電動(dòng)汽車底盤分析與調(diào)校研究

于瀟

摘 要：作為汽車的核心部分，電動(dòng)汽車底盤直接影響整車表現(xiàn)，底盤系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)汽車綜合性能提升帶來的影響極為深遠(yuǎn)，這使得近年來相關(guān)研究大量涌現(xiàn)。基于此，本文以某電動(dòng)汽車為例，針對(duì)性開展了整車動(dòng)力學(xué)建模與仿真，依托工裝車性能試驗(yàn)，深入探討了底盤性能優(yōu)化改進(jìn)路徑，希望研究?jī)?nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 底盤 調(diào)校

1 引言

作為復(fù)雜的多體耦合系統(tǒng)，汽車使用過程會(huì)同時(shí)受到風(fēng)阻、路面激勵(lì)、輸入、駕駛員不確定性等因素影響，復(fù)雜多變的工況使得汽車整車動(dòng)力學(xué)研究難度較高。因此，本文圍繞電動(dòng)汽車底盤分析與調(diào)校開展的研究采用了ADAMS/Car，并針對(duì)性開展了整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和懸架K&C特性試驗(yàn)，由此為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了充足依據(jù)。

2 整車動(dòng)力學(xué)建模與仿真

2.1 建模過程

為開展純電動(dòng)SUV的模型建設(shè)，采用ADAMS/Car搭建整車虛擬樣機(jī)模型，隨之開展柔化處理，即可針對(duì)性開展仿真處理。具體建模過程中，需要輸入的參數(shù)包括路面典型工況和激勵(lì)、質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼和剛度等力學(xué)特性參數(shù)、硬點(diǎn)坐標(biāo)等尺寸參數(shù)。考慮到仿真結(jié)果和建模精度直接受到參數(shù)的準(zhǔn)確性影響，基于采用麥弗遜獨(dú)立懸架的研發(fā)車前后懸架，基于整車三維模型對(duì)建模參數(shù)開展細(xì)致測(cè)量，坐標(biāo)原點(diǎn)為前軸中心點(diǎn)，并選擇笛卡爾坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，同時(shí)應(yīng)用了企業(yè)提供的相關(guān)信息。其中，前/后輪距、軸距分別為1418mm、2410mm，整車的長(zhǎng)、高、寬分別為3695mm、1570mm、1685mm，整備質(zhì)量、半載質(zhì)量、滿載質(zhì)量分別為1250kg、1475kg、1550kg，空載、半載、滿載的質(zhì)心高度分別為572mm、579.62mm、582.23mm。前/后輪的主銷內(nèi)傾、主銷后傾分別為11.56°、3.67°，轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪、外輪的最大偏轉(zhuǎn)角分別為35.859°、32.546°。基于相關(guān)試驗(yàn)獲得建模過程中所需的減震器、彈簧、襯套的力學(xué)特性曲線及參數(shù)，基于乘用車SAE經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行估算，以半載質(zhì)量為基本工況，即可為建模提供充足依據(jù)[1]。

建模過程需要開展柔性化處理，具體涉及簡(jiǎn)化物理模型、確定各部件連接關(guān)系和關(guān)鍵布置，以此完成對(duì)應(yīng)硬點(diǎn)的建立，部件創(chuàng)建以硬點(diǎn)坐標(biāo)為參考坐標(biāo)，幾何體創(chuàng)建需盡可能結(jié)合實(shí)際。各部件約束類型的確定需對(duì)部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析，以此科學(xué)選擇襯套、鉸鏈等約束方式完成約束定義。模板的參數(shù)變量需圍繞定位參數(shù)和尺寸參數(shù)等建立，隨之還需要做好通訊器連接的定義，通訊器名稱、類型、對(duì)稱性的準(zhǔn)確性得到保障。由于采用麥弗遜獨(dú)立懸架作為前后懸架，建模涉及副車架、傳動(dòng)半軸、轉(zhuǎn)向拉桿、穩(wěn)定桿、減震器、螺旋彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂等零部件，基于麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)關(guān)系和CATIA三維模型，即可針對(duì)性開展建模，如懸架安裝點(diǎn)與穩(wěn)定桿橫拉桿采用球鉸相連。簧上質(zhì)量簡(jiǎn)化處理車身系統(tǒng)后，采用球體來代替，并設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置、質(zhì)量等參數(shù)，動(dòng)力系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)文件控制。對(duì)于易產(chǎn)生彈性變形的懸架運(yùn)動(dòng)中的副車架、橫向穩(wěn)定桿、下控制臂，柔性建模采用有限元法，模態(tài)計(jì)算和有限元網(wǎng)格劃分采用Hypermesh，由此在ADAMS中導(dǎo)入MNF文件，即可完成建模。完成模板建模后，裝配子系統(tǒng)文件，即可最終得到整車模型，以及前、后懸架總成，圖1為整車模型示意圖[2]。

