史 業(yè)， 王 騫， 華 典， 蘭天虹， 于亨通， 張 昕

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044)

0 引言

電動(dòng)車(chē)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)相比，在整車(chē)質(zhì)量大小、能源提供形式、載荷分布、管線走向等多方面存在較大差異，同時(shí)也使電動(dòng)車(chē)各部件的布置具有很大的靈活性。本文針對(duì)MICRO-哈利電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行底盤(pán)布置方案分析，該車(chē)采用輪轂電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車(chē)用動(dòng)力電池組為動(dòng)力源，取消了傳統(tǒng)車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成及傳動(dòng)系統(tǒng)，整車(chē)質(zhì)心位置及簧載質(zhì)量均發(fā)生了變化，動(dòng)力電池組由于體積大、質(zhì)量重，其布置方式及位置對(duì)電動(dòng)車(chē)操縱穩(wěn)定性影響很大。為了使純電動(dòng)車(chē)輛底盤(pán)結(jié)構(gòu)布置更加合理和緊湊，本文針對(duì)電動(dòng)車(chē)的特殊性，從動(dòng)力學(xué)優(yōu)化分析方面著手，提出純電動(dòng)車(chē)底盤(pán)布置方案，將三維模型與動(dòng)力學(xué)分析相結(jié)合，對(duì)三種動(dòng)力電池組布置方案進(jìn)行整車(chē)操縱穩(wěn)定性對(duì)比分析，以獲得最優(yōu)方案。

1 UG模型建立

本文采用UG軟件構(gòu)建了MICRO-哈利電動(dòng)汽車(chē)的底盤(pán)三維模型，該軟件為一個(gè)交互式CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)人用戶的迅速增長(zhǎng)，在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的增長(zhǎng)，目前已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用。

以MICRO-哈利電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，獲取整車(chē)技術(shù)參數(shù)、尺寸(幾何定位)參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)(剛度、阻尼等特性)，利用UG軟件分別建立麥弗遜式前懸架，轉(zhuǎn)向系，非獨(dú)立式后懸架，輪胎三維模型，并組建整車(chē)三維模型，補(bǔ)充確定汽車(chē)各總成的質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量特性參數(shù)，使后續(xù)模型動(dòng)力學(xué)分析更為準(zhǔn)確［1］。

建立UG仿真模型如圖1～3所示。

圖1 前懸架UG模

圖2 后懸架UG模型

圖3 整車(chē)UG模型

2 ADAMS整車(chē)虛擬樣機(jī)仿真模型建立

本文在ADAMS/car模塊中建立優(yōu)化后的整車(chē)虛擬樣機(jī)模型。

首先對(duì)車(chē)輛的各系統(tǒng)進(jìn)行物理模型的抽象簡(jiǎn)化，懸架零部件中除了彈性元件，其余元件全部看成剛體，為分析問(wèn)題的簡(jiǎn)便性，車(chē)身也看成剛體;獲取各個(gè)系統(tǒng)的幾何參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、力學(xué)參數(shù);建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎、麥弗遜式前獨(dú)立懸架、后懸架以及車(chē)身虛擬樣機(jī)的模板模型，再在標(biāo)準(zhǔn)模式下由模板模型建立子系統(tǒng)模型;分別建立各個(gè)子系統(tǒng)的通訊器接口;在ADAMS/Car中，通過(guò)通訊器把各個(gè)子系統(tǒng)裝配起來(lái)，得到整車(chē)虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖4［2-3］所示。電動(dòng)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 整車(chē)模型

表1 電動(dòng)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

3 質(zhì)心點(diǎn)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案

影響汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的因素有很多，前后軸質(zhì)量和承載變化是其中重要因素。本試驗(yàn)中電動(dòng)車(chē)體積較小，質(zhì)量較輕，動(dòng)力電池組的質(zhì)量相對(duì)于整車(chē)總質(zhì)量占有較大比例，可以通過(guò)調(diào)整電池布局來(lái)改變質(zhì)心點(diǎn)，進(jìn)而比較整車(chē)操縱穩(wěn)定性。在此提出三種底盤(pán)布局方案，如圖5所示。分別分析三種布局方案下的操縱穩(wěn)定性，最后選出最優(yōu)方案。

圖5 三種布局方案

圖中:方案1，后備箱2×1塊電池，剩余兩塊電池對(duì)稱擺放在底盤(pán)中部;方案2，后備箱2×2塊電池，質(zhì)心位于中軸，相比方案1質(zhì)心點(diǎn)后移;方案3，電池2×2塊對(duì)稱擺放在底盤(pán)中部，相比方案1質(zhì)心點(diǎn)前移。

通過(guò)ADAMS/Car的質(zhì)量調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)整車(chē)虛擬仿真模型質(zhì)心的前后位置。

4 不同質(zhì)心點(diǎn)對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

目前，各國(guó)采用的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法很多，常見(jiàn)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法有轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)(角脈沖輸入試驗(yàn))、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)(角階躍輸入試驗(yàn))、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)、蛇行試驗(yàn)［4］等。

4.1 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)仿真試驗(yàn)1

用轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角脈沖輸入瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)汽車(chē)受到外來(lái)因素干擾時(shí)的反應(yīng)。

虛擬車(chē)模型初始沿直線行駛，隨后向轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入一個(gè)三角脈沖轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)向盤(pán)被擾動(dòng)，隨即迅速轉(zhuǎn)回原位保持不變，直至虛擬車(chē)恢復(fù)直線行駛狀態(tài)。輸入三角脈沖的脈寬為0.3～0.5 s，最大轉(zhuǎn)角應(yīng)使過(guò)程中最大側(cè)向加速度為4 m/s2，觀測(cè)仿真過(guò)程虛擬車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系

