电动汽车悬架系统动力学性能开发设计

电动汽车悬架系统动力学性能开发设计刘立刚谢骋舒进杨万安张秋雁泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201【摘要】介绍了某电动汽车悬架系统动力学性能开发过程，并分析了悬架关键参数对车辆动力学性能的影响。使用仿真分析技术，建立车辆动力学模型，与上一代车型进行对比，深入研究了KC特性的差异。此外，分析了仿真与试验的相关性，用来验证悬架参数是否达到设计要求。【ABSTRACT】THEDEVELOPMENTPROCESSOFSUSPENSIONSYSTEMDYNAMICSPERFORMANCEFORTHEELECTRICCARISINTRODUCED，ANDSOMEKEYPARAMETERSEFFECTSONVEHICLEDYNAMICSAREANALYZEDTHEELECTRICCARSUSPENSIONSYSTEMDESIGNSYNTHESIZESBETTERRIDEANDHANDLINGPERFORMANCETHEVEHICLEDYNAMICMODELISESTABLISHEDTOMAKEACOMPARISONWITHTHEPREVIOUSGENERATIONMODELBYTHESIMULATIONMETHOD，BASEDONKINEMATICANDCOMPLIANCECHARACTERISTICSBESIDES，THECORRELATIONBETWEENTESTANDSIMULATIONISANALYZEDTOVALIDATEDESIGN【关键词】悬架系统动力学电动汽车舒适性操控性DOI103969JISSN10074554201310040引言本文所涉及的电动汽车，在上一代某车型基础上进行设计，前悬架为麦弗逊类型，后悬架为扭杆梁类型。目前，这两种悬架类型因成本相对较低以及不错的性能表现，在市场上占有绝大部分比例。底盘的KC特性是影响整车操稳性的决定性因素，“K”指悬架的运动学特性，对悬架硬点布置十分敏感；“C”指悬架的柔顺性，对悬架零件的衬套刚度很敏感。而底盘特性主要由轮胎和悬架包含转向特性决定，KC特性综合考虑轮胎和悬架的影响，也能单独考虑悬架本身的一些特性，因此KC特性仿真和测量成为了悬架开发和设计的重要手段。本文也主要针对KC参数进行研究，提出设计和改进方案。收稿日期20130805161开发流程11开发流程综述悬架系统的动力学性能开发从整车级技术指标VTS出发，参考竞争车型的KC特性、客观试验以及主观评估，制定总体的操稳性和平顺性水平，然后分解出系统级STS和子系统级的技术指标SSTS，进而通过多体运动学和有限元分析FEA等工程软件对零件技术指标CTS进行详细设计，是一个从整车到零件，由上至下的过程。样车的性能验证与性能开发是一个相反的过程，自下至上，如图1所示。12整车级技术指标根据基准车型的市场表现，项目对该电动汽车的操稳性能和平顺性定位与基准车大致位于同一水平。但需要改善转向盘的力感，因为电动车上海汽车201310整车级技术指标系统级技术指标子系统级技术指标零件级技术指标图1悬架系统开发示意图采用转向柱式电动助力转向，比基准的液压助力转向在转向性能上有较大优势，在不同的车速下可设计不同的助力曲线，以提高驾驶乐趣。表1列出电动车的整车级开发目标和基准车的实际状态。每项目标的制定都需要参考基准车的目前状态。表1车辆动力学整车级技术指标设定主要参数单位基准车目标侧倾梯度RM。G49445后轴侧偏柔度D，。G32818转向灵敏度SS015G151416最小转向灵敏度SSGLOO。12511转向灵敏度SSO1G18一12回正力矩外倾。KNM一007一0114子系统级技术指标电动车的悬架类型与基准车相同，设计原则是尽可能保持悬架零件不发生改动，悬架的硬点上海汽车201310表4各因素对不足转向梯度的影响影响因素不足转向梯度。G基准车状态095一轴荷一05一质心高度一01一转向系一01悬架更改前的状态025一悬侧倾转向03一后悬侧倾转向O1一侧向力转向O15悬架更改后的目标08一轮胎O2后备调试方案2O没有大的变化。