（车辆工程专业论文）电动轮驱动汽车悬架系统的性能研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了轮毂电机式电动轮的发展历史和发展现状，针对高校自主开发 的电动汽车实体平台的特点，以及传统悬架的自身优势，选取麦弗逊悬架作为 匹配对象，进行虚拟样机模型的建立，并进行仿真分析及优化，进而在此基础 之上完成整车模型的创建，进行整车操纵稳定性和平顺性的试验仿真，得到试 验结果并进行评价。本文结合国外的最新的科技，全面的介绍了电动轮悬架系 统与电动轮本身高度结合的主动轮技术，这是未来悬架的发展方向。 在本文中，首先，根据悬架各部件之间的相对位置，在a d a m s c a r 中建立 麦弗逊前悬架的虚拟样机模型，并对其进行了双轮同向激振仿真运动学仿真， 分析得到悬架参数的变化规律；其次，利用a d a m s i n s i g h t 模块对原始悬架模 型进行结构优化，根据仿真结果确定悬架系统更为合理的结构；再次，根据实 车参数建立整车虚拟样机模型，并进行进行转向盘转角阶跃输入试验、转向盘 转角脉冲输入试验、稳态回转试验和蛇行试验四项车辆操纵稳定性试验仿真， 以及汽车三角凸块脉冲输入平顺性试验仿真；最后对仿真结果进行评价。 关键词：轮毂电机式电动轮，麦弗逊悬架，优化，操纵稳定性，平顺性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ee l e c t r i cv e h i c l ew i t hw h e e lm o t o r a r r a n g e dw e r ei n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e o nt h eb a s i so ft h ee vs t r u c t u r a lp l a t f o r m m a d eb yt h es c h o o lt e a ma n dt h ea d v a n t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a l s u s p e n s i o n ， c h o o s i n gm a c p h e r s o ns u s p e n s i o nt y p ea st h er e s e a r c ht a r g e ta n dc o m p l e t i n gt h e v i r t u a lm o d e lo nc o m p u t e rf o rt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n a f t e rt h ew h o l e v e h i c l em o d e lb u i l d i n ga n dt h ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n dr i d e p e r f o r m a n c es i m u l a t i n ga n a l y s i s ，t h eo u t c o m ew a sg o ta n dt h ec o n c l u s i o nw a sd r a w n b e s i d e st h a t ，t h ef u t u r es u s p e n s i o nt y p e - - a c t i v ew h e e la s s e m b l yw a ss h o w e d d e p e n d i n go nt o d a y sn e wh i 【g h - t e c hi nt h ew o r l d f i r s to fa l l ，m c p h e r s o ns u s p e n s i o nv i r t u a lm o d e lw a sb u i l tb a s e do nt h ep o s i t i o n o fe a c hp a r tb yu s i n ga d a m s c a r a f t e rt h a t ，t h ep a r a l l e lw h e e lt r a v e ls i m u l a t i o n w a sc a r r i e do u ta n dt h ec h a r a c t e r so ft h ep a r a m e t e r sf o rt h es u s p e n s i o nw e r es h o w e d u p a n dt h e n ，i no r d e rt og e tt h eb e t t e ro u t c o m e ，t h eo p t i m i z a t i o nf o rt h es u s p e n s i o n w a sc o m p l e t e db yt h ei n s i g h ts o f t w a r e f o l l o w i n gt