輪轂電機驅(qū)動的賽車前懸架優(yōu)化研究

摘要：為解決輪轂電機驅(qū)動賽車在高速轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的側(cè)傾剛度響應滯后及剛度突變問題，使傳統(tǒng)賽車懸架系統(tǒng)能夠適應新的輪轂驅(qū)動形式，我們采用了雙橫臂式側(cè)縱傾解耦獨立懸架設計結(jié)構(gòu)，并取消了原有的部分機械部件，從而有效解決了剛度突變問題。首先，通過選定整車設計和懸架的重要參數(shù)；接著開展懸架動力學特性分析，計算懸架剛度等重要參數(shù)；然后，利用ADAMS/Car軟件搭建懸架多體動力學模型，進行俯仰工況仿真，以評估初始設計結(jié)構(gòu)的合理性；最后，通過ADAMS/Insight工具優(yōu)化前懸架參數(shù)，特別是轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端硬點的位置，保證車輪前束角在合適的范圍內(nèi)，以提高車輛操控穩(wěn)定性和安全性。

關鍵詞：懸架系統(tǒng)設計；Adams/Car；前懸架硬點優(yōu)化；操縱穩(wěn)定性

中圖分類號：U461 DOI：10. 20042/j．cnki．1009-4903. 2024. 04.006

0 引言

隨著電動汽車技術的飛速發(fā)展，輪轂電機作為一種創(chuàng)新的汽車底盤部件，通過線控系統(tǒng)直接驅(qū)動車輪，成功替代了傳統(tǒng)的機械傳動連接結(jié)構(gòu)。這一技術革新為電動汽車帶來了諸多優(yōu)勢，如底盤結(jié)構(gòu)的顯著簡化以及傳動效率的大幅提升。不過，輪轂電機技術的廣泛應用也對與之直接耦合的懸架系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。范珍珍等為解決輪轂電機驅(qū)動電動汽車因非簧載質(zhì)量的增加而導致行駛平順性降低的問題，提出了一種電磁式主動懸架，并通過1/4車輛懸架模型和最優(yōu)控制策略優(yōu)化了懸架性能，提升了汽車的平順性能。李蘭崧等建立了具有動力吸振器模型的車輛單輪模型，改善了車輛的乘坐舒適性。金賢建等提出采用線性分式變換方法來優(yōu)化主動懸架系統(tǒng)，提高了車輛行駛的平順性及乘坐舒適性。龐輝”，提出了一種基于事件觸發(fā)的汽車主動懸架振動控制器設計方法，不僅提高了主動懸架的可靠性，還確保了汽車的行駛安全。

以上都是基于乘用車底盤開展的懸架優(yōu)化工作。本文基于賽車底盤，以輪轂電機驅(qū)動的前懸架為研究對象。為適應新的輪轂驅(qū)動形式，我們?nèi)∠藨壹艿脑瓩C械部件，并采用了雙橫臂式獨立懸架設計結(jié)構(gòu)。同時，開展前懸架的動力學特性分析，通過在ADAMS/Car中搭建懸架多體動力學模型以驗證優(yōu)化后懸架系統(tǒng)的運動學特性。為進一步模擬汽車實際行駛過程中的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，開展前懸架的俯仰工況仿真分析。通過觀察車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及車輪前束角等參數(shù)變化情況，對懸架硬點作進一步優(yōu)化調(diào)整。

1 懸架系統(tǒng)設計

懸架系統(tǒng)設計是汽車總體設計中至關重要的組成部分，其性能直接決定了整車的操控性、舒適性和穩(wěn)定性。同時，懸架設計也是一個需要妥協(xié)的過程，因為它需要配合車上各系統(tǒng)的需求，相關計算和參數(shù)的選取要考慮較多因素。在進行懸架系統(tǒng)設計之前，需要先確定整車的一些重要參數(shù)。

1.1 整車參數(shù)確定

根據(jù)近幾年在大賽中取得優(yōu)異成績的高校賽車的軸距、前后輪距、載荷比的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，擬定整車需求的部分重要參數(shù)如表1所示。

在賽車行駛過程中，懸架系統(tǒng)不僅要提供良好的操控性和舒適性，還需具備強大的抗側(cè)傾能力。本文采用的雙橫臂推桿式獨立懸架設計，由上下2個橫臂組成，可有效吸收汽車行駛時輪胎與路面產(chǎn)生的橫向力矩。綜合考慮賽車的實際行駛情況，為了實現(xiàn)懸架垂直剛度和側(cè)傾角剛度的結(jié)構(gòu)解耦，從而避免轉(zhuǎn)向時出現(xiàn)車身側(cè)傾，最終采用了基于雙橫臂推桿式獨立懸架改進而來的雙橫臂式側(cè)縱傾解耦獨立懸架結(jié)構(gòu)。

1.2 懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用平面幾何法設計懸架的重要參數(shù)，包括瞬心、側(cè)傾重心高度、四輪定位等，其平面幾何圖如圖1所示。圖中部分重要參數(shù)如表2所示。

