1）、式（2）。

式中，Wrs為靜止狀態下后軸載荷；W為整車重量；ΔWr為加速工況下后輪載荷變化；Fxr為后輪縱向力；Kr為懸架剛度；Sr為加速工況下懸架變形量；ax縱向加速度；h為質心高度；L為汽車軸距。

圖1 后懸架抗加速下蹲性能原理

由式（2）可知，若輪心位于鉸接點A下方，即e為正，車輪縱向力能夠減小后軸載荷轉移，后懸架壓縮量減小，即具有抗加速下蹲性能；若輪心位于鉸接點A上方，則e為負，縱向力會加大后懸架載荷，即加劇了后懸架的加速下蹲量，為了提升后懸架的抗加速下蹲性能，對后驅車輛，后懸架應具有較好的抗加速下蹲性能。

對于后驅車輛，前輪縱向力較小，可忽略其影響，加速行駛時，前輪載荷轉移為：

式中，Kf前懸架剛度；Sf為前懸架變形量。

燃油車通常為前輪驅動，設計上前懸架具有較好的抗加速舉升性能，因后輪是從動輪，對后懸架抗加速下蹲性能沒有要求，通常較弱，有時甚至有負作用。若將燃油車由前輪驅動改為后輪驅動，前懸架抗加速舉升性能則不能發揮，而較大的后輪驅動力會加大后懸架下蹲量，由此造成整車加速俯仰大，前后懸架舉升量和下蹲量大。

2.2 后輪驅動對汽車轉彎性能的影響[3]

用圖2所示的單軌模型，可推導出車輛做等速圓周行駛時的前后輪縱向力（推導過程略）。

圖2 汽車單軌模型

當車輛做等速圓周行駛時，˙=0，同時有˙=0和0，為汽車橫擺角加速度，可以推導出前后車輪上的切向力之和為：

式中，Fxf為前輪縱向力；Fxr為后輪縱向力；m為汽車質量；Lr為汽車質心至后軸中心距離；L為汽車軸距；β為汽車質心處的側偏角，即質心處速度與車輛縱軸的夾角；ψ為汽車橫擺角，定義為車輛縱軸與地面固定坐標X軸的夾角；δ為前輪轉向角；Flx為空氣阻力沿汽車縱向中心軸線的分力；ρ為轉彎半徑。

汽車轉彎行駛時，驅動輪驅動力與車速、側向加速度、前輪轉角有關，前輪轉角越大，車速越高，驅動輪縱向力越大。當汽車為前輪驅動時，后輪無驅動力，為維持汽車等速圓周行駛，前輪施加較大的驅動力，以克服空氣阻力、滾動阻力、摩擦力等，當汽車為后輪驅動時，驅動力在后輪，后輪縱向力較大。車速越高，Flx越大，驅動輪縱向力越大。較大驅動力的存在，會降低輪胎的側向附著性能，使后軸更容易發生甩尾、側滑、跟隨性變差等問題[1-2]。

2.3 前后軸荷分配對汽車轉彎性能的影響

用圖2所示的單軌模型，可推導出車輛做等速圓周行駛時的前后輪側向力（推導過程略）。

當車輛做等速圓周行駛時，˙=0，同時有˙=0和0，可以推導出前后車輪上側向力為：

式中，Fyf為前輪側向力；Fyr為后輪側向力；L為汽車軸距；˙為汽車橫擺角速度；δ為前輪轉向角；Mzf為前輪回正力矩；Mzr為后輪回正力矩。

Mzf和Mzr數值較小，由式（5）和（6）可見，后輪側向力主要與質心位置和側向加速度有關，前輪側向力除了與質心位置和側向加速度有關外，還與前輪轉角有關，前輪轉角增大，側向力減小。

增程式電動車后輪承受的載荷較大，通常大于50%，加之后輪驅動，使后輪承受較大的縱向力和側向力。在轉彎行駛時，后輪側向力較大，側偏角大，加之承受較大的縱向力，使附著極限下降，容易發生甩尾、側滑、跟隨性差等現象。若后懸架幾何抗下蹲性能不好，在直線加速行駛時，較大的后輪縱向力，會使后懸架下蹲量增大，前輪縱向力較小，幾何抗舉升性能不能發揮作用，使前懸架舉升量也較大。由于這幾方面的原因，在傳統的燃油車底盤平臺基礎上開發增程式電動車會面臨以上諸多問題，嚴重影響車輛行駛的穩定性和安全性，必須對其進行優化設計。

3 某燃油車SUV操穩性能仿真分析

公司某燃油車SUV，前輪驅動，前懸架為麥弗遜獨立懸架，后懸架為多連桿獨立懸架，輪胎型號245/50R18，在該平臺基礎上開發增程式電動車，輪距和軸距保持不變，重量參數及差異如表1所示。

表1 重量參數對比

由表1可見，增程式電動車相對于燃油車，整車重量增大了310 kg，主要是增大了后懸架簧上質量，后軸荷占比增大了6.1%，對轉彎行駛穩定性和車體控制不利，優點是重心高度下降了55 mm，對車體側傾和俯仰控制有利。

3.1 燃油和增程式電動SUV底盤性能對比分析

保持底盤硬點、零部件、輪胎、整車尺寸參數等不變，分別建立燃油車和增程式電動車整車多體模型，由于增程式電動SUV整車重量參數變化較大，對前后彈簧、減震器阻尼和穩定桿做了初匹配，分別進行穩定圓和直線加速仿真分析，分析結果如表2所示。

