（车辆工程专业论文）电动轮车操纵稳定性和平顺性的分析与优化.pdf

武汉理丁大学硕七学位论文 摘要 本文介绍了电动汽车和电动轮的发展历史和发展现状，并对电动轮和传统 汽车悬架进行了较为系统的分类和性能对比，选取合适的电动轮和前后悬架类 型，结合实际确定样车，建立虚拟样机模型对整车进行操纵稳定性和平顺性分 析优化。 首先，基于a d a m s v i e w 创建了用于分析的复杂的车辆模型，重点是创建了 双横臂前悬架参数化模型，并对该车的前悬架进行了运动学仿真分析，得到前 轮定位参数、主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾、车轮前束、车轮轮距等随 车轮中心跳动行程的变化关系，找出该前悬架不足之处；对整车进行稳态回转 试验，分析整车操纵稳定性。 然后，对整车进行平顺性的仿真与分析。从整车的传递特性分析入手，按 照国标g b t 5 9 0 2 - 8 6 汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法对整车进行平顺性仿 真分析，找出该车平顺性方面的不足。 最后本文利用参数化方案研究，对该车进行前轮定位参数的优化设计，修 改整车仿真模型前轮定位参数值，减小前轮磨损。分析影响整车平顺性的因素 及其对平顺性的影响趋势，提出改进方案，并进行仿真验证。重新对优化后的 整车模型进行操纵稳定性仿真试验，对比优化前后该车性能的变化，验证该优 化理论的正确性。 关键词：电动轮，悬架，操纵稳定性，平顺性，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，e va n da c t i v ew h e e ld e v e l o p i n gh i s t o r ya n dr e c e n ts t a t u sa r e d e s c r i b e d a f t e rc l a s s i f y i n gt h ea c t i v ew h e e la n dt r a d i t i o n a ls u s p e n s i o ns y s t e m ，s e l e c t t h er i g h ta c t i v ew h e e la n dt h et y p eo ff r o n ts u s p e n s i o na n dr e a rs u s p e n s i o n d e t e r m i n et h ep r o t o t y p ec a ra n db u i l dt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft h ev e h i c l ef o r a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fh a n d l i n gp e r f o r m a n c ea n dr i d ep e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，t h ep a p e rh a sb u i l tt h ec o m p l e xc a rm o d e lb yu s i n ga d a m s v i e w f o ra n a l y s i s ，e s p e c i a l l yb u i l tt h ep a r a m e t r i cm o d e lo fd o u b l e - w i s h b o n es u s p e n s i o n p a p e rc a r r i e do u tk i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n a l y s i st of r o n ts u s p e n s i o n t h ec h a n g e so f w h e e la l i g n m e n t si n c l u d i n gi n c l i n a t i o na n g l e 、c a s t e ra n g l e 、c a m b e ra n g l e 、t o ca n g l e a n ds i d e w a y sd i s p l a c e m e n tw e r ep r e s e n t e dw h e nw h e e l sb u m p e da n dr e b o u n d e d ，a n d f i n do u tt h ed e f i c i e n c yo fs u s p e n s i o ns y s t e m p a p e rc a r r i e do u ts t e a d ys t a t i cc i r c u l a r t e s tp r o c e d u r et oa n a l y z et h eh a n d l i n gs t a b i l i t yo ft h em o d e lc a r s e c o n d l y , p a p e rc a r r i e do u ts i m u l a t i o na n a l y s i sf o rr i d ep e r f o r m a n c e p