基于ADAMS Car電動汽車底盤布置仿真分析與優化

摘 要：在電動汽車底盤布置優化設計中，我們需要考慮的因素不止動力電池組的布置還要考慮操縱性、穩定性、平順性等整車綜合性能。而設計出合理理想的底盤布置優化方案，對電動汽車未來的發展具有深遠的意義。針對以上的問題，本文提出通過ADAMS Car仿真模型建立不同電動汽車底盤布置，基于國家標準和評價方法進行仿真試驗，對不同的底盤布局方案的試驗進行對比，確定對于整車操縱性、穩定性、平順性更理想合理的底盤設計方案，通過仿真結果分析，驗證優化結果。

關鍵詞：底盤布置 底盤優化設計 電動汽車 操縱穩定

1 緒論

電動汽車底盤設計與優化的研究顯示，學者們通過仿真和試驗深入探討了車輛的操縱穩定性和平順性。閆雪在2012年基于動力學理論提出了一種分析和優化方法。榮祥濤在2015年研究了底盤模態變化和電池箱連接對動態剛度的影響，并優化了電池箱連接點位置[1]。張宇和在2016年提出前移和降低整車質心位置的底盤布置方案，以改善操縱穩定性[2]。國內研究者使用ADAMS軟件優化懸架、傳動系統和電池布局，而國外通過輕量化和結構設計提升性能。通過前人的研究看來，動力電池的布局是車輛的總體性能的重要因素，通過構建模型來仿真分析和做相關實驗可以對汽車底盤布局進行優化，提高操縱穩定性和平順性。

本文探討了電動汽車底盤設計方面的的仿真分析與優化。通過ADAMS Car建立仿真模型，重點研究電動汽車動力電池布局對操縱穩定性和平順性的影響，并通過一系列仿真試驗分析優化底盤布置方案。

2 純電動汽車底盤布置方案設計

2.1 純電動汽車三種不同底盤布置方案

本研究電動汽車將采用約為350kg的動力電池組，按照底盤布置的可利用空間，以此提出3種底盤布置方案，再根據提出的方案進行操縱穩定性、平順性的仿真試驗，根據數據分析進行方案的優化設計。

方案一的布置主要是在車身底盤的正下方或后備箱下面，該布置增加了線路復雜性，且降低了散熱性能和車內空間利用率；方案二的電池組布置在車身底盤底板之下，這種平整布置在底盤下方的電池組，便于檢修和更換電池；方案三的布置主要是將電池組分別布置在前機艙下和底盤正下方。

2.2 多體動力學軟件ADAMS 的介紹

ADAMS，即機械系統動力學自動分析（AutomaTIc Dynamic Analysis of Mechanical Systems），ADAMS軟件具有二維建模和三維建模的功能。利用ADAMS軟件可以在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現在計算機上仿真分析對比機械的運動性能[3]。

2.3 基于ADAMS整車動力學模型的建立

2.3.1 懸架系統模型的建立

汽車懸架主要分為獨立懸架和非獨立懸架，懸架之間靠車橋連接；獨立懸架相當于是兩個獨立的個體，車輪之間互不影響，可以有效的起到緩沖和減震的效果。通過ADAMS模型數據庫得到的硬點坐標可以對前后懸架建立模型。

2.3.2 動力子系統的模型建立

本文研究的對象是電動汽車，電動汽車的動力系統在其中只提供扭矩的作用，使用ADAMS軟件自帶的動力模型，通過修改模型硬點坐標對模型電機進行簡單的修改，建立電機系統模型。

2.3.3 轉向子系統的模型建立

本文選擇齒輪齒條轉向系統，通過ADAMS建立轉向系統模型。

2.3.4 輪胎模型的建立

ADAMS/Car模型庫中就有很多的輪胎模型可以選擇，Tire模塊就是專門提供輪胎模型選擇的，本文采用的是文件庫里的pac2002_235_40hCG6vDlIe0hDmRN0sVo0vzFV0LMNg+PPGjw/zZtA4/k=R18輪胎來模擬實驗，根據參數建立好的輪胎模型。

2.4 整車模型的建立

在ADAMS/Car中，在Template Builder模式中建立好各子系統，將所建各個子系統模型通過試驗臺組裝一起，從而得到整車多體動力學仿真。

不同布置方案的模型建立。通過測量整車模型的可利用空間，可以得出整體利用空間為830mm×400mm×300mm，底盤為1300mm×530mm×300mm，后艙為600mm×300mm×300mm。

根據上文的不同底盤的布置方案，將電池組模型與整車完成裝配。如圖1所示。

3 不同底盤布置方案的操縱穩定性影響分析

通過電池擺放的位置的改變，分析研究不同底盤布置對汽車操縱穩定性影響，依據國標GB/T 6323—2014為試驗分析依據，選擇蛇形試驗、雙車道變換試驗。在ADAMS/Car中完成以上仿真試驗。

3.1 蛇形駕駛仿真試驗與分析

3.1.1 試驗方法

根據國標GB/T 6323.2-94規定，使用蛇形駕駛仿真，仿真實驗車速依次為45km/h、55 km/h、65 km/h、75 km/h。

3.1.2 試驗仿真結果與分析

仿真結果曲線：橫擺角速度曲線，如圖2所示；車身側傾角曲線，如圖3所示。

通過分析曲線圖可以得出：方案一和方案三的最大橫擺角速度分別為a1max=30.611 m/s2、a3max=30.591m/s2，均比方案二的橫擺角速度a2max=30.586 m/s2大，方案一和方案三的最大車身側傾角分別為N1max=2.013°/s、N3max=1.785°/s，均比方案二的車身側傾角N2max=1.672°/s大，所以方案二電池組得布置方式更能提高整車的操縱穩定性。