根據(jù)圖1和表2中參數(shù)，可初步確定前懸架硬點布置如圖2所示。

1.3 懸架關鍵特性

為進一步選取合適型號的減振彈簧，保障懸架K＆C特性仿真的準確性，還需要開展前懸架的部分參數(shù)計算工作。

已知前軸單側(cè)車輪簧上質(zhì)量：

式中，KT為輪胎剛度，取值103470 Nm。前懸架橫置彈簧剛度為：

KSF=2KWF×MR2=75922.54 Nm

綜上，可得前懸架橫置彈簧磅數(shù)為430 lb/in。由于設計側(cè)縱傾解耦懸架時，俯仰剛度和側(cè)傾剛度互不影響，因此需根據(jù)賽車設計需求確定目標側(cè)傾梯度，即1g側(cè)向加速度下車架或車身側(cè)傾轉(zhuǎn)角的大小。已知正常行駛工況下，側(cè)向加速度平均約為1．6g，而在高速避障的極限工況下，側(cè)向加速度可達到2g。通過平面幾何圖可知，賽車前懸架的側(cè)傾外傾變化率為0.56°，靜態(tài)工況下車輪外傾角為-0.5°。

為了在1．6g側(cè)向加速度下輪胎能夠充分與地面接觸，我們需要計算目標側(cè)傾梯度。目標側(cè)傾梯度可以表示為以下公式：

θ/Ay=0.55

式中，θ為車身側(cè)傾角度； Ay為側(cè)向加速度。

2 懸架K&C特性仿真分析

為驗證雙橫臂式側(cè)／縱傾解耦獨立懸架系統(tǒng)的運動學特性，利用ADAMS/Car軟件搭建懸架的多體動力學模型，如圖3所示。

為了模擬汽車實際行駛過程中的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，設定前懸架的俯仰工況仿真分析。通過這一分析，觀察車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及車輪前束角等參數(shù)的變化情況，同時為下一步懸架硬點優(yōu)化設計作參考。

在設置仿真參數(shù)時，我們設定左前和右前輪跳動量為±25mm。在圖4（a）中，橫置振高度由203 mm下降至158 mm，變化值為45 mm，傳遞比為1．1，符合設計目標。而在圖4（b）中，斜置減振變化值保持在0．1 mm范圍內(nèi)，這一變化可忽略不計。由此我們可以得出，在俯仰工況下，2個減振器之間互不影響。

從車輪定位參數(shù)中可以看出，車輪外傾角與主銷內(nèi)傾角均保持在：±1°范圍內(nèi)，符合設計需求。同時，主銷后傾角的變化范圍在0.01°左右，可忽略不計。在圖5（c）中顯示，車輪前束角的變化上下限達到了±1．5°，超出設計范圍。這種超出范圍的變化可能導致車輛轉(zhuǎn)向跑偏，并伴隨輪胎磨損加速。因此，需要對前懸架硬點參數(shù)進行優(yōu)化，以確保車輛在不同工況下的操控穩(wěn)定性和輪胎的耐用性。

3 前懸架硬點優(yōu)化

由圖5可得，俯仰工況下的車輪前束角變化超出合理范圍，極大程度降低了車輛急剎或加速時的穩(wěn)定性。為避免車輛高速連續(xù)轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生側(cè)傾剛度響應滯后的剛度突變，進而造成外側(cè)車輪抬起，導致車輛失穩(wěn)的情況，我們利用Adams/Insight對前懸架參數(shù)進行了優(yōu)化。特別是針對轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端硬點的位置進行了調(diào)整，以確保車輪前輪束角保持在合適的范圍內(nèi)，從而提高車輛的操控穩(wěn)定性和安全性。

通過對比分析主要影響因子，可知內(nèi)端Z軸的影響占比97.23%，外端Z軸的影響占比61.96%。因此采取固定Y坐標、調(diào)整Z坐標的優(yōu)化方法，在ADAMS/Insight中，將原定內(nèi)端Z軸坐標由142.25調(diào)整為162.15，外端Z軸坐標由177調(diào)整為197。

優(yōu)化硬點坐標后再進行±25 mm內(nèi)的平行輪跳仿真。車輪前束角曲線如圖6所示，其中虛線為優(yōu)化后前束角曲線。與優(yōu)化前的曲線相比，前束角的變化范圍由-1．25°-1．3°變化為-0.1°～0.2°，優(yōu)化效果顯著。這一改進不僅提高了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性和穩(wěn)定性，還改善了懸架的運動學特性。

4 結(jié)論

本文所設計的懸架具有良好的運動學特性。通過懸架系統(tǒng)的理論計算和仿真分析，確保了所設計的懸架系統(tǒng)能夠滿足賽車的基本性能需求。根據(jù)設計得到的懸架參數(shù)，利用ADAMS/Car軟件建立了懸架運動學模型，并進行了俯仰工況的仿真分析。隨后通過ADAMS/Insight工具對前懸架參數(shù)進行了優(yōu)化，以確保車輪前束角保持在合理范圍內(nèi)，從而進一步提升懸架系統(tǒng)的動態(tài)性能。

此外，需要指出的是，懸架系統(tǒng)在底盤中是一個復雜且關鍵的系統(tǒng)。在懸架調(diào)試過程中，它與傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等緊密相關，必須綜合考慮多種因素，如左右車輪差速、轉(zhuǎn)向阿克曼角度等。因此，在實車落地后，還需要進行多次調(diào)試，以全面優(yōu)化懸架系統(tǒng)的綜合性能，達到理想的操控性和穩(wěn)定性。

總之，本文提供了一種有效的懸架系統(tǒng)設計方案，通過運動學優(yōu)化提升了整車的動態(tài)性能。這一研究成果為輪轂電機驅(qū)動賽車懸架系統(tǒng)的開發(fā)提供了有價值的參考，并在懸架系統(tǒng)優(yōu)化領域具有廣泛的應用前景。