a p e r s t a r t e dr e s e a r c hf o r ms y s t e mt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c p a p e rc a r r i e do u ts i m u l a t i o n a n a l y s i so fr i d ep e r f o r m a n c et h a tb a s e do n “g b t 5 9 0 2 8 6r i d ep e r f o r m a n c et e s to n p u l s er o a df o ra u t o m o b i l e s ”，a n df i n do u t t h ed e f i c i e n c yo fm o d e lc a ri n r i d e p e r f o r m a n c e i nt h ee n d ，p a p e ru s e dp a r a m e t r i cd e s i g ns t u d yt oo p t i m i z et h ef r o n tw h e e l a l i g n m e n t ，a n dm o d i f i e dt h ep a r a m e t e ro ff r o n tw h e e la l i g n m e n t p a p e ra n a l y z e dt h e f a c t o r so fi n f l u e n c i n gt h ec a rr i d ep e r f o r m a n c et of i n do u tt h ei m p r o v e m e n tp r o j e c t a n ds i m u l a t e dc h e c k i n gt e s t p a p e rc a r r i e do u tt h eo t h e rs i m u l a t i o na n a l y s i sf o r h a n d l i n gs t a b i l i t yw i t h t h e i m p r o v e dc a l m o d e l s i m u l a t i o n r e s u l t sh a v eb e e n c o n t r a s t e dt oo r i g i n a lc a rm o d e l t h ea i mo fc o n t r a s ti st ov a l i d a t et h ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：a c t i v ew h e e l ，s u s p e n s i o n ，h a n d l i n gs t a b i l i t y ， r i d ep e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 日期：卅，p 丫 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文背景和意义 1 1 1 论文背景 第1 章绪论 随着汽车保有量的不断增加，汽车在带给人类方便、快捷、舒适的现代生 活的同时，也引起了日益严重的环境污染和不断加剧的能源短缺问题，人类在 不断地探索解决上述问题的途径。电动汽车( 包括纯电动汽车、混合动力电动 汽车和燃料电池汽车) 成为愈来愈受到重视的一种解决上述问题的途径。随着 对电动汽车性能要求的提高，电动汽车技术得到了不断发展，作为电动汽车关 键技术之一的电力驱动系统( 包括电气系统、使电动机和减速装置的质量全部 或部分地成为簧载质量，达到变速装置和车轮) 出现许多新的技术方案，其中， 电动轮技术就是应用日趋广泛、日益受到重视的结构方案之一。 1 2 1 论文意义 电动轮技术在电动汽车上得到应用，在于结构本身所具有的技术优势，主 要包括：使传动系统简化，不仅提高传动效率，而且有利于整车布置，提高越 野车辆的通过性能，降低对电气以及机械传动零部件的要求，适合传递大转矩。 所以电动轮驱动汽车是具有光明应用前景的。但由于电动轮结构的特殊性，电 动轮与传统悬架系统的匹配将成为难点，改变传统悬架结构以适应传统电动轮 将改变悬架定位参数，而且电动轮的应用增加了非簧载质量，影响整车的操纵 性，不利于整车平顺性。本文将重点研究电动轮悬架对整车操纵稳定性，平顺 性的影响，并优化其参数以改善整车操纵稳定性与平顺性，为电动轮在整车中 的应用积累经验。 1 2 电动汽车和电动轮的研究概述 1 2 1 电动轮驱动汽车国外研究概况 2 0 世纪5 0 年代初，美国人r o b e r t 发明了电动汽车轮毂，并申请了美国专 利，如图卜一1 所示，这是一个将电动机、传动系统和制动器融为一体的轮毂装 武汉理r 大学硕十学位论文 置。直到1 9 6 8 年这种轮毂才被通用电器公司应用到大型矿用自卸车上，并被 命名为“电动轮”。这是电动轮结构首次在汽车上被采用。图12 是_ 人型矿剧 自卸车的电动轮示意图。 图1 3 自动电行车的电动轮毂图1 _ 4 新一代电动汽车电动轮 日本虽然是汽车强国，但是在国土面积上却是小国，资源的匮乏促使其电 动汽车的发展走在了世界的前面。相应的，在电动轮的研究方面，同本也处于 世界领先地位。 