楊凱，連晉毅

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

純電動(dòng)汽車縱臂懸架系統(tǒng)性能優(yōu)化仿真

楊凱，連晉毅*

（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

純電動(dòng)汽車因重心的變化而使其懸架系統(tǒng)的性能與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車相比有很大不同。針對輪轂電機(jī)汽車的這一特性，利用三維繪圖軟件建模并導(dǎo)入ADAMS建立多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行轉(zhuǎn)向模擬仿真用以驗(yàn)證雙縱臂懸架系統(tǒng)在電動(dòng)車上的可行性；在此基礎(chǔ)之上，對懸架系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾特性和轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行分析。分析表明，通過優(yōu)化懸架的結(jié)構(gòu)可彌補(bǔ)電動(dòng)汽車可能出現(xiàn)的過多轉(zhuǎn)向特性和側(cè)傾特性，而優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)可滿足電動(dòng)車的靜動(dòng)態(tài)特性要求。

純電動(dòng)汽車；縱臂懸架；仿真優(yōu)化

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-44-04

引言

隨著石油資源的日益減少，人類生活環(huán)境遭到越來越嚴(yán)重的破壞，純電動(dòng)汽車將會被運(yùn)用在越來越多的領(lǐng)域里。越來越多的國內(nèi)外院校以及汽車運(yùn)輸行業(yè)開始重視電動(dòng)汽車的研發(fā)和生產(chǎn)。較之傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，純電動(dòng)汽車對環(huán)境的污染可以達(dá)到最小，噪聲得到很好地抑制，在較低車速時(shí)有著良好的加速能力，因此純電動(dòng)汽車作為城際代步車輛，園區(qū)專用車輛，城市特種車輛都有很好的發(fā)展前景。

縱臂懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，占用車身橫向空間更少，適合純電動(dòng)汽車布置，可以增加底盤中電池組件的空間，安裝更大電池可以顯著提高純電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程。純電動(dòng)汽車由于結(jié)構(gòu)上較燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車取消了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器等機(jī)械部件，并在底盤的很大空間布置電池組件，所以純電動(dòng)汽車底盤的重心位置勢必會發(fā)生變化，導(dǎo)致燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的懸架系統(tǒng)不能直接用在純電動(dòng)汽車上。

本文以某輕型電動(dòng)車輛的懸架系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立前后車橋均為雙縱臂式非獨(dú)立懸架的系統(tǒng)模型，初步對整車進(jìn)行路面行駛仿真以驗(yàn)證雙縱臂懸架系統(tǒng)在純電動(dòng)車上的可行性。由于影響懸架系統(tǒng)性能的因素有很多，本文通過改變雙縱臂式非獨(dú)立懸架系統(tǒng)左右縱臂間距的大小，對轉(zhuǎn)向過程中的各性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，找到最適宜純電動(dòng)汽車行駛性能的懸架方案。

1、雙縱臂懸架系統(tǒng)工作原理分析

本文所用整體式車橋縱臂懸架系統(tǒng)如圖1所示，縱臂一端與車橋相連，另一端與車架相連；減震器一端與車橋相連，另一端與車架相連。

1/4懸架的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中m1為非簧載質(zhì)量，m2為簧載質(zhì)量，L為縱臂長度（上下兩縱臂等長），K為懸架剛度，C為懸架阻尼，K1為輪胎剛度，q為路面激勵(lì)。車輛在平整路面行駛時(shí)，由縱臂和減震器共同支撐車身起到懸架的作用。當(dāng)遇到不平路面時(shí)，路面激勵(lì)q使一側(cè)車輪跳動(dòng)通過輪胎（K1）傳遞到車橋，車輪跳動(dòng)會壓縮或伸張一側(cè)減震器，同時(shí)該側(cè)的上下雙縱臂會繞與車架相鉸接的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，若兩側(cè)車輪均發(fā)生跳動(dòng)，會同時(shí)壓縮或伸張兩個(gè)減震器，左右四個(gè)縱臂同時(shí)圍繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而保持車架的平穩(wěn)。由于縱臂與車架直接相連，電動(dòng)車車架上布置電池組件，因此該懸架系統(tǒng)縱臂受力比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的縱臂系統(tǒng)受力更大，有必要對懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化使其更適合電動(dòng)汽車。

圖1 雙縱臂懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 二自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型

懸架系統(tǒng)中影響懸架系統(tǒng)性能的參數(shù)很多，任意改變一個(gè)參數(shù)都對懸架的性能會發(fā)生變化，全部考慮會使計(jì)算強(qiáng)度過大。本文著重考慮某些參數(shù)，例如左右側(cè)縱臂間距的改變對于懸架性能的影響和對整車行駛的影響。以下便是建立仿真模型和參數(shù)優(yōu)化過程。

