电动汽车悬架系统动力学性能开发设计

1、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）【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。【】，【关键词】悬架系统动力学电动汽车舒适性操控性：引言本文所涉及的电动汽车，在上一代某车型基开发流程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（）出发，参考竞争车型的特性、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（）和子系

2、统级的技术指标（），进而通过多体运动学和有限元分析础上进行设计，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。底盘的特性是影响整车操稳性的决定性因素，“”指悬架的运动学特性，对悬架硬点布置十分敏感；“”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，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。本文也主要针对参数进行（）等工程软件对零件技术指标（）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

3、性能开发是一个相反的过程，自下至上，如图所示。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，因为电动车研究，提出设计和改进方案。收稿期：上海汽车万方数据整年级技术指标酉系统级技术指标子系统级技术指标零件级技术指标入阿图悬架系统开发示意图可设计不同的助力曲线，以提高驾驶乐趣。表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。后轴侧偏柔度不足转向梯度。转向灵敏度最小转向灵敏度。转向灵敏度转向盘力矩梯度转向盘力矩梯度最小

4、转弯直径侧倾梯度是指车身侧倾角相对侧向加速度的变化率，侧倾梯度越小，过弯时车身的侧倾角越小。但过低的侧倾梯度又会影响侧倾转向对不足转向梯度的贡献，影响稳定性。考虑到重心下降的影响，该指标设定在。之间。不足转向梯度，由前轴侧偏柔度和后轴的侧偏柔度的差值共同决定。家用轿车设计希望车辆具有一定的不足转向特性，一般在。左右，这样可以使驾驶员不会过分紧张，能够一定程度的抵抗外界干扰而保持稳定行驶。转向灵敏度是指侧向加速度随转向盘转角的变化率。与不足转向梯度的关系式为：两（）式中，为转向灵敏度；为转向传动比；为轴上海汽车万方数据距；为重力加速度；为车速；为不足转向梯度。在的速度条件下，根据文献统计转向灵敏

5、度范围一般在。左右。最小转弯直径是表征汽车转弯性能灵活与否的一个参数。最小转弯直径越小，灵活性越好，在狭窄区域掉头或停车位泊车的优势也就越明显。对于前轮转向的汽车，转弯直径受车轮转角影响最大，轮胎转向角越大，转弯直径越小。受到轮胎包络与车身及周围零件的影响，以及传动轴球节角度的限制，车轮最大转向角一般小于。，这样就有一个最小转弯直径的要求。系统级技术指标从项目角度出发，控制成本，尽可能保持现有基准车悬架系统的零件和结构，通过尽可能小的改动达到高质量的设计需求。系统级设计目标的制定需要综合考虑基准车的目前状态、整车级技术指标和项目的要求。主要参数包括：车轮跳动行程、偏频、侧向力转移、侧倾刚度、侧

6、倾中心高度以及主要的前束角和外倾角随着车轮运动和车轮受力的变化等。轮跳指轮心的跳动量，设计时需要设定最大极限行程和（两倍的设计质量）行程。从平顺性角度讲，行程越大，舒适性越好。极限行程的目标制定需要综合考虑行程和总布置的需求。一般前轮的上跳范围是±，下跳为±；后轮考虑到有无负载的情况，轮心相对车身的变化比前轮大，所以后轮上跳范围一般为±，下跳±。悬架偏频主要影响车辆的平顺性，偏频的大小也决定了悬架刚度的软硬。为使车辆通过障碍时快速回到平衡状态，一般要求后悬偏频是前悬的倍左右，前悬偏频的范围在之间。侧向力转移是为了保证瞬态响应时操控的稳定性，即发生侧倾时，

7、前轴载荷转移占总的轴荷转移的百分比。通常为使车辆具有比较线性的操控性和一定的不足转向特性，侧向力转移的百分比应接近和略大于设计状态轴荷分配的比率，如轴荷分配比为，侧向力转移目标设定在左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，在不同的车速下右。侧倾刚度的大小在弹簧刚度一定的条件，主要取决于稳定杆或扭力梁后桥的扭转刚度。侧倾刚度的范围要考虑到对侧向力转移和侧倾梯度的影响，其关系式为驴高￥扣（埘机）咖缸。击：，式中，。为侧倾梯度；为车重；为重心高度；吖为前悬侧倾刚度；如为后悬侧倾刚度；为前悬侧倾力矩；打为后悬侧倾力矩；：，为转向引起的前轴载荷转移；：，为转向引起的后轴载