1 9 9 6 年，本国家环境保护局在第1 3 届幽际电动汽车会议期间展出了名为 l u e i o l e 的小型纯电动汽车，该车在两个后轮各采用一个3 6 k w 的电动轮驱动系 统，因此整车总输出功率为7 2 k w ，转矩为1 5 4 n m ，驱动系统由永磁同步电动机、 行星齿轮减速器和领从蹄鼓式制动器构成，电动机最大转速为8 7 0 0 r p m ，减速比 为5 ，圈1 5 是该电动轮的外形图。 武汉理1 人学硕l ：学位论文 譬 制动器 轮胎 定于 传蒋器 转于 r 星齿轮 图1 5l u c i o l e 电动汽车电动轮图1 6c o m s 电动轮剖面图 2 0 0 0 年夏天，日本的a r a c o 公司开发出一种单座四轮小型纯电动汽车一 - - c o m s ，并且投放于同本市场。图1 6 为c o m s 电动轮的剖面图。可见电动 轮是由电动机和行星齿轮减速器组成的，行星齿轮减速器和置在电动机转了_ 内 部，这使电动轮的轴向尺寸变得很小。 2 0 0 1 年，日本东京大学在日产m a r c h 汽车的基础上改装成电动汽车“u o t e l e c t r i c m a r c hi i ”，该牟主要是用柬进行新型控制系统的试验和测试的，其最显 著的特点是采用了电动轮驱动系统。除了r 本，其它国家在电动汽车电动轮上 的研究也较深入。 加拿大t e c h n o l o g i e sm 4 公司也研制出专门用于电动汽车上的t m 4 电动轮。 该电动轮和i z a 电动汽车的电动轮相似，也没有减速器，直接由电动机驱动车轮。 图1 7 所示的是t m 4 电动轮的三维图，图1 - 8 是t m 4 电动轮的剖面图。 图l 一7t m 4 电动轮三维图图l 一8t m 4 电动轮的剖面图 法国米其林公司于2 0 0 7 年研制f 一款专用于电动车上的电动轮( a c t i v e w h e d ) 。馥电动轮集成了嵌a 式毛动悬拄，豫动电机、悬挂电机以_ 及盘式制动器 武汝理 学顽i _ 学位论文 既节省了空m ，义可以让整4 ：的机械结尚班为紧凑。这种创新的设汁依捌上动 车轮系统的人小- 叮以应用1 ：任何牟型，是埘传统f 乜动轮的一种颠覆式设汁。删 1 - 9 为米其林a c t i v e w h e e l 的实物图。 吲1 9 米其林a c t i v ew h e e l 的实物圈 22 电动轮驱动汽车国内研究概况 相比之下，我国对电动轮的研究大多还限于电动自行车上，而电动汽车的 电动轮研究并不多见。 1 9 9 9 年，哈尔滨工业大学和哈尔滨大电动机研究所丁联合开发了轮式驱动 系统，并在以厂用车车体为试验载体进行了整车试验。整车质量只有1 1 0 0 k g ， 载重1 5 0 0 k g ，单台电动机的额定功率是15 k w ，最大车速为2 0 k m h ，最大牵 引力为1 8 0 0 n ，空载爬坡度是1 4 ，一次充电续驶里程大于1 2 0 k i n 。 图i 1 0 示的是在此电动汽车中采用的电动轮的机械结构图。驱动 n 动机是 使用钕铁硼材料的外转子式结构三相永磁无刷电动机。图1 1 1 示的是该i u 动 轮的装车宴体图。 图1 1 0 哈t 大研制的电动轮图】一1 1 电动轮装车史体豳 怂 溉 | 薹卧八 措耐 武议理r 大学硕士学忙论文 鹾电动轮式驱动系统虽然是以厂用运输车为载体的，但这毕竟j 创了我国 电动轮电动汽车的先河。为以后我们大力发展i u 动轮电动汽车积累了宝贵的经 验。另外，哈尔滨工业大学爱英斯u 动汽车研究所研制丌发的e v 9 6 - 1 型电动 汽牟，所采用的也是电动轮驱动系统。 2 0 0 2 年8 月，国内第一台由4 个直流无刷轮毂电机独立驱动的四轮驱动 燃料电池微型汽车动力平台“春晖一号”试制成功，2 0 0 3 年研制了样车“存咩 一号”。为了减少整车关键零部件种类，节省制造成奉，“春晖号”和“春 晖号”的d 后轮采用了结构相同的独立悬架- l u 动轮模块，它由轮毂电机、制 动盘、转速传感器及双横臂独盘悬架组成，如幽l 一1 2 所示。 图1 1 2 独立悬架一电动轮模块概念 国外对电动轮在电动汽车上应用进行了较多的理论研究，实际应用也比较 多，国内对这项技术的研究和应用还十分有有r 泛的应用前景但是，目翦 乜 动轮的一些技术难题还没有完全突破。轿车的舒适性要求高，行驶速度高f u 动轮引起的非簧载质量增加会引起平顺性下降需要进一步解决；轿车的速度 变化范围宽，采用固定逮比的减速装胃，对电动轮的转矩特性要求高，技术e 还存在一定困难；轿车的车轮直径较小，电动轮的前! 罾：有一定困难，屯动轮的 密封、冷却和抗振性还有许多问题需要解决。 山于电动轮技术可以应用丁：任何由电力驱动的车辆上，一旦关键技术取得 突破成本大幅度降低之后，其应用范围会越来越广所以国内应重视对屯动 轮技术的研究以及对电动轮汽车的研究与应用。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动轮及其悬架系统 2 1 电动轮方案比较 2 1 1 电动轮的驱动形式与其它电驱动形式比较 从电动汽车的驱动系统近3 0 年的发展来看，电动汽车的结构是从类似于 内燃机汽车驱动系统逐渐过渡到电动轮驱动系统，如图2 1 所示。 电动机差连蚤 电动机同轴式鐾阵娶动侨 圃醯圆日 转向系统变蘧瘸转向系统谴速器差速嚣转向系统 转向系统。电动轮 图2 - 1 电动汽车电驱动系统的布置形式 电动机本身具有调速的功能，如果在电动汽车上继续保留内燃机汽车必须 使用的变速箱就显得累赘了。