劉惠佳

（魯東大學(xué)，山東 煙臺 264001）

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車產(chǎn)品給人們帶來諸多便利的同時(shí)，也帶來了諸如環(huán)境污染和能源危機(jī)等的問題。汽車行業(yè)在尋求轉(zhuǎn)型升級的同時(shí)，新能源技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，眾多汽車企業(yè)開始大力發(fā)展新能源汽車。中國國家發(fā)展改革委員會(huì)發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定》中指出要汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級加快，行業(yè)趨勢逐漸向新能源汽車過渡[1]。

由于存在電動(dòng)汽車重新研發(fā)周期漫長且測試方面的費(fèi)用較高等缺點(diǎn)，而電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的結(jié)構(gòu)布局類似，燃油車與電動(dòng)車的生產(chǎn)方式與生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)變較為容易實(shí)現(xiàn)，采用油改電方式而進(jìn)行電動(dòng)汽車的制造，可以直接套用燃油車平臺，通過削減車輛配置來平衡由于電池而增加的整車成本，油改電的研發(fā)周期更短，對燃油車進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整與參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)而制造出符合當(dāng)下汽車發(fā)展潮流的電動(dòng)車。

文章利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS/Car軟件，按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》對油改電車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價(jià)方法》對所得結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)分析。燃油車改電動(dòng)車過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方案。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

自電動(dòng)車問世以來，對電動(dòng)車的優(yōu)化設(shè)計(jì)就一直在不斷發(fā)展。2003年，開始對電動(dòng)車建立動(dòng)力系統(tǒng)模型并對其動(dòng)力性能進(jìn)行研究[2]。2010年，對電動(dòng)車車架結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化引入了整車模型利用仿真技術(shù)進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對電動(dòng)車進(jìn)行性能仿真分析研究以進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)[3]。2011年，利用整車虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行操穩(wěn)仿真實(shí)驗(yàn)對電動(dòng)車懸架進(jìn)行優(yōu)化[4-5]。2014年，增程式電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)和動(dòng)力性能的優(yōu)化開始涌現(xiàn)，對整車進(jìn)行動(dòng)力性仿真對汽車主要參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化[6]。2017年，將整車控制系統(tǒng)劃分成多個(gè)子系統(tǒng)加以分析[7]。2018年，對電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，從而確定最優(yōu)的動(dòng)力參數(shù)匹配方案[8]。2019年，出現(xiàn)對汽車運(yùn)行中車身形態(tài)的設(shè)計(jì)研究[9]。2020年，對電動(dòng)車在不同行駛狀況下對車輛參數(shù)的優(yōu)化[10-11]。

從上述發(fā)展過程看出，電動(dòng)車的研究是從已有電動(dòng)車基礎(chǔ)上對部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸向整車模型的整體性能分析過渡，分析方向也從結(jié)構(gòu)上的研究逐漸向參數(shù)優(yōu)化方向上發(fā)展，參數(shù)優(yōu)化從單一的針對性優(yōu)化到整合后的整體優(yōu)化。目前對電動(dòng)車的研究主要有車身輕量化的研究[12]、電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)橋的輕量化[13]，電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[14]、電動(dòng)車電機(jī)應(yīng)用研究[15]，鮮有對油改電動(dòng)車進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性的分析與研究以及對油改電動(dòng)車參數(shù)優(yōu)化的研究。

鑒于上述現(xiàn)狀，本文通過對整車模型進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真，采用模塊化思想，通過閉環(huán)計(jì)算方式優(yōu)化局部機(jī)構(gòu)的參數(shù)后，將參數(shù)整合進(jìn)而輸出優(yōu)化結(jié)果，最終得出結(jié)論。

2 整車操穩(wěn)性仿真試驗(yàn)

2.1 整車模型的建立

在Adams/car中進(jìn)行整車模型建立，為了節(jié)省建模時(shí)間，選擇直接調(diào)用Adams/car模板庫中的模型，對整車參數(shù)做部分修改得到整車模型[16]。選取共享數(shù)據(jù)庫中的MDI_Demo_Vehicle_lt.asy模型文件為整車基礎(chǔ)模型，整車基本參數(shù)見表1。因?yàn)槟g(shù)公式Pac2002模型能夠較為準(zhǔn)確地表達(dá)輪胎力學(xué)特性，其在汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析中表現(xiàn)出色[17]，所以實(shí)驗(yàn)輪胎采用pac2002_205_55R16輪胎模型。

表1 整車基本參數(shù)表

2.2 蛇行路線試驗(yàn)

根據(jù)GB 6323—2014[18]相關(guān)規(guī)定，在蛇行實(shí)驗(yàn)場地中設(shè)置10根標(biāo)樁，駕駛員駕駛汽車按照基準(zhǔn)車速蛇行通過標(biāo)樁區(qū)，中間6根標(biāo)樁的間距為有效標(biāo)樁區(qū)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了乘用車基準(zhǔn)車速65 km/h[19]。進(jìn)行駕駛員控制文件和駕駛員控制的數(shù)據(jù)文件的編寫，通過控制方向盤輸入轉(zhuǎn)角使汽車進(jìn)行繞樁行駛。駕駛員控制文件需要駕駛員控制數(shù)據(jù)文件提供變化參數(shù)，通過數(shù)據(jù)文件對汽車的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，使汽車按照預(yù)定軌跡路線行駛和轉(zhuǎn)向[20]。實(shí)驗(yàn)按照國標(biāo)規(guī)定的蛇行實(shí)驗(yàn)路線進(jìn)行汽車行駛軌跡的確定，通過與相關(guān)研究中側(cè)向加速度擬合曲線的對比，進(jìn)行閉環(huán)仿真計(jì)算，得到蛇行實(shí)驗(yàn)側(cè)向加速度曲線如圖1所示。