圖7 側(cè)向加速度與時(shí)間的關(guān)系

圖8 橫擺角速度與時(shí)間的關(guān)系

考慮操縱穩(wěn)定性，希望共振時(shí)的增幅比小些，共振頻率較高，以使不同工況下失真度較小，可以達(dá)到相對(duì)較好的操縱穩(wěn)定性;并希望相位差小些，以保證汽車(chē)有快速靈活的反應(yīng)［5］。從以上圖中簡(jiǎn)單分析可以得出:對(duì)于峰值，方案3相對(duì)較低，其中橫擺角速度與時(shí)間關(guān)系曲線較明顯，側(cè)向加速度峰值方案3較方案1要低4°/s左右，較方案2約低2.5°/s。對(duì)于共振頻率與相位差，由圖可看出:方案3達(dá)到波峰時(shí)間最短，故方案3共振頻率較高。由橫擺角速度圖的第一個(gè)波峰所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化圖波峰對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)比較可知:方案3對(duì)應(yīng)時(shí)間值相差較小，故方案3相位差較小。因此方案3的操縱穩(wěn)定性較方案1、2有所提高。

4.2 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)仿真試驗(yàn)2

用轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈敏度及整車(chē)隨動(dòng)性能。

虛擬車(chē)模型初始滿載并沿直線行駛，隨后在0.2 s時(shí)間內(nèi)將方向盤(pán)從0°轉(zhuǎn)到50°，隨后方向盤(pán)轉(zhuǎn)角不變并保持車(chē)速，觀測(cè)仿真過(guò)程虛擬車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［6］，結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 側(cè)向加速度與時(shí)間關(guān)系圖

圖10 橫擺角速度與時(shí)間關(guān)系圖

圖11 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與時(shí)間關(guān)系圖

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):方案3(質(zhì)心前移)汽車(chē)的側(cè)向加速度和橫擺角速度峰值和穩(wěn)態(tài)值都有所減小，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間也縮短，提高了汽車(chē)瞬態(tài)響應(yīng)性能。方案1和方案2質(zhì)心逐漸向后偏移，汽車(chē)的側(cè)向加速度和橫擺角速度峰值和穩(wěn)態(tài)值都有所增加，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間也變長(zhǎng)。因此，對(duì)于本車(chē)來(lái)說(shuō)，質(zhì)心位置適度前移有利于提高整車(chē)的操縱穩(wěn)定性。

4.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

試驗(yàn)在滿載工況下進(jìn)行，根據(jù)國(guó)標(biāo) GB /T6323.6-94，對(duì)虛擬車(chē)采用固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角連續(xù)加速的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)［7］。試驗(yàn)中首先使虛擬車(chē)以最低的穩(wěn)定速度沿所畫(huà)圓周行駛，達(dá)到穩(wěn)定后固定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，緩慢均勻加速至側(cè)向加速度達(dá)到6.5g，或雖未達(dá)到此側(cè)向加速度，但已達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大值或虛擬車(chē)發(fā)生側(cè)滑時(shí)為止，觀測(cè)仿真全過(guò)程虛擬車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果如圖12所示。

圖12 行駛半徑與時(shí)間的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向過(guò)度［8］三種。從安全性，或者說(shuō)操縱穩(wěn)定性的角度看，適度的轉(zhuǎn)向不足是比較好的選擇，因?yàn)檗D(zhuǎn)向不足比較容易修正，且可以使車(chē)輛在較低的速度就能夠進(jìn)入衡定狀態(tài)，當(dāng)車(chē)輛發(fā)生轉(zhuǎn)向不足時(shí)，車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)增大，從而使得離心力減小，隨著離心力的減小，地面附著力將有可能提供所需要的驅(qū)動(dòng)力和離心力，從而使車(chē)輛趨于穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。相反，如果發(fā)生了轉(zhuǎn)向過(guò)度，則轉(zhuǎn)彎半徑變小，離心力會(huì)逐漸變大，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛進(jìn)一步的轉(zhuǎn)向過(guò)度，直至失控甩尾，后果非常嚴(yán)重。因此，對(duì)于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，都希望有適度的轉(zhuǎn)向不足特性，這樣可以有效地避免轉(zhuǎn)向過(guò)度的情況，保證駕駛安全［9-12］。

由于輪胎與路面間的附著力是有限的。當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輛產(chǎn)生的離心力和驅(qū)動(dòng)力大于與地面附著力時(shí)，輪胎就會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。除了輪胎與路面特性的因素外，汽車(chē)質(zhì)心點(diǎn)的分布對(duì)滑動(dòng)形式的影響也是很大的。當(dāng)滑動(dòng)輪胎位于前輪，就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向不足;而滑動(dòng)輪胎位于后輪，則會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向過(guò)度［13-16］。

從圖可見(jiàn)，三種布局方案下，虛擬車(chē)都具有一定的不足轉(zhuǎn)向，隨著側(cè)向加速度的增加，汽車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑也隨之增大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，方案3的不足轉(zhuǎn)向更明顯一點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在電動(dòng)車(chē)總布置設(shè)計(jì)中，選取對(duì)質(zhì)心點(diǎn)影響較大的電池布置問(wèn)題，提出了三種方案，從影響安全的操縱穩(wěn)定性角度，運(yùn)用CADAMS/Car軟件建立虛擬車(chē)仿真模型，進(jìn)行不同狀態(tài)下的模擬試驗(yàn)和分析，進(jìn)而選擇最優(yōu)方案。由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在原車(chē)型電池?cái)[放位置基礎(chǔ)上，質(zhì)心點(diǎn)適量前移能夠提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。因此，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的特殊性，提出選擇方案三進(jìn)行底盤(pán)布置的優(yōu)化。

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［7］ GB/T 6323.6—94汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法:穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994:2-6.

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