h a t ，t h ew h o l ev e h i c l em o d e lw a sb u i l to nc o m p u t e r t h ef o u rt e s t s f o rt h ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c ew e r em a d e ，i n c l u d i n gt h es t e e r i n g w h e e la n g l ep u l s e i n p u tt e s t ，s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u tt e s t ，s t e a d ys t a t i c c i r c u l a rt e s tp r o c e d u r ea n dt h ep y l o nc o u r s es l a l o mt e s t ，a n dt h er i d ep e r f o r m a n c et e s t o np u l s er o a df o rv e h i c l e sw a sc o m p l e t e d i nt h ee n d ，d e p e n d i n go nt h et e s t ，t h ec o n c l u s i o nw a sd r a w n k e yw o r d s ：w h e e lh u bm o t o r , s u s p e n s i o n ，o p t i m i z a t i o n ，t h ec o n t r o l l a b i l i t ya n d s t a b i l i t y , r i d ep e r f o r m a n c e i i 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。 签名：啦日期：马坼 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) 嗍舭 武汉理t 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 近年来，随着科技的不断发展和人民生活水平的提高，汽车在作为传统的代 步工具越来越多的融入人们生活的同时，也从一个侧面反映了国家的工业水平和 科技水平，成为衡量一个国家的发达程度的重要标志。 在当今经济危机愈演愈烈，世界经济陷入低谷难以自拔的时刻，汽车工业因 其自身与上下游诸多工业联系广泛的特点，在成为首当其冲的对象之后，有责任 和能力带领其它实体工业走出困境。而在世界能源危机愈演愈烈，全球生态环境 日益恶化以及汽车保有量不断增加的背景之下，如何能够使整个逆势反弹、转危 为安，技术创新是必不可少的动力之一。 在此背景之下，世界各国及各大汽车公司将新能源汽车作为技术研发的重点， 而其中具有不依赖传统燃料、高效率、低污染等特点的电动汽车成为了各大厂商 技术攻关的重中之重。当前电动汽车的驱动方案主要有两种：差速半轴方案和电 动轮方案。其中电动轮方案以其高度集成化、轻质量、高效率的优势，成为了作 为未来最具市场潜力和竞争力的结构方案。 1 2 1 研究意义 电动轮技术，尤其是轮毂电机驱动的电动轮技术，使整车本身具有很多传统 车辆无法比拟的优势。由于取消了离合器、变速器、传动轴、差速器等部件，底 盘结构大为简化，整车质量减轻，各车轮通过电机的独立控制，无论加速还是减 速，响应速度快且容易测量，并且其工作噪声极低，零污染的特点很好了迎合了 未来环保科技的潮流。 但由于电动轮结构的特殊性，以及主动悬架技术的尚不成熟，电动汽车大多 选择可靠的传统悬架结构与其匹配，新技术与老结构的融合，势必会给悬架本身 的定位和整车的操纵稳定性和平顺性等性能带来改变。 本文以课题组轮毂式电动汽车实体平台为蓝本，采用传统的麦弗逊悬架结构 进行虚拟样机的建模并优化，完成整车的操纵稳定性和平顺性分析，得到仿真数 据为电动轮汽车研究的深入提供支持，为将来科研工作的进一步开展打下夯实的 武汉理工大学硕士学位论文 基础。 1 2 轮毂电机驱动式电动汽车的历史和发展现状 1 2 1 轮毂电机驱动式电动汽车的历史 轮毂电机驱动式电动汽车虽然现在成为各大汽车厂商主推的热点技术，事实 上，此概念由来已久。早在1 9 世纪后期，w e l l i n g t o n a d a m s 就提出了轮毂电机的 概念，此后经过数年的发展，逐步形成了轮毂电机驱动式电动汽车的雏形，并为 当时的社会所广泛接受。轮毂电机式电动汽车的发展历史如表1 1 所示： 发明年代发明人形式特点意义 1 8 8 4 年 w e l l i n g t o na d a m s第一次提出将电机镶嵌在车轮轮毂电机历史 内部，电机需要通过复杂的传的开端 动装置才能成型 1 8 9 0 年 a l b e r tp a r c e l l e在其研制的电动机动轮组一体化轮毂电 ( e l e c t r o m o t o rt r a c t i o n 姗l e e l )机的首发 上安装了第一个完全一体化的 轮毂电机 1 8 9 0 年 e d w a r dp a r k h u r s t 发明了低转速、大扭矩的电机。