2.2 仿真分析

對(duì)于具有相對(duì)安裝位置的前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向輪，需關(guān)注其中涉及的四輪定位參數(shù)，由此對(duì)前束角、外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角進(jìn)行分析，參數(shù)的靈敏度分析采用ADAMS/Insight，選取轉(zhuǎn)向拉桿外點(diǎn)、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)、下擺臂外點(diǎn)、下擺臂后點(diǎn)、下擺臂前點(diǎn)、減震器上點(diǎn)等對(duì)四輪定位參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)，以三個(gè)方向各硬點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量為坐標(biāo)值，初始硬點(diǎn)坐標(biāo)值為標(biāo)準(zhǔn)值，基于±3mm的變化范圍，即可圍繞最顯著的設(shè)計(jì)變量開展針對(duì)性分析，影響各定位參數(shù)的硬點(diǎn)及其方向可由此明確，如對(duì)后傾角的影響從低到高分別為擺臂外點(diǎn)X向坐標(biāo)、減震器上點(diǎn)X向坐標(biāo);懸架K&C特性仿真分析能夠?qū)壹苓\(yùn)動(dòng)性能和變形性能進(jìn)行考察，結(jié)合針對(duì)性仿真，即可獲得懸架幾何特性數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性數(shù)據(jù)、柔性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性數(shù)據(jù);整車操縱穩(wěn)定性仿真聚焦行車安全，本文研究主要基于中心區(qū)轉(zhuǎn)向分析、角階躍分析、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)分析、制動(dòng)分析、直線加速開展車輛的操穩(wěn)性分析，最終可確定車輛整體性能良好，但存在偏小的阿克曼百分比、前高后低的側(cè)傾中心、靈敏度稍大的轉(zhuǎn)向靈敏度和俯仰梯度，需要設(shè)法進(jìn)行優(yōu)化。

3 工裝車性能試驗(yàn)

3.1 懸架K&C特性試驗(yàn)

作為汽車底盤系統(tǒng)研發(fā)重點(diǎn)，K&C特性試驗(yàn)基于專用試驗(yàn)臺(tái)開展，型號(hào)為SPMM5000。考慮到行駛時(shí)車輛的減速或加速會(huì)受到縱向力，離心力會(huì)導(dǎo)致彎道過程中側(cè)向力產(chǎn)生，垂向力會(huì)因懸架受到的路面不平?jīng)_擊產(chǎn)生，因此需要關(guān)注車輛行駛受到的力加速度影響。具體試驗(yàn)圍繞轉(zhuǎn)向、縱向力、側(cè)傾、側(cè)傾、垂向輪跳、反向側(cè)向力、同向側(cè)向力、反向回正力矩、同向回正力矩等試驗(yàn)工況開展，最終可求得懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)、柔性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性數(shù)據(jù)。

3.2 整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)

由于穩(wěn)定性和操縱性存在一定矛盾，必須設(shè)法找到二者的平衡，整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)因此需要針對(duì)性開展，選擇工裝樣車作為試驗(yàn)車輛，在某汽車試驗(yàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，采用DEWESOFT數(shù)采系統(tǒng)、ABD轉(zhuǎn)向機(jī)器人系統(tǒng)，以及速度計(jì)、高度計(jì)、雙軸光學(xué)速度計(jì)、陀螺儀、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，即可開展原地轉(zhuǎn)向、直線制動(dòng)、直線加速、角階躍、定半徑穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、中心區(qū)轉(zhuǎn)向、蛇行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可為底盤性能風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)判斷提供依據(jù)。