为了减轻电动汽车的整车质量，出现了电动机轴 与驱动轴相互平行的驱动形式，如图2 1 b 所示。这样的设计能充分利用电动 机的调速特性，简化驱动系统的结构，使电动汽车的驱动系统能够更加简化和 紧凑。这种驱动形式的优点在于能够很好的和内燃机互换，便于将内燃机汽车 改装成电动汽车；缺点是没有充分利用电动机可调速的优点。 图2 1 d 和图2 2 d 所示的便是我们所要研究的电动汽车电动轮驱动形式， 电动轮驱动形式完全脱离了内燃机汽车传统的驱动方式，它能够分别布置在电 动汽车的2 个前轮、2 个后轮或全部车轮中，成为前轮驱动、后轮驱动或全轮驱 动的电动汽车。 从图2 1 中的比较可以看出，在a 、b 、c 和d 四种驱动形式中，电动轮 驱动形式的结构最简单、最紧凑，也可以从图2 2 的对比很明显的看出电动 轮驱动形式的布置所占用的空间是最少的，这不仅可以提供更大的乘坐空间， 还降低车厢底板，使汽车的重心大大降低，提高了汽车的稳定性。因为省去了 不必要的差速器和传动轴，电动轮驱动形式的采用大大减轻了整车的质量，提 高了驱动系统的效率和比功率。电动轮最大的优点还在于提高汽车的操纵稳定 性，不论是在加速还是制动的时候，都可以分别最充分的利用每个车轮的附着 力，这使汽车的安全性能得以提高。电动轮的最大缺点就是增加了非簧载质量， 6 武汉理工大学硕士学位论文 使汽车的平顺性受到影响，但可以通过对悬架进行优化设计来减小这个影响。 正因为电动轮驱动形式具有如此多的优点，所以近年来对电动轮的研究渐渐多 于其它几种电驱动形式，可以预计，电动轮将成为电动汽车的最终驱动形式。 厕嘲聊贮 差矗器电南机 整体驱动侨电动机 电萄j 图2 - 2 电动汽车不同电驱动形式所占用空间对比 2 1 2 电动轮的结构、特点和分类比较 电动汽车的电动轮按照驱动方式分类，可以分为减速驱动和直接驱动两大 类型 ( 1 ) 减速驱动型电动轮 起源于矿用车的传统电动轮属于减速驱动型，这种电动轮允许电动机在高 速下运行，通常电动机的最高转速设计在4 0 0 0 r p m - - 2 0 0 0 0 r p m 之间，其目的是 为了能够获得较高的比功率，通常采用普通的内转子高速电动机。减速器布置 在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能 够获得足够大的转矩。 减速驱动型电动轮电动机的优点是转速高，有较高的比功率，质量轻，效 率高，噪声小，成本低；但因为电动机转速较大，必须用减速器降低转速以获 得较大的转矩，因此作为非簧载质量的整个电动轮的质量会比传统的内燃机汽 车的车轮重很多。减速器多为行星齿轮减速装置，其结构紧凑，减速比较大； 也有采用外啮合圆柱齿轮减速装置，但轴向尺寸过大，径向质量分布不均，因 此较少采用。 ( 2 ) 直接驱动型电动轮 为了减少电动轮的非簧载质量，出现了直接驱动型电动轮。这种电动轮去 掉了减速驱动型电动轮中的减速器，大大减轻了非簧载质量，也简化了整个电 动轮结构。这种电动轮多采用外转子电动机，直接将外转子安装在车轮的轮辋 上驱动车轮转动。电动汽车在起步时需要较大的转矩，因此安装在直接驱动型 7 武汉理i 大学硕十学位论文 电动轮中的电动机必须能在低速时提供较大的转矩，为了使汽车能够有较好的 动力性，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围，并且保证在这个范围 内有较高的效率。 直接驱动型电动轮中采用的外转子电动机结构简单，轴向尺寸小，比功率 高能够在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，又因为没有减速器， 所以效率较高；和减速驱动型电动轮相比，它更容易实现车轮防抱死系统，更 容易实现线控技术，更好的提高电动汽车的操纵稳定性；但为了获得较大的转 矩必须增大电动机的体积和质量，成本较高，另外，在加速时效率并不太高， 且噪声很大。 用于直接驱动型电动轮的电动机，除y ； i - 转子式电动机，还有盘式电动机。 外转子电动机是径向磁场型，而盘式电动机则是轴向磁场型。把转于盘固定在 轮辋上就可直接驱动车轮转动。因为盘式电动机存在定子和转子互相吸引的问 题所以在电动汽车上一直没有受到广泛的应用。为了消除盘式电动机的定子 和转子的吸引力，通常采用双气隙设计也就是“三明治”结构定子在两个 转子盘中f b j ，这样轴向吸引力就可以相互抵消。图z 一3 所示的澳大利亚开发 的用于太阳能电动汽车上的电动轮和图2 4 所示的意大利罗马大学开发的三 轮小型电动汽车的电动轮部属于这种类型。采用盘式电动机的直接驱动型电动 轮，在较大转矩时效率也较高，最大的优点是轴向尺寸非常小，盘式形状使其 更适合安放在车轮轮毂内较轻的质量和紧凑的结构是将其用于电动汽车电动 轮中的主要原因，这不仅可以减轻电动汽车的非簧载质量，还能减少对空间的 占用，给乘客提供宽敞的乘坐空间。 图2 3 太阳能电动汽车电动轮图2 4 三轮电动汽车的电动轮 武汉理i 大学硕十学位论文 2 2 悬架方案比较 汽车悬架是车轮与车身之间一切装置的总称，其功用在于：在垂直方向减 振和起悬挂作用：在侧向可防止侧倾与左右车轮载荷转移；在行驶方向上保证 驱动与制动的实现并保持方向稳定性所以，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性， 乘坐舒适性都有很大的影响。而不同形式的前后悬架系统在操纵性和平顺性方 面会有不同的表现。 