轮毂电机的进 该电机能够在无齿轮传动装置一步发展，安 的情况下安装在车轮内部装于汽车 1 8 9 6 年 f r e n c h m a nc h a r l e s发明了涵盖几乎所有优点( 包 最早的车辆电 t h e r y c 括精简了传动装置不会引起传控轮毂电机 动能量损失这类独特优势) 的 车辆用电控轮毂电机 1 8 9 6 年 cfg o d d a r d通过偏心可变形的弯曲辐条产 应用于阿波罗 生的膨胀气体来作为动力驱动漫游者登月 的活塞式轮毂电机车，电动汽车 的航空拓展 1 8 9 7 年 f e r d i n a n dp o r s c h e两个前轮分别安装轮毂电机的电池动力源轮 “l o h n ep o r s c h e s ”跑车毂电机跑车 表1 - 1 轮毂电机式电动汽车的发展历史 2 武汉理j 大学硕十学位论文 随着业界对轮毂电机式的电动汽车其传动效率是高于中央电机式电动汽车的 认知，轮毂式电动汽车在当时得到了业界的广泛认同，得到了很好的发展开端。 但随后由于汽油发动机动力性的提高，汽油发动机大的马力能够弥补传动系统的 损失，因而取代了电动汽车占据了市场。但不可西认的是汽油机车本身在效率卜 是远近不如轮毂电机式电动汽车的。随着石油的大量消耗，世界能源危机的到米， 全球气候恶化的加剧以及政府对环保的重视，电动汽车在一个漫睦的轮回之后叉 重新回到了人们的视野。 122 轮毂电机驱动式电动汽车的发展现状 当今，各国政府和各太汽车公司都加大了对电动汽车，特别是轮毂电机驱动 式的电动汽车的研发力度。美国以三大汽车集e 为代表，通用公司早在2 0 0 2 年就 提出了以燃料电池为基础的轮毂电机式电动概念车“a u t o n o m y ”；日本的k c i o 大 学清水浩教授领导的电动汽车研究小组 车为研究对象，分别推出了i z a 、e c o 一直咀基于轮毂电机的全轮驱动电动汽 k a z 等产品，最近其又与企业合作成立 了电动汽车公司“s i m d r i v e 研发8 轮轮毅电机驱动式电动汽车“e l i i c a ”；我国政 府针对电动汽车研发的十五计划“八六二”电动汽车重大科技专项早已正式启动 同济大学分别推出了采用轮毂电机驱动系统的四轮驱动燃料电池微型电动汽车 警毽霎翳熬紧怒 乜穿譬? 。鼍兰瑟 c o l t e v e v e r y d a yc o m s k a z 电池类型 锂电池锂电池 传统电池燃料电池 整车参数 3 9 0 0 1 6 8 0 1 5 5 0 ( m m )2 2 5 0 9 5 5 1 6 0 0 ( m m ) 6 7 0 0 1 9 0 0 1 6 7 0 ( n u n ) 质量 1 1 5 0 k g 2 7 0 k g 2 9 8 0 k g 最高车速 1 5 0 k p h5 0 k p h 3 1 0 k p h 百公里加 1 2 s7 s 速时间 续时里程 1 5 0 k m 8 0 k m3 0 0 k m 电机功率 4 0 k w 4 k w6 0 k w 座位数 41 8 驱动形式 后驱 四驱全驱 武汉理1 。大学硕+ 学位论文 车型 p e u g e o tb b l c h e v t 0 1 e t8 e q u e l m i n i q e d 电池类型 锂电池锂电池锂电池 整车参数 2 5 0 0 1 6 0 0 1 5 4 0 ( m m )4 9 9 4 1 9 6 6 1 6 9 7 ( m m )3 6 2 6 1 6 8 8 1 4 1 6 ( n m l ) 质量 6 0 0 k g 2 1 7 0 k g1 1 5 0 k g 最高车速 9 0 k w 1 4 5 k p h2 4 0 k p h 百公罩加 1 0 s4 5 s 速时间 续时旱程 1 2 1 k m4 8 0 k m4 0 0 k m 电机功率 1 5 k w7 3 k w4 8 0 k w 座位数 454 驱动形式 后驱四驱 嗣拇a _ _ 一张麓目_图片- 鼙嚣 i 1 4 _ 圉融 酞拳。一， 车型 盥警溯 e l i i c a比亚迪e t 电池类型 锂电池燃料电池锂电池 整车参数 5 1 0 0 1 9 0 0 1 1 3 6 5 ( m m )4 6 5 5 1 8 2 0 1 4 9 5 ( t a r a )4 6 0 5 1 8 3 2 1 5 9 0 ( m m ) 质量 2 4 0 0 k g 1 2 0 5 k g 晟高车速 3 7 0 k p h 1 6 5 k p h 百公里加 4 s 85 s 速时间 续时里程 2 0 0 k m5 0 0 k m 电机功率 4 8 0 k w1 0 0 k w 1 0 0 k w 座位数 544 驱动形式 全驱四驱四驱 表1 - 2 轮毂电机式电动汽车产品 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动轮悬架系统 2 1 电动轮的结构特点与优势 2 1 1 轮毂电机的优点 与传统的电动汽车在电机设计上采用中央电机设计，即单一电机通过驱动轴 驱动两个甚至四个车轮的形式不同，轮毂电机( w h e e lm o t o r ，w h e e lh u bm o t o r ， w h e e lh u bd r i v e ，h u bm o t o ro ri n w h e e lm o t o r ) 是一种集成在单个车轮内部直接驱 动车轮的电机形式。 