圖1 側(cè)向加速度

3 問題分析及優(yōu)化方案的選擇

3.1 問題分析

對試驗(yàn)車輛進(jìn)行加重500kg后進(jìn)行操穩(wěn)性仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示試驗(yàn)車輛的車身側(cè)傾角和方向盤轉(zhuǎn)角出現(xiàn)較大增加，按照QC/T 480-1999[21]進(jìn)行評分計(jì)算可得平均橫擺角速度峰值r的評分Nr=72.90，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ的評分Nθ=81.01，根據(jù)公式（1）計(jì)算綜合評分為NS=75.60。從上述分析結(jié)果可以看出，平均橫擺角速度評分偏低，導(dǎo)致蛇行仿真試驗(yàn)綜合評分值的下降，表明汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案的選擇

對汽車操穩(wěn)性影響較大的參數(shù)主要包括前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角等。前束角可以消除車輪外傾所帶來的不良影響并且能夠減少車輪的前張[22]。主銷內(nèi)傾角可在車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)利用地面對車輪的反作用力使車輪回正。前輪外傾角與前束角相配合，可以提高汽車操穩(wěn)性。在大多數(shù)的駕駛情況下，前輪應(yīng)保持或接近0°的外傾角γ，并且在車輪上下跳動(dòng)時(shí)，希望外傾角變化較小，以減少輪胎的磨損，故車輪外傾角γ的取值一般處于0.5-2°的范圍內(nèi)[23]。外傾角的存在使車輪在正常行駛過程中像滾錐一樣向兩側(cè)滾開，而轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)的存在使其不能向兩側(cè)滾動(dòng)，在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的力使車輪出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，輪胎的磨損增加并導(dǎo)致其壽命縮短。為了消除車輪外傾所帶來的上述不良現(xiàn)象，安裝車輪時(shí)都會(huì)預(yù)留出前束，其取值一般在0-12mm內(nèi)[24]。

鑒于此，本文確定的優(yōu)化目標(biāo)為：調(diào)整整車的前束角、外傾角、前后彈簧安裝長度，控制各參數(shù)在允許范圍內(nèi)并提高整車在操縱穩(wěn)定性上的得分，方案依照模塊化車身架構(gòu)的思路，解決車身同架構(gòu)下不同平臺之間的差異，車身在保證其主體架構(gòu)相同的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整局部車身結(jié)構(gòu)來滿足車身模塊化的共享架構(gòu)要求[7]，對車身下體結(jié)構(gòu)中的懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

本文選擇前輪前束角、前輪外傾角和懸架彈簧安裝長度作為優(yōu)化變量，采用控制變量的方法，在各參數(shù)變化范圍內(nèi)，將各參數(shù)分梯度，對各參數(shù)對應(yīng)每一梯度進(jìn)行操穩(wěn)性試驗(yàn)，取得最優(yōu)結(jié)果對應(yīng)的參數(shù)梯度值，將最優(yōu)解對應(yīng)參數(shù)整合再次進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行上述過程形成閉環(huán)循環(huán)進(jìn)而形成反饋閉環(huán)控制，得到最終的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化參數(shù)表

對試驗(yàn)車輛進(jìn)行蛇形實(shí)驗(yàn)仿真，得到未優(yōu)化試驗(yàn)車和優(yōu)化后的試驗(yàn)車的數(shù)據(jù)對比分析如表3、圖2、圖3所示。

表3 數(shù)據(jù)對比表

圖2 汽車橫擺角速度

圖3 汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

4 結(jié)果分析

汽車車輪外傾角和前束角的增大在側(cè)向加速度處于峰值附近時(shí)，汽車的側(cè)向加速度有所減小，有利于車身穩(wěn)定性的提高。平均橫擺角速度峰值評分與平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值評分均呈現(xiàn)上升趨勢，蛇行仿真試驗(yàn)的綜合評價(jià)得分得到提高。在對試驗(yàn)車輛進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，汽車的操縱穩(wěn)定性得到了提升。

5 結(jié)語

綜上所述，在對燃油車進(jìn)行油改電改造時(shí)，針對可能出現(xiàn)的整車質(zhì)量增加的問題，可以通過控制優(yōu)化汽車前束角、內(nèi)傾角和懸架彈簧的安裝長度的方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)利用ADAMA/Car軟件對整車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真分析，仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)采用的優(yōu)化方案能夠改善車輛的操縱穩(wěn)定性，提高行車安全性。隨著新能源汽車的發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車通過優(yōu)化設(shè)計(jì)改造成電動(dòng)汽車的趨勢不斷增大，相信更多燃油車企業(yè)能采用此種方案加快燃油車的轉(zhuǎn)型，推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展。