221 麦弗逊悬架 麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主 销，转向节可以绕着它转动。其结构图见图2 - 5 ，特点是主销位置和前轮定位 角随车轮的上下跳动而变化，这点与烛式悬架正好相反。这种悬架构造简 单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性，所以，目前轿 车使用最多的独立前悬架是麦弗逊式悬架。实物图见图2 - 6 图2 5 麦弗逊悬架图2 - 6 富康轿车前悬架 卜车身：2 一螺旋弹簧；3 一减震器；卜螺旋弹簧2 一筒式减震器3 一转向节 4 一减震器上体：5 一转向横拉杆；4 一连接杆5 一球头销6 一下摆臂 6 转向齿条；7 一下摆臂：8 车轮总成7 一横向稳定轩8 一前托架 麦弗逊悬挂通常由两个基本部分组成；支柱式减震器和a 字型托臂。 之所以叫减震器支柱是因为它除了减震还有支撑整个车身的作用，他的结 构很紧凑把减震器和减震弹簧集成在一起，组成一个可以上下运动的滑 武汉理j 人学硕 学何论文 柱：下托臂通常足 字型的设训，用于给牟轮提供部分横向支撑力，以_ ；5 乏 承受全部的前后方向应力。整个车体的重量和汽车在运动时车轮承受的所 有冲击就靠这两个部件承担。所以麦弗逊的一个最大的设计特点就是结构 简单，结构简单的优点为：悬挂重量轻和占用空问小。汽车悬挂届于运动 部件，运动部件越轻，悬挂响应速度和回弹速度就会越快，悬挂的减震能 力也就越强；而且悬挂质最减轻也意味着弹簧下质量减轻，在车身重量 定的情况下，舒适性也越好。占用空间小可以更灵活的布置发动机，方便 实现多种发动机匹配方案。 但当装备有麦弗逊式独立悬架的牟辆行驶在不平路面时，车轮很容易随路 面不平发生自动扭转，令驾驶员难于控制，所以驾驶员须时刻用手握紧方向盘i 而当车辆行驶速度过快车轮受到剧烈冲击时，支柱减震器叉容易因为受力过猛 而导致弯曲，危及车辆在行驶中的安全。此外，麦弗逊式独立悬架的抗侧倾和 抑制制动点头的能力较差虽然能通过增加稳定杆、防倾杆，以及增加弹簧圈 数和阻尼系数对其进行改善，但问题无法从根本上解决主要原因还是由于机 械结构简单造成刚度和耐用性不高。 222 多连杆式悬架 多连杆式悬架就是指由三根或三根| 三l 上连接拉杆构成，并且能提供多个方 向的控制力。使轮胎具有更加可靠的行驶轨迹的悬架结构。由于三连杆结构己 不能满足底盘操控性能的更高追求，现在多为结构更为精确、定位更加准确的 四连杆式( 见图2 7 ) 和五连杆式悬架( 见图2 8 ) 。这两种悬架结构通常分别 应用于前轮和后轮。 图2 7 四连杆悬架图2 - 8 多连杆悬架 七；皂 武议理】入学硕十学 1 _ = 论文 多连牛f 怂架的构造不仪增加了对车轮i + 方的控制力，对车轮的日“后方也柯 相麻的连朴产生作用力，十要作用就像一个锁i t 机构一样，将车轮牢牢地固定 在半轴未端，使车轮行进轨迹移位减小，增强悬檠的整体性和可靠性。以常见 的h 连杆式后悬架为例h 根连杆：主控制臂、前霄定位臂、后置定位臂、上 臂和下臂分别对荇个方向的作用力进行抵消。在多连朴悬架中增加了对车轮上 下进行约束的控制臂，一方嘶足更好地使车轮定位，另一方面则使悬架的可靠 性和刚度进一步提高。 从车辆操控性角度柬看，多连杆悬架的吊悬结构能通过腑后置定位臂和上 f 控制臂有效控制车轮的外倾角段前束角，令车厢始终处于相对平稳的状态。 岜多连杆悬架在研发上规模较为庞大，由于结构复杂、占用空日j 大、成本 高、零件多、组装费时，并且要达到非独立悬架的耐用度，始终需要保持连杆 不变形、小移亿，在材料使用和结构优化上要求很高，经济型轿车使用很少 多应用于中高档轿车。 2 23 双横臂悬架 结构上看( 见图2 9 ) ，般横臂悬架又叫职叉臂悬架。双横臂式悬架有两种 ( 见图2 一1 0 ) a ) 等长摆臂：主销内倾角不变，轮距变。 b ) 不等长摆臂：主销角和轮距变化不大。 够丞 图2 - 9 双横臂悬架结构示意图图21 0 双横臂悬架示意图 卜碱碰器2 上摆臂3 一转向节 4 _ 横向稳定十r5f 摆臂 双义臂式恳架是由麦弗逊式悬架演变町柬，其共同点为：下控制臂都由 武汉理r 学碗十学位论文 根v 字形或a 字形的叉形控制臂构成，液压减震器充当支柱支撑整个车身。不 同点为：双叉臂式悬架多了一根连接支柱减震器的上控制臂这样一来有效增 强了悬架整体的可靠性和稳定性，双叉臂式悬架构造较为复杂，但车轮拥有更 好的贴地性。 双叉臂悬架相对麦弗逊悬架在物理学特性上的改变明显：当一侧悬架因惯 性收缩时，车轮的外倾角变化也相对较小，不过车轮外倾角的变化大小还可以 通过改变上下控制臂的相对长度来改善。因此，工程师在设计和匹配双叉臂悬 架时自由度更大，更能针对汽车的某一种特性如运动或舒适性作出最为合理的 调校。 。蕊 图2 - 1 1 后悬用双横臂悬架图2 一1 2 改良型双叉臂悬架 积叉臂式悬架由上下两根不等长v 字形或a 字形控制臂咀及支柱式液压减 震器构成。通常上控制臂短于下控制臂。上控制臂的一端连接着支柱减震器， 另一端连接着车身；下控制臂的一端连接着车轮，而另一端则连接着车身。上 下控制臂还由一根连接杆相连，这根连杆同时也还与车轮相连接。在整个悬架 构造中，通过对多个支点的连接提高了上下控制臂以及整个悬架的整体性。 如果上下控制臂的长度差过小，车轮抖动时会造成左右轮距偏大，加快轮 胎外侧磨损：反之，如果上下臂长度差过大，则会造成车轮转向时外倾角过大， 使轮胎内侧磨损加快。因此，通过增加上下控制臂的长度来减小轮距的变化和 控制外倾角的变化。 