轮毂电机现在已经可以作为车轮零件的一部分由工厂的装配线直接生产出 来，并且可以作为标准件匹配于各类现代铁路动车组，包括机车车头和多机组车 厢。但其在汽车上的应用程度并不高，这也作为轮毂电机愈加受到广泛重视的原 因之一。作为一个创新的电机形式，轮毂电机有着自身特有的优点。现将传统车 辆和轮毂电机驱动式车辆的特点对比，总结如表2 - 1 所示。 传统的车辆安装轮毂电机的车辆 通过机械方式将动力从动力源传递到节能是轮毂电机最为显著的特点；轮毂 车轮上，内燃机转速低于1 0 0 0 r p m 时须电机驱动在零转速的情况下就能提供 通过机械传动的传动比来补偿动力不最大的转矩；电机直接置于轮毂之上的 足，机械齿轮传动在动力传导过程中会轮毂电机，在动力损耗方面几乎为零 引起两驱车3 0 四驱车4 0 的动力损耗 当转子的转速超过额定驱动频率值时， 机械传动的过程中会带来3 0 n4 0 的三相交流电机就会很容易的转化为发 动力损耗电机，电力会自然的再生，动力损耗将 被回收，而前驱比后驱获得的能量更大 传统的传动装置，由于发挥着各自的功 去掉了传统的传动装置，包括变速器、 差速器、驱动轴、车桥等部件，整车具 用而无法省减，会使整车自重很大 备轻量化的整体优势 机械加部分电控的驱动方式，响应时间 线控驱动，每个电动轮都能精确实现电 子控制；电子设备可以在软件功能方面 和精度有待提高 集成其中而不会带来任何的额外成本 表2 - 1 传统车辆和轮毂电机驱动式车辆的特点对比 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 轮毂电机和电动轮的分类及选择 轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮 毂电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子型和外转子 型。图2 - 3 所示为内转子( a ) 和外转子( b ) 两种结构形式的轮毂电机。 图2 - 3 内、外转子轮毂电机 内转子和外转子有着各自的特点，如表2 - 2 所示： 类型转速特点优点缺点 电机最高转速一般轴向尺寸小，比功率如要获得较大的转 1 0 0 0 1 5 0 0 转分左高，能在很宽的速度矩，必须增大发电机 外转子电右，无减速装置，外范围内控制转矩且响体积和质量，这无疑 机传子与轮辋固定或者应速度快，外转子直增加了成本，而且其 集成在一起，车轮的接和车轮相连而没有加速时效率低，噪声 转速大抵与电机相同减速机构因此效率高大 高速内转子电机配备 固定传动比减速器， 内转子电 电机转速通常1 0 0 0 0有较高的比功率，质 转分，常采用传动比量轻，体积小，效率 减速装置使效率降 机低，非簧载质量大 1 0 ：l 的行星齿轮减速高，噪声小，成本低 装置车轮的转速可达 到1 0 0 0 r m i n 左右 表2 - 2 内转子和外转子特点比较 6 武汉理工大学硕士学位论文 高速内转子的轮毂电机通常使用在高转速、低扭矩的场合，随着紧凑的行星 齿轮变速机构的出现，高速内转子式系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞 争力。所以根据上表的两种电机不同特点的比较，内转子轮毂电机系统以其自身 低成本、小体积和高转速的优点，成为本电动汽车平台轮毂电机的首选。 电动汽车的驱动方案主要有两种，一种是通过机械传递动力，但效率低下的 差速半轴方案；另一种就是电动轮方案。电动轮是个完整的驱动单元，高度独 立的系统，使用和维护都很方便，既可单独维修也可整体拆换，代表着电动汽车 驱动方案未来发展的潮流。电动汽车的电动轮按照驱动方式分类，可以分为直接 驱动型电动轮和减速驱动型电动轮两大类型。 直接驱动型电动轮省去了减速器，减轻了非簧载质量，简化了整体电动轮结 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电动轮中的 电动机必须能在低速时提供较大的转矩。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。 减速驱动型电动轮允许电动机在高速下运行，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。减速器多为行星齿轮减速装置，其结构紧凑，减速比较大。本电动汽车平 台根据电机选择和出于控制成本的需要，选择减速驱动型电动轮形式。 2 2 传统悬架系统方案的选择 就目前的科技水平和科研状况来看，一般来说，革新的电动轮技术匹配的仍 然是传统的悬架系统。因为传统的悬架系统技术成熟，制造成本低，安全可靠， 适合于大规模安装和量产，前期投入小，使用风险小，安全系数高。 