因此电动车悬架硬点布置的初始值与基准车相同。前面提到因为转向节和后桥的耐久问题不得不重新设计，因此这两个零件硬点有变动的设计空间。新后桥的设计采用标准的扭力梁结构型式，中间梁采用封闭圆管液压成型，而不是基准车的单片V型梁结构。新的扭力梁不仅提升了耐久性能，而且可以通过旋转中问梁开口方向调节侧倾转向和侧倾中心高度，通过选择不同壁厚的管材，方便达到侧倾刚度的设计要求，而这并不会影响中间梁与牵引臂间的连接。“A衬套牵引臂与车身连接点的位置首先需要低于后悬的侧倾中心高度才有不足转向的趋势，其次该点尽可能不低于轮心的高度，这样可以减少过坎时的冲击，提高车辆行驶的平顺性。2悬架参数设计21多体动力学模型动力学分析与仿真随着计算机技术的发展而不断的成熟。系统动力学理论的完善和虚拟样机技术的发展，尤其是机械系统建模和仿真商业软件的出现，使得动力学分析和仿真技术在汽车行业得到越来越广泛的应用本文中的模型仿真与分析使用了HYPERWORKMVIEW和ADAMS业界专业多体动力学软件。建模的数据收集包含悬架硬点、衬套刚度、缓冲块、弹簧刚度及自由长度、稳定杆数模、GMTIRE轮胎模型、质量、质心和转动惯量等。为提高仿真的可信度，通常先通过基准车的上海汽车201310KC仿真与试验台架结果相关性分析，验证模型的有效性，确认无误后，在此基础上更新质量、质心、转向系统和新后桥的柔性体模型，建立电动车的初始动力学模型，再进行新一轮的KC仿真与分析。22前悬参数设计根据电动车初步的KC仿真结果，首先需要更改弹簧刚度使偏频落在目标设定范围内。并调整弹簧的自由长度以保证车辆的姿态。如果车身姿态正确，侧倾中心高度也基本不会偏离设计目标。可根据悬架刚度与偏频之间的关系式32竹M式中厂为偏频；RR为悬架刚度；M，为簧载质量。反推弹簧刚度，因簧载质量的增加，前悬弹簧刚度需要从21NMM增加到23NRAM。其次检查侧倾刚度，通过改变稳定杆的直径达到侧倾刚度的设计目标。通过分析，稳定杆直径需增加3MM才能满足侧倾刚度的要求。研究发现前悬转向节与转向横拉杆的连接点对侧倾转向十分敏感，为达到侧倾转向的设计目标，该点需要上移5MILL。这虽会影响转向节本身，但不会影响其它零件的设计，其它的前悬架参数与基准车相同。23后悬参数设计后悬是标准的扭力梁结构，后弹簧刚度的计算方法与前悬的方法相同，通过分析，后悬弹簧刚度需要从18NMM增加到40NMM。后悬没有稳定杆，要满足侧倾刚度的设计要求，需要设计中间梁管材板筋的厚度。扭力梁后桥的中间梁开口方向可以改变侧倾转向的大小和侧倾中心的高度J。当开口向下时，侧倾转向和侧倾中心高度最大；开口向上时正好相反，开口方向对该后桥的影响见表5、6所示。表5V型梁的开口方向对侧倾转向的影响研究发现139。的开口方向，臂厚为35MM19表6V型梁的开口方向对侧倾中心高度的影响的管材可以同时满足后悬的侧倾转向和侧倾中心高度的设计要求，见图4所示。图4后桥V型梁的最终开口方向扭力梁后桥的侧向力转向受“A”衬套的径向刚度影响较大。根据侧向力转向的目标值，可知“A”衬套刚度越大，对操稳性能越好，但同时需兼顾纵向力变形对舒适性的影响，又要求该衬套刚度越软越好。为权衡操控和平顺性，刚度设定为15002000NRAM，可以基本满足侧向力转向的目标，具体刚度还需主观评估进行决定。24悬架系统参数变化与基准车相比，电动车因重量增加、轴荷分布和质心高度的变化。悬架系统的主要更改概括为以下几个方面。1弹簧从舒适性的角度考虑，为满足偏频的要求，提升弹簧的刚度，并确保车身姿态不变；2前稳定杆从侧向力转移和侧倾刚度的角度考虑，增加了前稳定杆的刚度；3前转向节为达到前悬侧倾转向的设计要求，提升了与转向横拉杆的连接处硬点，重新设计了零件；4后桥为满足侧倾刚度、侧倾转向和侧倾中心高度的要求，更改了中间梁的臂厚和开口方向；5后桥“A”衬套为降低侧向力转向，同时又权衡舒适性的影响，在一定范围内调试“A”衬套的径向刚度。203试验验证31系统级技术指标验证KC试验的目的不仅是检查多体模型的仿真结果是否合理，同时也是验证样车零件的设计状态是否能够满足系统级的工程技术指标，这是一个双向的验证过程。