2、電動(dòng)汽車縱臂懸架模型建立

ADAMS中，輪胎和路面的添加應(yīng)最大限度的和實(shí)際汽車行駛狀況相符。本文所研究系統(tǒng)的輪胎參數(shù)如表2所示。

利用SolidWorks軟件建立純電動(dòng)汽車的懸架和底盤的三維模型。將模型文件導(dǎo)入ADAMS/View軟件，在ADAMS/ View中對各部分零件賦予密度屬性和質(zhì)量屬性?？v臂懸架模型關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

“哎——撿垃圾的，我這有個(gè)空瓶，要不要？”身后突然傳來一個(gè)女孩的聲音時(shí)，我禁不住回過頭，大聲喊：“你才撿垃圾的，不要！”沒想到秦風(fēng)卻回過頭應(yīng)了聲：“要！”

根據(jù)汽車?yán)碚撆c汽車構(gòu)造知識可知，雙縱臂懸架的上下縱臂需要設(shè)計(jì)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)能夠在汽車運(yùn)動(dòng)過程中避免懸架系統(tǒng)互相干涉而引起的行駛問題。本文通過改變左右雙縱臂懸架的間距來完成對懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)化。底盤三維模型如圖3所示。

圖3 雙縱臂懸架系統(tǒng)底盤模型

表1 縱臂懸架系統(tǒng)模型參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)向側(cè)傾角優(yōu)化

由于學(xué)生會同時(shí)使用兩種或兩種以上的詞典，因此百分比相加的總和會大于100。表4說明兩組都有大約三分之二的學(xué)生選擇使用在線詞典(使用手機(jī)上網(wǎng))，譬如，有道、谷歌、金山詞霸，約五分之一的學(xué)生選擇使用電子詞典，如：步步高、文曲星。在紙質(zhì)詞典的選擇方面，兩組有很大的差別，英語四級分?jǐn)?shù)大于等于500分的學(xué)生中有47%使用紙質(zhì)詞典，而另一組卻只有21%使用，不過，這21%的份額中，有將近50%的學(xué)生填寫的所使用的紙質(zhì)詞典為漢英詞典，使用目的主要是完成漢譯英學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)方便進(jìn)行查詢。

2.1 縱臂懸架模型的建立

表2 輪胎參數(shù)

可以用來評價(jià)汽車轉(zhuǎn)向性能的參數(shù)有三個(gè)：前后輪側(cè)偏角絕對值之差；轉(zhuǎn)向半徑的比；靜態(tài)儲備系數(shù)。本文運(yùn)用靜態(tài)儲備系數(shù)分析純電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向?qū)τ趥鹘y(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向有何不同。靜態(tài)儲備系數(shù)（S.M.）的計(jì)算公式如式（2）所示。

患者在藥師協(xié)作下制定家庭健康計(jì)劃，如戒煙計(jì)劃、肺康復(fù)計(jì)劃（有效排痰、呼吸肌鍛煉、肌肉鍛煉、營養(yǎng)支持、家庭氧療等）、飲食生活計(jì)劃（避免室內(nèi)外空氣污染等誘因、飲食指導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)注意事項(xiàng)等）以及教育患者關(guān)注的急性期癥狀（痰色變化、呼吸困難加重等）及處理措施（及時(shí)就診等），將具體步驟列在表中，囑咐患者在日常生活中記錄以上實(shí)際行為，以便藥師在下次隨訪時(shí)對比計(jì)劃與實(shí)際行為，對患者提出建議與激勵(lì)，從而提高患者依從性。

3、縱臂懸架系統(tǒng)的優(yōu)化

分別設(shè)置5組不同的前橋左右縱臂水平距離值。原始左右縱臂水平距離值為第 3組所定義的值，的取值范圍內(nèi)取5組不同的值進(jìn)行仿真優(yōu)化，將制好的表格導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行仿真分析。優(yōu)化時(shí)用到的各組左右縱臂水平距離值如表3所示。

表3 5組不同左右縱臂水平距離值

2.2 輪胎與路面參數(shù)的建立

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國人民的生活水平不斷提高,人民群眾對于醫(yī)療服務(wù)的要求也就變得更加個(gè)性化。臨床藥師參與臨床藥物治療工作,能夠進(jìn)一步提高對患者用藥治療的安全性、合理性及有效性,同時(shí)還促進(jìn)了患者對藥物治療的依從性,對其臨床治療效果的提升具有很大的意義。

定義獨(dú)立變量X和y,在X中的溫度變量數(shù)為p,數(shù)據(jù)集T可以描述為:T={(x1,y1),…,(xn,yn)},其中xi∈X?Rp,yi∈y?R1。