悬架般由弹性元件、减震器和导向机构三部分组成。汽车悬架是汽车重要 的组成部分，它是连接车轮与车架的弹性传力装置。不仅承受作用在车轮和车体 之间的力，还可以吸收与缓和汽车在不平的路面上行驶时，所产生的振动和冲击， 从而提高乘坐的舒适性，延长机件的寿命。 对于汽车前悬架目前基本上都采用独立悬架系统。悬架系统由连杆机构和弹 簧、减震器组成三角形、四边形或其它形状的连接方式以固定车轮与车身的相对 7 武汉理j 。人学硕十学位论文 位置，在弹簧的作用下使车轮可以干日对车身上下运动。后悬架系统多采用钢板弹 簧非独立悬架、多连杆式、麦弗逊式、双横臂式等。最常见的前悬架有双横臂式 多连杆式和麦佛逊式。三种悬架类型的特点对比如表2 - 3 所示 悬架类型优点缺点 结构紧凑，车轮跳动时前简单的结构造成悬挂的 轮定位参数变化小，路况刚度有限；易发生几何变 麦弗逊式 适应性强，响应较快，制 形，车身稳定性较差 造成本低 侧倾小，可调参数多，轮占用较大的空问定位参 取横臂式胎接地面积大抓地性能数较难确定 优异，提供良好的动力性 操控稳定性能优越，舒适结构复杂、研发生产成本 多连杆式 性能好高、占用空间大 表2 - 3 麦弗逊式、双横臂式、多连杆式悬架优缺点对比 通过上表的对比及本电动汽车和电动轮悬架的特殊要求，尽管麦弗逊悬架在 某些方面要比双横臂悬架和多连杆悬架略逊少许，但就本课题所搭建的重量极轻 而结构简单的电动汽车样车平台而言麦弗逊悬架结构简单、安装方便、占用空 间小、应用范围广。、路况适应性强、性能相对稳定以及成本低廉的特点，使其非 常适合本平台的悬架选择。在高校科研课题强调普遍理论研究以及经费和人力资 源相对紧张条件下，选择麦弗逊悬架与本课题的轮毂电机驱动式电动轮相匹配是 一个理性的选择。 ：魑嚣酷黼絮怒 _ 图2 - 2 麦弗逊悬架图2 - 3 麦弗逊悬槊部件连接示意图 孥 r e i t 、 漕毒 毒 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 悬架系统以及电动轮的未来趋势 23 1 集成主动悬架的主动轮技术 随着科技的发展，无论是对于悬架系统还是电动轮本身而言，集成化、轻量 化、智能化始终是未来发展的趋势。新的科技、新的产品的出现势必会打破传统 的结构概念。在新科技的冲击下，传统的悬架系统不可以长期存在，更小巧，更 稳定，控制能力更强的电控新型主动悬架无疑是未来悬架系统发展的趋势。电控 主动悬架以及其与电动轮本身和其他系统完美结合的产物米其林公司的“主 动轮”( a c t i v e w h e e l ) 概念的闷世，为我们打开了一个新思维的大门，标志着一个 新结构时代的到来。图2 - 4 、2 - 5 分别所示为主动轮及其悬架装置。 图2 4 主动轮圈2 - 5 主动轮悬架装置 米其林主动轮已经不简简单单是一个部分，而是一个高度集成了动力装置、 悬架装置、制动装置以及车轮本身的整体系统，是一组无需传统动力总成就能驱 动汽车前行的智能化车轮，同时，其新型的悬挂和制动系统能也为整车提供优秀 的操纵稳定性和平顺性。主动轮性能特点如表2 _ 4 所示。 高度集成化环保性能轻量化高安全性 紧凑的驱动电机和来自电池或超级电变速箱、离合器、电控系统快速响 集成化的主动悬挂容器的动力源带来 传动轴、差速器、应带来极短反应 系统的应用；车轮零污染和无振动舒减震器和横向稳定时间；车轮集成 集成盘式制动器、适性且不会产生任杆等机械传动部件电子悬挂系统很 双电机和悬架系何温室气体；电动的省去使车辆变得好地控制俯仰和 统：车轮各自独立驱动系统相比传统 更轻量、更节能、侧倾运动；电子 自成体系使四驱或车辆极大的减小城更高效底盘控制系统改 武汉理 大学硕士学位论文 两驱车在主动轮的市的噪声污染进了车辆稳定性 应用下变得简单和和抓地力；原放 直接置引擎的前车部 位可完全用于吸 收外部冲击 表2 - 4 主动轮的性能特点 2 32 主动轮技术的应用 米其林公司宣布在2 0 1 0 年将与其他公司合作将裂有主动轮系统的车辆推向市 场。现将其应用的车型及特点总鲒如表2 5 所示，这样新式的悬架、车轮结构与整 车的良好匹配，对来来的车辆设计有很好的借鉴意义。 警。譬黼q 蛹函霜豳豳瞄 谣蓄螽鱼爹轧“哥i h y - l i g h t w i l l v e n t u r iv o l a g e 动力源 燃料电池 锂电池燃料电池超传统电池燃料电池 级电容器 质量 8 5 0 k g9 0 0 k g1 0 7 5 k g 最高车速 1 3 0 k p h1 4 0 k p h1 5 0 k p h 百公里加 1 2 s 5 s 速时m 续时里程 4 0 0 k m1 5 0 4 0 0 k m 电机功率 6 0 k w 6 0 k w 6 0 k w 座位数 452 车身材料 铝钢材料混用铝钢材料混用碳纤维 表2 5 主动轮的应用 米其林“主动轮”的研发工作早在多年前就已经开始，随着环境的t q 益恶化， 资源的不断枯竭，x t f 对环保的要求越来越高以及政府强制实施车辆燃料消耗量 的政策，此技术必将获得未来市场的肯定，成为未来发展的趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章悬架的建模、仿真及优化 3 1a d a m s o a r 在悬架设计中的应用 a d a m s 软件，是由美国m s c 公司开发的最优秀的机械系统动态仿真软件， 是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件之一。