取叉臂式独立悬架优点为：出色的侧向支撑、精确的车轮方向控制等；缺 点为：由于使用上下控制臂结构，过于稳定的特性却使车轮的响应速度较其他 形式悬架要缓慢，上下控制臂的结构也导致这种悬架的横向安装空间增大。 武汉理上大学硕士学位论文 224 拖曳臂式半独立悬架 。心彩 武汉理1 = 大学硕士学位论文 2 3 电动轮悬架系统设计方法初探 电动轮的设计首先要满足设计目标的要求，如果有多个电动轮方案在功率、 转速以及尺寸等方面都满足要求，那就必须从其它方面来比较和评价这些方案 的优劣，如电动轮的制动、装配和维修等，从而选择一个最佳的电动轮方案。 除此之外，电动轮的外部结构也需要考虑，电动轮要通过悬架和电动汽车的车 身相连，电动轮的外部结构依悬架的不同而不同，对于不同结构形式的独立悬 架，不仅结构特点不同，而且许多基本特性也有较大区别。 2 3 1 悬架的评价 对悬架的评价时常从以下几个方面进行： ( 1 ) 侧倾中心高度 汽车在侧向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生 侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心称之为侧倾中心。侧倾中, b n 地面的距离 称为侧倾中心高度。侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力 臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜 时轮距变化大，加速轮胎的磨损速度。 ( 2 ) 车轮定位参数的变化 车轮相对车身上、下跳动时，主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车 轮前束等定位参数会发生变化。若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振； 若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化 和轮胎的磨损速度。 ( 3 ) 悬架侧倾角刚度 当汽车作稳态圆周行驶时，在侧向力作用下，车厢绕侧倾轴线转动，并将 此转动角度称之为车厢侧倾角。车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度 大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。 ( 4 ) 横向刚度 悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则 容易造成转向轮发生摆振现象。 不同形式的悬架占用的空间尺寸不同，占用横向尺寸大的悬架影响发动机 的布置和拆装发动机的困难程度；占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 而且底部平整。因此，悬架占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。 2 3 2 前、后悬架方案的选择 目i j 汽车的前、后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用非独立悬架；前 轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；前轮与后轮均采用独立悬架等几种。 非独立悬架，其主要优点是结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。 缺点是由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度( 特别是前悬架) ， 使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、 右车轮相互影响，并使车轴( 桥) 和车身倾斜；这种悬架主要用在货车、大客车 的前、后悬架以及某些轿车的后悬架上。 独立悬架的优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂 直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺 性；由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽 车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振 动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。独立悬架的缺点是结构 复杂，成本较高，维修困难。 表2 - i 不同形式悬架的特性 掣 双横臂式单横臂式单纵臂式麦弗逊式拖拽臂式 劳拦 侧倾中心高比较低比较高比较低比较高比较低 车轮定位参车轮外倾角车轮外倾角主销后倾角左右轮同 数变化与主销内倾与主销外倾变化大变化小时跳动时 角有变化角变化大不变 悬架侧倾角较小较大较小较大较大 刚度 横向刚度大大小大大 占用空间较多 较少 很少较少较少 轮距变化小变化大不变变化小不变 综合表2 - i 各种类型悬架的特性和电动轮悬架的特殊要求，本电动车采用 前后独立悬架，并采用双横臂式前悬架和单纵臂式后悬架。 武汉理【：人学顽十学1 口论文 方案优点为： ( 1 ) 前双横臀悬架可以提供稳定的悬架参数以减小电动轮质最大对悬架参 数的影响。 ( 2 ) 单纵臂式后悬架不占高度空间可以最大限度提供电池组安放空削，以 提高电动车续驶里程。 233 虚拟样机设计悬架方案 首先，经过上述各种悬架方案的选择确定以整车各参数的要求，本项目选 取- - + 型沙滩车作为基本原型车，然后对其悬架结构和车身结构进行改进以适 应电动轮安装与结构要求。 利用三维丁二程设计软件可以快速准确的建立虚拟样机并针对电动轮进行结 构调整，能直观、准确地反映零、组件的形状、装配关系。 如图21 5 ，为沙滩车车架与悬架虚拟装配关系图。 2 4 本章小节 2 - 1 5 沙滩车车架与悬架虚拟装配关系图 本章阐述了各种电动轮类型及其特点，各类型悬架结构的特点和优缺点， 结合实际选取了试验样车，并建立完整的车身和悬架虚拟样机模型，咀待后面 进行运动学和动力学分析。 武汉理 二大学硕士学位论文 第3 章整车操纵性能仿真分析 汽车的操纵稳定性是影响汽车主动安全性的重要性能之一，因此，如何研 究和评价汽车的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性一直是汽车研究的 重要方向。汽车的操纵稳定性是汽车理论的重要组成部分，它通常包含相互关 联的两方面，即操纵性和稳定性。操纵性是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳 的条件下，汽车能够遵循驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶；稳定 性是指汽车在遭到外界干扰时，能够抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。前者反 映了汽车实际行驶轨迹与驾驶员主观意图在时间上和空间上吻合的程度；后者 描述了汽车运动状况的稳定程度。但是两者很难分开，汽车操纵性能的丧失往 往导致整车的侧滑，急转甚至侧翻；而汽车稳定性的丧失，常常导致整车失控。 因此，汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是保证 高速行驶安全的一个主要性能。对操纵性能仿真与分析也是意义重大。 3 1 悬架各参数对操纵性的影响 所谓前轮定位参数一般是指前轮的4 个定位参数，即主销后倾角、主销内 倾角、车轮外倾角和前束值，用以保证对前轮在底盘上空间位置的精确确定位。 它们的主要作用是保证车辆直线行驶稳定性及转向轻便性，使前轮转向后车轮 具有自动回正作用。同时，要求前束和外倾有合理的匹配关系，使车辆的前轮 在直线或转向行驶时磨损最小。 3 1 1 主销后倾角 汽车的主销后倾角一般在1 。- - , 3 。内。近年来主销后倾角有减小的趋势，有 的还为负值。对一定的汽车而言，主销后倾角越大，车速越高则回正力矩越大， 所形成的稳定效应也越强。但回正力矩并非越大越好，过大将会引起前轮回正 过猛，加速前轮摆振并使转向操纵沉重。 现代汽车高速化后，显然汽车在作曲线运动时的离心惯性力增大，为使回 正力矩不至过大，主销后倾角应有所减小。另外，现代汽车采用超低压大弹性 子午线轮胎后，在前轮偶遇外力作用发生偏转时，由于轮胎的弹性变形特性而 使前轮产生回正力矩，从而增强汽车直线行驶的稳定性。在汽车前轮所受侧向 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 力尚未超过车轮与地面的附着力时，弹性轮胎会产生侧偏变形。此时轮胎旋转 平面的方向与车轮前进的方向不一致，地面作用于车轮上的侧向力与轮胎旋转 平面垂直，并可分解为与驱动力，方向相反的侧偏阻力和与汽车前进方向垂直 的分力。轮胎发生侧偏变形时其印迹前端横向变形小，后端因接触地面时间长 而横向变形大，侧向力的分布与轮胎变形成正比，使侧偏的轮胎受到地面的侧 向力的中心落到轮胎接地中心的后面。因此分力对轮胎接地中心产生一个与其 偏转方向相反的力矩，此力矩使车轮平面回转到汽车原行驶方向，故将汽车前 进方向垂直的分力对车轮接地中心形成的力矩称为回正力矩。显然，采用超低 压子午线轮胎增强了汽车直线行驶的稳定性。 再者，汽车前轮驱动化后，前轮在垂直平面内高速旋转，使i j 轮的稳定性 有所改善。弹性轮胎受侧向力作用发生弹性偏离后，左、右转向驱动轮接地中 心到各自主销轴线沿长线的垂直距离不再相等，切向反力( 驱动力) 对各自主销 形成的力矩也不相等，其差值将对前轮形成转动效应。可见，现代汽车高速化 后，超低压大弹性子午线轮胎的侧偏特性及前轮驱动化综合作用的结果，要求 主销后倾角减小甚至为负值。 主销后倾角对操纵稳定性的影响 主销后倾角过大，驾驶员必须用较大的力转动方向盘才能克服稳定力矩， 这样使转向显得沉重。 主销后倾角过小，稳定力矩减少，将使行驶不稳，方向发飘，在高速行驶 时，车轮还会摆振。 两端主销后倾角不等，汽车行驶时向小的一边跑偏。 3 1 2 主销内倾角 汽车有了主销内倾角后，当前轮在外力作用下由中间位置发生偏转时，前 轮连同整个汽车前部被向上抬起相应的高度。一旦外力消失，前轮将在汽车势 能的作用下回复到原行驶位置，这种作用在汽车低速大转角时尤为明显，如汽 车原地调头等。同时主销内倾角的减少，减小了转向阻力矩，使转向操纵轻便， 并减轻了转向轮传到转向系的冲击。通常汽车主销内倾角不大于8 。现代汽车 由于急起步、急加速、急转向、急制动工况的要求，需要增大主销内倾角，甚至 使转点移到力点的外侧。假若对角布置的双回路制动系中的任一条回路因故不 武汉理工大学硕士学位论文 能产生制动，则制动时汽车必然向产生制动力的一侧跑偏。