3.3 底盤性能風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估

基于試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，可確定案例車輛的底盤性能存在四方面風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：第一，側(cè)傾中心后懸較低、前懸較高，存在不合理的側(cè)傾軸線。存在差異的前后側(cè)傾平衡影響后軸側(cè)向支撐，導(dǎo)致下沉情況出現(xiàn)。此外，還存在甩尾風(fēng)險(xiǎn)、后軸跟隨性不好等缺陷;第二，偏大的制動(dòng)工況俯仰梯度，前后俯仰平衡會(huì)導(dǎo)致負(fù)面影響，車身制動(dòng)時(shí)存在較大俯仰角，明顯點(diǎn)頭現(xiàn)象出現(xiàn)，乘車舒適性不足;第三，存在偏小的全轉(zhuǎn)角與20°阿克曼百分比，車輛行駛的穩(wěn)定性、輪胎的偏磨、車輛轉(zhuǎn)向入彎會(huì)受到直接影響，加重的輪胎磨損也會(huì)同時(shí)出現(xiàn);第四，存在偏大的橫擺角速度增益和中心區(qū)轉(zhuǎn)向靈敏度，高速穩(wěn)定性因此受到直接影響。

4 底盤性能優(yōu)化改進(jìn)路徑

4.1 硬點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)

基于硬點(diǎn)坐標(biāo)影響、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)性修改底盤系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)于前懸架和后懸架，采用保持不動(dòng)的副車架與輪心連接點(diǎn)，同時(shí)前懸架需要對(duì)擺臂及轉(zhuǎn)向節(jié)硬點(diǎn)進(jìn)行修改，后懸架需要對(duì)擺臂及轉(zhuǎn)向拉桿硬點(diǎn)進(jìn)行修改。具體優(yōu)化需要上移前懸下擺臂后點(diǎn)10mm，前懸制動(dòng)抗點(diǎn)頭率提高、前懸架側(cè)傾中心高降低可順利實(shí)現(xiàn)。同時(shí)內(nèi)移轉(zhuǎn)向拉桿外點(diǎn)4mm，阿克曼百分比優(yōu)化可由此完成，隨之上移5mm，前束角受到的擺臂硬點(diǎn)移動(dòng)影響可有效消除。上移后懸架下擺臂前點(diǎn)15mm，后懸抗舉升率提高、后懸架側(cè)傾中心高增加可順利實(shí)現(xiàn)。最后下移前減震器端蓋、上移后減震器端蓋，分別為10mm和15mm，前高后低的側(cè)傾中心即可有效改善。結(jié)合針對(duì)性仿真，可確定優(yōu)化后的側(cè)傾梯度、制動(dòng)梯度等減小明顯，車身的側(cè)傾和俯仰、略高的轉(zhuǎn)向靈敏度實(shí)現(xiàn)一定改善，但同時(shí)存在幾乎沒有變化的響應(yīng)速度特性，因此可確定仍存在優(yōu)化改進(jìn)空間。

4.2 方案和零部件優(yōu)選

不足轉(zhuǎn)向度能夠在前懸架偏頻降低的過程中減小，隨之降低的側(cè)傾角剛度占比也能夠發(fā)揮同樣效果，車輛穩(wěn)定性隨側(cè)傾梯度減小而提高，但同時(shí)存在變慢的車輛側(cè)傾和橫擺響應(yīng)速度，此時(shí)存在較為遲緩的反應(yīng)。同時(shí)存在幾乎不變的橫擺角速度增益，以及略微提高的轉(zhuǎn)向靈敏度，“操控感”過度問題可能出現(xiàn)。進(jìn)一步開展方案和零部件優(yōu)選，開展輪胎選型、緩沖塊與襯套匹配、彈簧穩(wěn)定桿匹配、轉(zhuǎn)向EPS和減振器的調(diào)校，案例車輛的底盤綜合性能最終實(shí)現(xiàn)顯著提升。方案和零部件優(yōu)選充分結(jié)合了上文開展的仿真與試驗(yàn)，具備較高借鑒價(jià)值。

5 結(jié)語

綜上所述，電動(dòng)汽車底盤分析與調(diào)校需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的硬點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)、方案和零部件優(yōu)選等內(nèi)容，則直觀展示了電動(dòng)汽車底盤分析與調(diào)校路徑。為更好優(yōu)化電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)，生產(chǎn)誤差影響的應(yīng)對(duì)、生產(chǎn)條件限制的考量、基于更詳細(xì)模型的參數(shù)輸入同樣需要得到重點(diǎn)關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭起龍，張喜清.分布式電動(dòng)汽車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（02）：130-134+142.

[2]王志明.ZL114A鋁合金電動(dòng)汽車底盤橫梁開裂失效分析[J].金屬熱處理，2019，44（S1）：142-146.