用户使 用a d a m s 软件，可以自动生成多种复杂系统的动力学数字化虚拟样机模型，并 对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、角速度、 加速度等曲线。a d a m s 软件的应用，能帮助企业缩短产品开发周期，降低投入 成本，提高产品设计质量，增强产品的竞争力。 a d a m s 软件的主要模块包括：核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口 模块和工具箱。其中a d a m s c a r 模块属于专业模块之一。它是前m d i 公司与奥 迪、宝马、雷诺和沃尔沃等公司合作开发的轿车专用分析软件包，集成了他们在 汽车设计开发方面的专家经验，在a d a m s c a r 中融合了轮胎模块、解算器模块 和后处理模块。它允许汽车工程师建造汽车各个子系统的虚拟原型，并如同试验 真是样机一样对其进行计算机仿真分析，输出表示操纵稳定性、制动性、乘坐舒 适性和安全性的性能参数。 a d a m s c a r 模块分为s t a n d a r d ( 标准) 和t e m p l a t eb u i l d e r ( 模板建模器) 两 种模式。a d a m s c a r 中的文件体系是由一系列的文件构成，并保存在数据库里， a d a m s c a r 中的文件主要有四类构成，分别是：属性文件、模板、子系统和装配 组件。悬架模板的建模步骤如下：( 1 ) 建立硬点和方向点；( 2 ) 利用己建好的硬点 和方向点建立部件并添加几何体；( 3 ) 添加约束：( 4 ) 设置悬架主销轴线、前束角 及外倾角等特性参数；( 5 ) 建立悬架模板与其它模板或测试台之间进行数据交换的 输入、输出通讯器，以便各个子系统之间进行正确的连接。 若干个子系统组装成装配组合后，就可以进行各种仿真分析，当用户对于分 析得到的结果不满意时，还可以在a d a m s c a r 界面中对悬挂部件的几何尺寸和 空间连接位置、弹簧刚度甚至悬挂的种类等进行快速修改，重复仿真分析，评估 修改结果。图3 1 所示为a d a m s c a r 内部文件关系。 武汉理工大学硕士学位论文 甲甲 省占。l 一厂y qp i + 试验台： ( 装配组件) 一 悬挂 ( 整车) l 仿真设置l 叫上 ( 目定义 仿真分析 图3 - 1a d a m s c a r 内部文件关系。 3 2 虚拟样机建模的课题实体平台依托 本文的虚拟样机建模的结构及参数均以课题实体样车平台为依托。此平台是 武汉理工大学汽车学院课题组对轮毂电机式电动汽车的控制策略及整车性能研究 而搭建的实体平台。 该平台的原型是一辆传统的内燃机式沙滩专用车辆。平台的搭建是依托原有 结构来打造轮毂电机电动汽车。在重新布置的过程中，装配工作主要集中在前、 后车轴及车身的改造上面。将原始轮胎置换为行驶阻力、转向力矩小的轮胎。在 原悬架上加装电机固定架，连接电机安装支架和悬架，将轮毂电机固定在悬架上， 尽量保持车身整体结构的完整性。而由于高校在科研投入方面的有限，而且学校 研究的重点在于理论方面，本车的电动轮上电机的集成度并非很高，或者说在结 构上无法和专业汽车厂商生产的电动轮进行比较，只属于轮毂式电动轮结构的初 级阶段，但其作为高校科研所专门搭建的平台，意义同样难能可贵。图3 2 、3 3 分别所示为轮毂电机及电动轮。 武汉理i 大学硕十学位论文 嬲黧 幽龇。攀 簿涮 3 3 悬架模型的建立 麦弗逊悬架在建模过程中，主要包括以f 几个部件：控制臂( c o n t r o la n n ) 、 转向节三角臂( w h e e lc a r d e r ) 、弹簧( s p r i n g ) 、减震器( d a m p e r ) 、横拉杆( t i er o d ) 、 转向节立柱( c a r t i e r l i n k ) 、轮毅( h u b ) 和轴套( b u s h i n g ) 。其创建的模型如图所 示。图3 7 所示为前悬架刚性铰链连接模型，此时不考虑转向系，即不考虑左右 车轮之间的运动关系，在仅考虑前悬架自身的前提下的结构和连接情况。 武汉理1 大学硕士学位论文 图3 7 前悬架刚性铰链连接模型 部件间的连接，分为内部连接和外部连接。如图3 - 8 所示。 多三卜_ ( 内部连接。 乾鼓 眶张：! k ； 外部连接楔板内_ l 慎扳外一 图3 8 部件间的连接 在建模的过程中，转向节和滑柱之间通过棱柱副连接，控制臂通过前、后轴 套以及转动副与安装件通过通讯器与车身连接，滑柱通过滑柱轴套和球形副与安 装件通过通讯器与车身连接。转向节通过球形副与横拉杆连接，横拉杆通过万向 副与安装件通过通讯器与转向齿条连接，轮毂通过铰接副与转向节连接，最后定 义主销轴线。 