但由于主销内倾角 较大，使力臂为负值，制动力便形成一个与汽车跑偏方向相反的抗偏力矩，从 而抵消或减轻汽车在上述情况下制动时的跑偏，提高了汽车的行驶安全性。 主销内倾角变化对转向操纵稳定性的影响 主销内倾角过大，转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎将受到较大的路 面滑动摩擦力，这样使转向沉重，同时加速了轮胎的磨损。 主销内倾角过小，由于力矩的增加，使转向沉重，而且使汽车稳定直线行 驶的能力变差，驾驶员不得不因此而时刻注意掌握方向盘，使精神过于紧张。 两端主销内倾角不等，即左右两轮抗冲击能力不一，将导致行驶时车辆总 是向内倾角小的一侧跑偏。 3 1 3 前轮外倾角 空车时前轮有了外倾角，则汽车满载后在重力作用下，主销与衬套、轮毅 与轴承等处的装配间隙将减小甚至消除，前桥也会因承载而变形，从而使前轮 在重载时接近垂直路面滚动而无滑动，同时也减小了转向阻力臂，使操纵轻便， 并提高了前轮工作的安全性。通常前轮外倾角为1 。左右。现代汽车高速化、急 转向工况要求前轮外倾角减小甚至为负值。这是因为高车速转向时，离心惯性 力增大，车身向外倾斜加大，产生更大的正外倾，使； i - n 悬架超负载，加剧外 侧车轮的变形，使外侧车轮半径小于内侧车轮半径，因而内、外侧车轮在滚动 的同时将发生滑动，这不仅使轮胎磨损加剧、行驶阻力增大、燃油消耗增加、 发动机功率消耗增加，还会降低转向轮纯滚动转向性能。减小前轮外倾角，可 保证汽车在上述行驶工况下，内、外前轮的滚动半径近似相等，从而避免汽车 高速急转向时所带来的危害。此外，前轮外倾角增大时，会使胎面与路面的接 触情况变差，影响汽车最大地面侧向反作用力( 侧向附着力) ，从而降低汽车的 极限侧向加速度，这也是现代汽车高速化后需要减小前轮外倾角的一个原因。 车轮外倾角变化对转向操纵稳定性的影响 车轮外倾角过大，造成轮胎外侧偏磨。 车轮外倾角过小或负外倾，将使转向沉重，轮胎内侧偏磨。 左右外倾角不等，汽车直线行驶时易跑偏。 1 9 武汉理1 二大学硕士学位论文 3 1 4 车轮前束角 前轮前束与前轮外倾协调作用才能保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。 既然前轮外倾角减小了，甚至为负值，相应地前轮前束也应减小甚至为负值。 这是由于前轮前束不仅在汽车空载时抵消前轮外倾，使前轮作近似锥体滚动时 引起的滑动，同时也因齿轮齿条式转向器的广泛采用，使转向系球关节少、配 合间隙小，前轮向外张开的因素少。 车轮前束角对转向操纵稳定性的影响 前束过大，会增加轮胎的滑磨，汽车行驶中左右摇摆，显得不稳定。 前束过小，消除不了如上所述车轮外倾产生的影响，既增加了轮胎的外侧 偏磨，又使行驶不稳定。 3 2 整车仿真模型的建立与悬架参数的设定 本论文所研究的整车动力学模型是在a d a m s v i e w 里建立起来的。 a d a m s v i e w 的建模顺序是自下而上的，在模型中建立各个部件，包括前、 后悬架系统模型，转向系统模型，轮胎模型等，利用a d a m s 软件提供的约束将 各个部件连接在一起，同时引入路面等外部约束条件建立整车刚体模型。 在a d a m s v i e w 里建立整车动力学仿真模型大致可以分为如下几个步骤： ( 1 ) 整车各个机械系统的结构参数以及物理模型的抽象； ( 2 ) 获取各个系统的结构参数，在a d a m s v i e w 里建立起模型； ( 3 ) 获取各个系统的几何参数、物理参数和力学特性参数，将之运用 到上一步骤罩建立的各个模型中； ( 4 ) 根据各自不同的需要进行整车仿真，根据需要对各个子系统的参数 进行调整； ( 5 ) 针对仿真结果进行后处理。 应当指出，要得到比较精确的整车仿真模型，步骤( 3 ) 需要经过反复的验 证，因此在模型建立之前，要获取各系统相应的特征参数，这样可以减少整车 调整过程的难度。 整车的特征参数包括几何特性参数、质量特性参数、力学特性参数和外界 参数等。特征参数的准确性，对于整车仿真建模工作有着极为重要的作用，在 武汉理t 大学硕士学位论文 建模前期需要做大量的工作。获取参数方法主要有以下几种：图纸查阅法、试 验法、计算法、c a d 建模法等。本文几何特性参数和质量、转动惯量特性参数是 根据现有的二维图纸采用三维建模软件u g 获取整车所需的参数。力学参数主要 包括减振器、弹性轮胎等特性参数。外界参数主要是指道路谱和风力等，本文 主要考虑道路谱的影响，忽略了风力的影响。根据不同仿真的需要，所需要建 立的道路谱也会有所不同。 3 2 1 前悬架模型的建立 车的前悬架结构型式采用不等长双横臂独立悬架，弹簧采用螺旋弹簧，其 结构原理图见图3 1 。双横臂式独立悬架在其车轮上下跳动时，只要适当地选择 上、下横臂的长度并合理布置，即可使轮距及车轮定位参数的变化量限定在允 许范围内。这种不大的轮距改变，不应引起车轮沿路面的侧滑，而为轮胎的弹 性变形所补偿。因此不等长双横臂式独立悬架能保证汽车有良好的行驶稳定性， 已为中、高级轿车的前悬架所广泛采用。双横臂悬架的突出优点在于设计的灵 活性，可以通过合理选择空间导向杆系的铰接点的位置及导向臂( 或称为控制 臂) 的长度，使得悬架具有合适的运动特性，并且形成恰当的侧倾中心和纵倾 中心。 图3 - 1 双横臂悬架原理示意图 根据实车悬架和转向系统结构，应用a d a m s 软件建立如图3 - 2 所示的前悬 架系统运动学模型。本模