3.2 雙車道變換仿真與分析

3.2.1 試驗方法

依據GB/T 25979-2010規定，采用ADAMS中的雙車道虛擬路面進行仿真，試驗汽車以60km/h的速度行駛。

3.2.2 試驗仿真結果與分析

將三個方案的仿真結果進行對比，得出如圖4。

當車輛都以60km/h行駛時，從上述數據可以得出，方案一和方案三的最大車身側傾角分別為N1max=1.314°/s、N3max=1.246°/s，均比方案二的車身側傾角N2max=1.181°/s大。根據以上蛇形試驗、雙車道試驗兩個操縱穩定性試驗的結果分析得出，方案二的底盤布置方案會更有利于提高整車的操縱穩定性。

4 不同底盤布置方案的平順性影響分析

4.1 脈沖輸入平順性仿真與分析

4.1.1 試驗方法

本文根據GB/T4970-2009進行脈沖輸入試驗。本次試驗選擇ADAMS/Car中的擋板路面進行仿真分析，如圖5所示。總仿真時間10s，仿真路程150m，檔位為3，行駛速度分別為40km/h、50km/h、60km/h。

4.1.2 實驗結果分析

行駛過程中保持勻速，并記錄完整的試驗過程。分別得到不同方案下車速40km/h、50km/h、60km/h的加速度時域曲線，如圖5、6、7所示。

由于本次試驗設置了三個方案進行仿真，故只選擇40km/h的垂直加速度的峰值ACCmax進行分析三個方案同個速度進行時的平順性。不同方案在40km/h的垂直加速度的峰值ACCmax結果對比，如表1所示。

依據仿真的車輛垂直加速度的峰值ACCmax進行分析，脈沖輸入試驗的評價指標如圖表1所示。

該結論選取車輛都以40km/h行駛時車輛垂直加速度數據進行分析，從上述數據可以得出，方案一和方案二的垂直加速度分別為a1max=0.5672m/s2、a2max=0.5361m/s2，而方案三的垂直加速度為a3max=0.4779m/s2，根據數據可知，方案三的底盤布置方案更有利于提高整車的平順性。

4.2 隨機不平路面平順性仿真與分析

4.2.1 試驗方法

隨機路面可以在ADAMS/Car ride的路面譜中生成，其中結合了多方面的路面參數，生成了不同等級的路面。本章選擇了系統自帶的B級路面進行此次隨機路面的仿真，仿真時長10s，仿真路程150m，汽車行駛速度分別40km/h、50km/h、60km/h。

4.2.2 實驗結果分析

行駛過程中保持勻速，并記錄完整的試驗過程。分別得到不同方案下車速40km/h、50km/h、60km/h的加速度時域曲線，如圖8、9、10所示。

結論選取車輛都以40km/h行駛時的加權加速度進行分析，從上述數據可以得出，方案一和方案二的加權加速度分別為a1=0.0787m/s2、a2=0.0931 m/s2，而方案三的加權加速度為a3=0.0783m/s2，由于三個方案的加權加速度在人體主觀感受種都處于舒適的位置，但相較于方案一和方案二來說，方案三的底盤布置方案更有利于提高整車的平順性。根據以上脈沖輸入、隨即路面輸入兩個平順性試驗的結果分析得出，方案三的底盤布置方案會更有利于提高整車的平順性。

5 結論與期望

本文研究內容主要是建立不同的底盤布置方案模型，在ADAMS/Car中建立整車和電池組的模型，并對建立的模型進行了操縱穩定性和平順性的仿真試驗，通過數據分析，從而優化底盤布置方案，為后續電動汽車事業貢獻出一份力量。本文完成的主要工作內容：

（1）基于ADAMS Car建立仿真模型，分別建立前后懸架模型、車身模型、傳動系統、電池組模型等仿真模型。

（2）本文重點研究動力電池的布置位置，由于電池不同的布置方案對車輛的影響不同，因此需要通過多體動力學軟件ADAMS對建立起的底盤模型進行操縱穩定性仿真分析并優化，內容主要有：蛇形試驗仿真分析、雙車道變換仿真分析。根據仿真得出的數據表示，方案二的底盤布置方式更有利于提高電動汽車的操縱穩定性。

（3）平順性仿真實驗內容主要有：脈沖輸入仿真分析、隨即路面輸入仿真分析。對試驗的結果進行分析，相同行駛速度下，方案三的加權加速度均方根值相比較于其他兩個方案的低，所以方案三的底盤布置方式更有利于提高電動汽車的平順性。

參考文獻：

[1]榮祥濤.純電動汽車動力電池箱總成布置分析及優化[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[2]應久山.淺析純電動城市客車車身總布置設計[J].汽車博覽，2022（1）：25-27.

[3]吳心平，張博強，賈振華，等.車輪定位參數對整車操縱穩定性的優化分析[J].拖拉機與農用運輸車，2020，47（03）：23-26.