34 悬架仿真分析 3 41 整车参数仿真设置 在仿真之前必须设置悬架模型未能提供的整体参数，来供a d a m s c a r 计算 武汉理】大学硕士学位论文 悬架特性时使用。s u s p e n s i o n t e s t r i g 根据执行分析的类型调入参数设置对话框中 的相关参数，对于本电动车整车参数设置如表3 1 所示 数轴距车轮质量( 包括簧载质质心高轮胎自由驱动系数 电舸1 ) 量 度 半径分配 数值1 3 0 0 r a m 2 5 k g2 2 0 k g 3 0 0 m m4 0 0 r a m 5 0 表3 - 1 电动车整车参数 3 42 悬架刚度及阻尼比的确定 汽车前后悬架与其簧上质量组成振动系统的固有频率，足影响汽车平顺性的 丰要参数之，当质鼍分配系数近似为l ，汽车的前后偏频n 2 可用f 式表示： 马= 4 q ，n + 2 ”啦= 龟鸭+ 2 f 为c 、岛前、后悬架的刚度，脚、m ：为前、后悬架的簧上质量。偏频越小， 汽车的平顺性越好，一般对于钢制弹黄的汽车， 约j l3 h z , 约】j 7 j5 h z 对于本车一- 1 0 0 k g 掰2 - 1 2 0 k g ，玛- 1h z ，色= l2 h z ，所以前、后悬架刚度为： q = ( 2 x ) 2 1 0 7 x l 2 = 39 4 n m m c 2 - r 2 x ) 2 1 2 8 x 1 2 2 = 6 8 1n r a m 弹簧刚度可用下式表示置= q 口2 2 b 2k ，= e 2 a 2 2 b 2 ；a 为车轮轴线到铰接点的距 离，b 为弹簧中心线到铰接点的距离。得到弹簧刚度近似为：最= 2 n m m ，k ，= 3 5 n n u n 。悬架的阻尼此可用下式表示：矗= 皇+ ( 2 q 玛) 乒= 岛+ ( 2 岛鹄) 选取适当的减震器阻尼系数得到悬架的阻尼比为：盲= 0 5 ，厶= 0 4 在本次仿真分析中，将建立一个虚拟激振台，进行取轮同向激振仿真，没置 卜下激振位移为5 0 r a m ，以左右车轮同步上下跳动来计算悬架跳动过程中主要性 能参数的变化规律。图3 - 9 所示为前悬架仿真试验台。 图3 - 9 前悬架仿真试验台 熊 孚 武汉理t 大学硕士学位论文 3 4 3 仿真结果分析 汽车悬架运动学( k i n e m a t i c s ) 描述的是车轮在弹簧伸张变形或转向过程中 的运动；而弹性运动学( c o m p l i a n c e ) 则是描述由于轮胎和路面之问的力和力矩 引起的车轮定位参数的变化。在a d a m s c a r 中，对于同一处的运动连接，在建 模时可以同时使用由刚体组成的运动副( 铰接) 和具各项弹性阻尼特性的轴套， 通过运动学切换子系统当前的模式，使仿真使用不同的铰链。刚性运动副对应运 动学仿真( k 仿真) ，弹性运动副( 橡胶轴套) 对应顺应态仿真( c 仿真) ，即弹性 运动学仿真。以下选取顺应态仿真结果显示图片中，仿真结果如下： l 、主销内倾角 在同时垂直于车辆纵向对称平面和车辆支承平面的平面内，由真实的或假想 的转向主销的轴线在该平面上的投影与车辆支承平面的垂线所构成的锐角叫主销 内倾角。主销内倾角的作用是使车轮在受外力偏离直线行驶时，前轮会在重力作 用下自动回正。另外，主销内倾角还可减少前轮传至转向机构上的冲击使转向轻 便。但内倾角不宜过大，否则在转向时会使轮胎磨损加快。主销内倾角越大前轮 自动回正的作用就越强烈但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前 轮自动回正的作用就越弱。实际设计时，主销内倾角取值的大致范围是： 7 。 1 3 。并希望取较小的数值。从图3 1 0 中可以看出主销内倾角的变化范围为7 6 。 1 0 2 。满足要求。 一”一“l i；l ； o 一一 一。 一j 一一p 一下一 j ，。了 一- 一彳一 ；j ，一1 一 7 一7 i ，一7 i ，r i； 一一 。，；7 7 一 图3 - 1 0 主销内倾角随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 2 、车轮外倾角 通过车轮轴线且垂直于车辆支承平面的平面内，车轮轴线与水平线之间所夹 锐角称为车轮外倾角，向外为正，向内为负。其角度的不同能改变轮胎与地面的 1 6 武汉理丁大学硕士学位论文 接触点，直接影响轮胎的磨损状况并能改变车重在车轴上的受力分布，避免轴承 产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消车身载重后，悬架系统机件变形 所产生的角度变化，外倾角的存在也会影响车的行进方向，因此左右轮的外倾角 必须相等。设计中要减小车轮相对于车身跳动时外倾角的变化，一般上跳时，对车 轮的外倾变化为：( - 2 。0 5 。) 5 0 r a m 较为适宜。从图3 1 1 中可以看出车轮外 倾角的变化范围为( 一1 8 。0 8 。) 5 0 r a m ，满足要求。 ”。l 一缨攀嫂粤叫 f ：i e 毳 ”d f i 一、0 一、k 一、 、0 ? 