圖4 轉(zhuǎn)向側(cè)傾角

圖5 轉(zhuǎn)向側(cè)傾角局部放大圖

從圖5中可以看出第4組縱臂水平距離所代表的曲線在轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾角達(dá)到的最大值較其他曲線更小。第2組曲線對應(yīng)的縱臂水平距離使側(cè)傾角達(dá)到最大。

本文通過對汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車身側(cè)傾角變化的測量得到不同組縱臂水平間距下側(cè)傾角的變化曲線。車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)車身會產(chǎn)生傾斜的現(xiàn)象稱之為車身側(cè)傾，車輛均會出現(xiàn)側(cè)傾的現(xiàn)象，但側(cè)傾的角度大小則與懸架的形式以及優(yōu)化程度有關(guān)，車身側(cè)傾角過大會使車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)翻車，因此對轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)傾角進(jìn)行測量是十分有必要的。使汽車加速至30km/h時(shí)進(jìn)行30o的轉(zhuǎn)向行駛，在此過程中測量側(cè)傾角大小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為表3所用參數(shù)。側(cè)傾角仿真曲線如圖4所示，圖5為其局部放大圖。

3.2 轉(zhuǎn)向半徑優(yōu)化

ADAMS中路面的添加和輪胎的添加是同時(shí)進(jìn)行的，在輪胎添加過程中，創(chuàng)建用于雙縱臂懸架系統(tǒng)行駛的路面譜。由于本文所研究的為輕型純電動(dòng)汽車所以選擇在較好路面下的行駛工況作為研究目標(biāo)，因此將路面附著系數(shù)設(shè)定為為0.9。

S.M.=a'-aL （2）

式（2）中是中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)至前軸距離，是汽車質(zhì)心至前軸距離，是軸距。時(shí)汽車為中性轉(zhuǎn)向，時(shí)汽車為不足轉(zhuǎn)向，時(shí)汽車為過多轉(zhuǎn)向。電動(dòng)車輛由于在結(jié)構(gòu)上減去了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等裝置，在底盤中安裝大量電池組件，由此可知電動(dòng)汽車的質(zhì)心位置較傳統(tǒng)汽車質(zhì)心位置會發(fā)生變化。在軸距相同的條件下，電動(dòng)汽車輛底盤質(zhì)心位置比普通車輛底盤質(zhì)心位置要靠后一些，這樣的變化會使公式（2）中的的值由大變小甚至變?yōu)樨?fù)值，即車輛的過多轉(zhuǎn)向特性會更加明顯，因此對純電動(dòng)汽車的懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整來平衡質(zhì)心位置上的變化而引起的問題是十分必要的。

滑動(dòng)聚束方式下波束在地面照射區(qū)域具有一定移動(dòng)速度vf，因此在增加定點(diǎn)聚束每個(gè)波位脈沖駐留數(shù)，打破波束掃描速度與飛機(jī)平臺速度的平衡，進(jìn)而使得波束在地面照射區(qū)域具有一定的移動(dòng)速度。這里引進(jìn)滑動(dòng)系數(shù)k(k≥1)，滑動(dòng)聚束方式下，波位駐留脈數(shù)N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通過設(shè)置k的取值，調(diào)節(jié)波束在地面的滑動(dòng)速度。

利用表3的5組縱臂水平距離值分別測量模型在轉(zhuǎn)向時(shí)的半徑值，圖6所示為轉(zhuǎn)向半徑數(shù)值曲線在18s到22s區(qū)間的局部放大曲線。從圖6中可以看出，縱臂水平位置的改變對轉(zhuǎn)向半徑的大小改變不是十分明顯，基本維持在5.8m-6m的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)，第4組實(shí)驗(yàn)使轉(zhuǎn)向半徑均值達(dá)到了最小值5.688m，但從圖中可以看出，第4組實(shí)驗(yàn)的曲線相較其他曲線跳動(dòng)幅度最大，最為平穩(wěn)的曲線則是第2組實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向半徑均值為5.775m,綜上可知，第2組實(shí)驗(yàn)，即縱臂水平距離為0.6m時(shí)，模型轉(zhuǎn)向半徑值達(dá)到最優(yōu)。

圖6 轉(zhuǎn)向半徑數(shù)值曲線局部放大圖

從圖5、圖6提取相關(guān)數(shù)值記錄成表格，如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