表2 操穩性對比評價

由表2可見，整車重量增加，后軸荷占比提高，前輪驅動改為后輪驅動，使整車操穩性基本指標發生了重大變化，主要表現在不足轉向減小，后軸側偏角增大，加速俯仰梯度增大，前后軸的舉升和壓縮梯度增大，因而整車操穩性有較大下降，嚴重影響駕駛感受。

3.2 前后懸架K特性對比分析

前后懸架K特性分析結果如表3所示。

由表3前后懸架K特性分析結果可知，造成增程式電動車操穩性差的主要原因是后懸架性能不滿足要求。

表3 基礎車前后懸架K特性分析結果

基礎車后懸架存在以下問題。

（1）輪心跳動縱向位移梯度為正值且數值較大，后輪縱向驅動力將加劇后懸架壓縮，因而在加速行駛工況下，后懸架下蹲較大，見表2直線加速工況分析結果。

（2）前懸架雖然有抗加速舉升功能，由于前輪縱向力小，使前懸架加速舉升梯度也較大，見表2。

（3）后懸架跳動轉向和側傾轉向梯度小，使車輛不足轉向度較小，后軸側偏柔度大，見表2。

（4）后懸架車輪跳動外傾小，會造成后軸抓地性和跟隨性下降，見表2。

4 燃油車SUV后懸架優化設計

4.1 建立后懸架優化模型

使用Isight軟件建立后懸架優化模型，如圖3所示，對基礎車后懸架硬點進行優化設計。

圖3 后懸架多目標優化模型

（1）優化目標

a.使平行輪跳時后輪心向后移動，跳動縱向位移梯度處于[-180,-140]范圍內；

b.增大后輪跳動外傾梯度，使后輪跳動外傾梯度處于[-20,-15]范圍內；

c.提高后輪跳動轉向梯度，使后輪跳動轉向梯度處于[5,8]范圍內。

（2）約束條件

a. 最大限度的底盤零部件通用化，措施是：后懸架硬點變化盡可能小，盡量將后懸架硬點變化集中到幾個點上；

b.前懸架保持不變，與燃油車完全通用；

c.滿足總布置要求：在燃油車平臺上布置驅動電機和電池總成等，受空間限制，難度較大，硬點變化必須滿足總布置要求。

4.2 參數靈敏度分析

使用后懸架優化模型，進行設計參數靈敏度分析，分析結果如圖4至圖6所示。

圖4 后輪跳動外傾靈敏度分析結果

圖5 后輪跳動轉向靈敏度分析結果

圖6 后輪心跳動縱向位移靈敏度分析結果

由圖4～6可見，對后輪跳動外傾、跳動轉向和輪心跳動縱向位移梯度影響較大的參數是：上控制臂內點Z坐標，上控制臂外點Z坐標，前束調節桿內點Z坐標，下控制臂內點Z坐標，縱臂與車身連接點Z坐標，輪心Z坐標。

按照零部件盡量通用化原則，為此應盡量將后懸架硬點變化集中到幾個點上，盡量將變化集中到一個零部件上。根據工程實際，最終選擇上控制臂內點Z坐標、下控制臂內點Z坐標、前束調節桿內點Z坐標、縱臂與車身連接點Z坐標作為優化設計變量如圖7所示。按照總布置要求確定設計變量的設計范圍，以保證工程上的可行性。

圖7 優化設計變量

4.3 優化設計[4-5]

使用圖3所示的優化設計模型，運用多目標遺傳算法，在設計空間內尋求最優設計方案，硬點優化設計方案如表4所示，優化后的懸架特性如表5所示。

表4 硬點優化設計方案 mm

表5 優化前后—懸架特性

由表5數據可見，優化后的懸架特性參數發生了較大變化，理論上滿足增程式電動車要求。

5 優化設計方案驗證

5.1 優化方案虛擬驗證[6]

使用整車多體模型分析開發車操穩性，分析結果如表6所示。

表6 操穩性對比評價表

由表6可見，后懸架優化方案使整車不足轉向提高，接近燃油車水平，后軸側偏柔度減小（側偏剛度提升），但比燃油車略差，提升了后軸的跟隨性和抓地性。優化方案減小了車體加速俯仰梯度，后懸架加速壓縮梯度大幅減小，車體控制優于燃油車。

5.2 優化方案實車驗證

公司制作設計樣車，包括優化前和優化后兩臺樣車，通過設計樣車主觀評價，優化方案在不足轉向度，后軸抓地性、跟隨性和穩定性方面得到了明顯提升，接近燃油車水平，車體控制總體上優于燃油車。

6 結束語

在傳統燃油車底盤平臺上開發增程式電動車面臨諸多底盤性能問題，主要問題點通常在后懸架，后懸架一般不能直接借用，必須進行優化設計。本文通過理論分析、懸架K&C分析、整車操穩性分析、懸架K特性多目標優化等手段，在保證底盤零部件通用化的基礎上，達到底盤性能設計目標要求。

整車重量、前后軸荷分配、重心高度、驅動方式及驅動力大小等對底盤性能有重大影響，燃油車和增程式電動車同平臺開發，零部件和結構變化較多，底盤零部件通用化率不高，從長遠看，應開發專用的電動車底盤平臺。