、 、 k i ：_ 羹 ”_ 一 图3 一1 1 车轮外倾角随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 3 、主销后倾角 通过过车轮中心的铅垂线和真实或假想的转向主销轴线在车辆纵向对称平面 的投影线所夹锐角为主销后倾角。向前为负，向后为正。主销后倾角的存在可使 车轮转向轴线与地面的交点在轮胎接地点的前方，可利用地面对轮胎的阻力产生 绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相反，使车辆保持直 线行驶。后倾角越大车辆的直线行驶性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但 主销后倾角过大会使转向变得沉重，驾驶员容易疲劳。一般认为主销后倾角不宜 过大，一般取2 。3 。范围，尽量选取小值。从图3 1 2 中可以看出主销后倾角 的变化范围为一0 1 2 。0 1 7 。，偏小。 1 7 武汉理r 大学硕士学位论文 j c $ ”咚u m 埘b “i ； ，毒一：j i： ：一，一 一 一一一 一。一一一 ，i 一 ；十+ ， 一一一。 一：一一， 一 一，_ 一 ， 图3 - 1 2 主销后倾角随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 4 、前束角 同一轴两端车轮轮辋内侧轮廓线的水平直径的端点为等腰梯形的顶点，等腰 梯形前后底边长度之差为前束。车轮的水平直径与车辆纵向对称平面之间的夹角 为前束角。由于车轮外倾及路面阻力使前轮有向两侧张开做滚锥运动的趋势但受 车轴约束，不能向外滚动，导致车轮边滚边滑，增加了磨损。通过前束可使车轮 在每瞬间的滚动方向都接近于正前方，减轻了轮毂外轴承的压力和轮胎的磨损。 对于汽车前轮希望前束不变，或者变化范围很小。从图3 1 3 中可以看出前束角的 变化范围为一1 9 。2 5 。，变化范围偏大。 1钾n 蛩一蟛l f r站l 一l。n 舯，曲r i - 暑h a v r 0 枷i j 、； 。 。 弋 、 4 k 、 j 文 一一 o- - 4 0 0- 3 0 0- 2 0 01 0 oo o伯0 如o挑o4 0 + 0尉 图3 一1 3 前束角随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 5 、主销偏距 主销偏距，是指主销( 或虚拟主销) 与地面的交点到轮胎接地中心的距离。 武汉理工大学硕士学位论文 地面对转向的阻力力矩，与主销偏距的大小成正比。主销偏距是一个非常重要的 参数，主销偏距越小，转向阻力矩也越小。所以，一般希望主销偏距小一些，以 减小转向操纵力以及地面对转向系统的冲击。主销偏距与主销内倾是密切相关的。 调整主销内倾角，可以得到不同的主销偏距。从图3 1 4 中可以看出主销偏距的变 化范围为6 5 m m 一- + 8 7 m m ，主销偏距小，满足要求。 _ _ l 一- c 埘啤咚p 蟹：甓i； i 一一母一 一一， ，一，一一一一 二一一 。；一 一- 一 一，卜一弋“ i 一一- 一 r - ，一 一一寸一一 t 二一。 图3 - 1 4 主销偏距随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 6 、侧倾角刚度 侧倾角刚度的大小及其在前、后轮的分配，对车辆侧倾角的大小、侧倾时前、 后车轮的载荷再分配，以及车辆的稳态响应特性有一定的影响。从图3 1 5 中可以 看出侧倾角刚度有较大变化，侧倾刚度增大的趋势表明在侧向加速度增大时悬架 的抗侧倾能力增强，满足设计要求。 75 e + 0 0 5 7 幢，0 5 蓍 差 耋6 譬峭 重 l 磊矗眶。瞄 蓉 芑 5 c j , * 0 0 6 5 a ! 0 0 5 f f 磷_ f 埔m h 钿嘲，碱糟断l p r 0 口轴t502 0 0 1 确 图3 - 1 5 侧倾角刚度随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 7 、抗点头率 抗点头率影响平顺性，是悬架一个重要性能参数指标，从图3 1 6 中可以看出， 抗点头率有增大的趋势，表明其抗点头性能良好，满足设计要求。 a 哪“辄e 毒声；卜 i ! ；l r ：一 ! ，； ，争7 j 。 量 ； ，? 蔗l 彳l ， f y 图3 - 1 6 抗点头率随车轮上下跳动位移的变化关系曲线 8 、轮距变化量 车轮跳动时车轮绕瞬时中心摆动，左右轮之间的距离必然产生变化。轮距的 变化一方面影响汽车直行稳定性及汽车的操纵稳定性；另一方面由于轮胎的横向 滑移，导致轮胎的磨损，降低了轮胎的特性及使用寿命。所以设计时应尽可能地 降低跳动时的轮距变化，一般轿车的轮距变化应在5 m m 5 0 m m 之间。从图3 1 7 中可以看出，车轮下跳时的轮距变化较大，但由于下跳时得轮胎正压力较小且出 现的概率较少对性能影响不大；上跳时轮距变化很小，满足设计要求。 一l w m o 晰u 抽? 如薯性l t 哺c l 鼻付 l i 一一w 阳褂c _ 由rl | 岫r 捌如冒哺t 竹c 砖内憾i | 一一一 一一一一 ，一l 一 ，t 7 一 一 ， 1 s o2 t o 图3 1 7 轮距变化量随车轮上下跳