從表4中可以看出不同的左右縱臂水平距離對模型的轉(zhuǎn)向半徑的影響不大，所有曲線在22s的數(shù)值均大于在18s時(shí)的數(shù)值，即轉(zhuǎn)向半徑均增大，說明該模型在轉(zhuǎn)向時(shí)有一定的轉(zhuǎn)向不足特性，符合實(shí)際的轉(zhuǎn)向情況。當(dāng)左右縱臂距離為0.8m時(shí)轉(zhuǎn)向半徑均值達(dá)到最小，但曲線的波動(dòng)較大。轉(zhuǎn)向半徑最為平穩(wěn)的是第2組實(shí)驗(yàn)。在汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾角方面，不同左右縱臂水平距離對側(cè)傾角大小影響較大，第2組實(shí)驗(yàn)的側(cè)傾角最大值達(dá)到11.682o，當(dāng)左右縱臂水平距離在0.8m時(shí)車輛的側(cè)傾角最小為6.094o，并且轉(zhuǎn)向過程最為平穩(wěn)。當(dāng)綜合模型轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向側(cè)傾角的數(shù)值可以看出當(dāng)左右縱臂水平距離為0.8m時(shí)，各項(xiàng)數(shù)值均為最優(yōu)值。

老田看做不通侯大同的工作，就轉(zhuǎn)向湯翠，答應(yīng)再額外偷偷補(bǔ)給湯翠他們十萬元現(xiàn)金。湯翠當(dāng)然沒意見，可侯大同卻是一副刀槍不入的樣子，死活不答應(yīng)。

4、結(jié)論

本文利用電動(dòng)機(jī)汽車懸架的特點(diǎn)對三維模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)向行駛的分析，通過改變左右縱臂水平距離的值分別進(jìn)行分析，得出轉(zhuǎn)向行駛時(shí)汽車的轉(zhuǎn)向半徑和車身側(cè)傾角的值。通過分析可知當(dāng)所設(shè)計(jì)的模型左右側(cè)縱臂間距發(fā)生變化時(shí)轉(zhuǎn)向側(cè)傾角變化較大，而轉(zhuǎn)向半徑的值變化較小，從5組曲線可知，優(yōu)化的懸架結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)電動(dòng)汽車可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向側(cè)傾角過大和過多轉(zhuǎn)向特性。

通過對各仿真曲線的分析計(jì)算，得到了模型轉(zhuǎn)向半徑以及轉(zhuǎn)向側(cè)傾角的均值表，通過分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步選出了最優(yōu)的懸架布置方案。由此可知，對于純電動(dòng)汽車而言，傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)不能直接運(yùn)用，需要通過優(yōu)化和調(diào)整才能滿足純電動(dòng)汽車的行駛特性。

[1] 王冬成, 潘筱, 王亞南.雙縱臂式非獨(dú)立后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(6):28-31.

[2] 孫延文.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的懸架參數(shù)優(yōu)化及汽車平順性仿真[D].長春：長春工業(yè)大學(xué),2015.

[3] 帥珍輝.電動(dòng)輪車專用底盤懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化匹配[D].長春:吉林大學(xué),2015.

[4] 李晏,王春廷等.一種雙縱臂式懸架輪邊電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用交流,2015,07:49-53.

[5] NAGAYA G，WAKAO Y，ABE A．Development of an in-wheel drive with advanced dynamic-damper mechanism［J］．JSAE Review，2003,24(4):477-481．

[6] 劉永騰.基于ADAMS和SIMULINK的多軸電動(dòng)車建模與操縱穩(wěn)定性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

[7] 李景宇.基于ADAMS多軸車輛平順性分析及優(yōu)化[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

Battery electric vehicle trailing arm suspension system’s performance optimization simulation

Yang Kai, Lian Jinyi*
( School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Shanxi Taiyuan 030024 )

A Compared with fuel engine cars, the pure electric vehicle’s centre-of-gravity position has changed, and it affect the performance of the suspension system. In view of the electric car’s double trailing arm suspension system, this article uses Solidworks to build the model and parameterizes it ,than build the 3D ADAMS model to analysis the vehicle’s steering dynamic characteristics. On this basis, this article tests and optimizes the mechanical performance of the suspension system, the steering characteristics and the steering radius. Data shows that the more steering characteristic and the more rolling characteristic of the pure electric vehicle can be reduced through the optimization of the suspension system, and the ameliorated suspension system can satisfy the static and dynamic requirements of the pure electric vehicles.

pure electric vehicle; double trailing suspension; simulation; optimization

U461.2

A

A1671-7988 (2017)01-44-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.017

楊凱（1989-），男，就讀于太原科技大學(xué)。研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)車輛。通訊作者：連晉毅（1964-）男（漢族），教授，碩士研究生導(dǎo)師，就職于太原科技大學(xué)。主要研究領(lǐng)域?yàn)檐囕v、機(jī)械?；痦?xiàng)目：本文得到山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201603D 121026）、校研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（20151024）的支持。