例如该电动车样车下线后，主观评估发现有过度转向趋势，这与设计意图不一致。检查KC试验结果，发现后桥的侧倾刚度与设计值偏差很多。前面提到后悬架的侧倾刚度主要与后桥中间梁的臂厚有关，进一步调查发现，该后桥的臂厚与设计要求不一致，更换正确后桥后，问题解决。这个案例可见，KC参数对分析车辆性能的重要性，如果没有KC试验数据，这个过度转向问题很难辨别是由什么因素引起的。此外，样车硬点是否正确，衬套刚度是否合理都可以通过对比KC参数进行校核。该电动车的悬架主要KC参数仿真与试验对比见表78。相关性分析发现样车的KC特表7前悬架主要KC参数仿真与试验的对比前悬架主要KC参数单位基准车样车试验样车仿真车轮垂向运动工况垂向运动刚度NMM205L227L997R垂向运明转向。M253908894垂向运动外倾。M一943917一L137侧倾运动工况侧倾运动刚度NM。740966974侧倾运动转向28910531074侧倾运动外倾。O87088088侧向力工况轮心处变形MNVKN028021O17接地点变形MMKN186139137侧向力转向。KNO050OL0OL侧向力外倾。KN033O25O25侧倾中心高度侧倾中心高度64436341643L回正力矩工况非中心区转向。100NMO38035041中心区转向。100NMO75063066纵向力工况纵向力转向。KN一012一O17014纵向力变形MMKN178223243系统偏频偏频HZ124126127上海汽车201310表8后悬架主要KC参数仿真与试验的对比后悬架单位基准车样车试验样车仿真主要KC参数车轮垂向运动工况垂向运动刚度NMML7673O363004垂向明转向。M35413724垂向运动外倾。M133276338侧倾运动工况侧倾运动刚度NM。486781O27937侧倾运动转向687656794侧倾运动外倾。一05407一O7侧力况轮心处变形MMKN1732112O6接地点变形MMKN355332322侧向力转向。KN一0O5007007侧向力外倾。KN一037024一O23侧倾中心高度侧倾中心高度156139138回正力矩工况非中心区转向。1OONMO13一OO7007中心区转向。L0H0NMO130O6007纵向力况纵向力转向。KNO03一O12011纵向力变形MMKN106105115系统偏频偏频HZ148157154性达到了预期的设计目标，绝大部分参数分析与试验吻合的很好，误差基本在10以内，个别参数存在的差异主要是由零件的制造误差和试验误差引起，且在可接受范围之内。32整车级技术指标验证整车级性能技术指标主要依靠客观试验测量来获得，其中包括定圆定速试验，频响试验和中心区转向试验等。测试结果显示，该电动车主要的整车级的车辆动力学性能参数与目标值非常接近，如表9所示。表9车辆动力学整车级技术验证主要参数单位样车目标侧倾梯度RM。G392445后轴侧偏柔度D，。G3118转向灵敏度SS015G1521416最小转向灵敏度SSG100。1411转向灵敏度SS01G15117转向盘力矩梯度STGOGNMG181I822转向盘力矩梯度STG01GNMG886511最小转弯直径DM10451O5上海汽车2013104结语本文基于悬架的KC特性和对侧偏柔度的理解，从上至下将工程指标层层分解，设计了悬架系统的主要参数，又由下至上验证了悬架参数是否达到设计要求。最终KC特性的仿真与试验的相关性分析以及客观试验都能够说明车辆的动力学性能可以达到预期。与上一代车型相比，因为整车质心、转向系统类型、总重和前后轴质量分布的变化，不足转向梯度总共下降了0OG，主要通过稳定杆和弹簧刚度的调试，转向节和后桥的重新开发，兼顾舒适性和操控性，使其达到设计目标参考文献1RTBUNDORFTHECORNERINGCOMPLIANCECONCEPTFORDESCRIPTIONOFVEHICLEDIRECTIONALCONTROLPROPERTIESJSAE760713，19762KOJITSUJI，NOBUHIROTOTOKITHECOMPLEXCORNERINGCOMPLIANCETHEORYANDITSAPPLICATIONTOVEHICL