8、荷转移；，为前轮距；，为后轮距。可以设定前悬侧倾刚度目标为。，后悬侧倾刚度目标为，才能同时满足侧倾梯度和侧向力转移的要求。前束角和外倾角随着车轮运动和车轮受力的变化，主要包括：侧倾转向、侧倾外倾、侧向力转向、侧向力外倾、回正力矩转向和回正力矩外倾等。这些特性决定了前、后悬架的侧偏柔度和整车的不足转向梯度。这些目标的设定同样要考虑到基准车的目前状态和整车级的技术指标（），此外还需要了解零件将来的设计方向，这涉及到是改“”特性还是“”特性，还是都需要改善，才能满足的要求。电动车整车重量增加近，电池的布置也导致轴荷分配由原来的变到，通过模拟分析可知不足转向下降，见图；质心高度与基准车相比降低了，不足

9、转向下降。，见图。如果保持悬架参数不变，不足转向总体下降。；此外，电动助力转向替换原有的液压助力转向，导致刚度增加。，也使不足转向有进一步降低的趋势。可见，要保持同样的操纵稳定性和舒适性水平，悬架系统参数不得不重新设计。此外，电动车整车质量的增加，基准车原有后桥和前转向节不能满足耐久方面的要求。意味着这两个零件需要设计全新零件。基于这个背景，影响后悬侧偏柔度和不足转向的参数目标设万方数据轴荷的质量分布图轴荷分配对侧偏柔度和不足转向梯度的影响奄￥卜型区堡匿犀尽磐叫一重心高度图重心高度变化对侧偏柔度和不足转向梯度的影响定如表、所示。基于侧偏柔度预测的不足转向梯度见表。表前悬影响侧偏柔度的主要目标设

10、定主要参数基准车电动车目标侧倾转向（。）侧倾外倾（。）侧向力转向（。）。侧向力外倾（。）。回正力矩转向（。）回正力矩外倾（。）表后悬影响侧偏柔度的主要目标设定主要参数基准车电动车目标侧倾转向（。）侧倾外倾（。）一一一侧向力转向（。）一一侧向力外倾（。）一一一回正力矩转向（。）一一回正力矩外倾（）一一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表各因素对不足转向梯度的影响影响因素不足转向梯度（。）基准车状态一轴荷一一质心高度一一转向系一悬架更改前的状态一悬侧倾转向一后悬侧倾转向一侧向力转向悬架更改后的标一轮胎后备调试方案没有大的变化。因

11、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间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。“”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。悬架参数设计多体动力学模型动力学分

12、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和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、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万方数据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，再进行新一轮的仿真与分析。前悬参数设计根据电动车初步的仿

13、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厂：士肷。一一。（）”式中。厂为偏频；为悬架刚度；。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增加到。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。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。后悬参数设计

14、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增加到。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。当开向下时，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、所示。表型梁的开口方向对侧倾转向的影响研究发现。的开口方向，臂厚为表型梁的开口方向对侧倾中心高度的影响试验验证系统级技术指标验证试验的目的不仅是检查多体模型的仿真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，见图所示。结果是否合理，同时也是验证样车零件的设计状态是

15、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，参数对分析车图后桥、型梁的最终开口方向辆性能的重要性，如果没有试验数据，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参数进行校核。该电动车的悬架主要参数仿真与试验对比见表。相关性分析发现样车的特表前悬架主要参数仿真与试验的对比前悬

16、架主要参数垂向运动刚度垂同还明转同垂向运动外倾侧倾运动刚度侧倾运动转向侧倾运动外倾轮心处变形接地点变形侧向力转向侧向力外倾侧倾中心高度非中心区转向中心区转向纵向力转向纵向力变形偏频单位基准车样车试验样车仿真扭力梁后桥的侧向力转向受“”衬套的径向刚度影响较大。根据侧向力转向的目标值，可知“”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，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。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。车轮垂向运动

17、工况。一一侧倾运动工况（）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；（）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；侧向力工况。（）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；（）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；侧倾中心高度回正力矩工况。纵向力工况一（）后桥“”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“”衬套的径向刚度。系统偏频上海汽车万方数据表后悬架后悬架主要参数仿真与试验的对比单位基准车样车试验样车仿真主要参数垂向

18、运动刚度垂向运动转向垂向运动外倾侧倾还明刚度侧倾运动转向侧倾迈功外倾轮心处变形接地点变形侧向力转向侧向力外倾侧倾中心高度结语本文基于悬架的特性和对侧偏柔度的车轮垂向运动工况。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，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。侧倾运明工况。一一侧向力工况一一一侧倾中心高度回正力矩工况非中心区转向中心区转向。纵向力工况纵向力转向纵向力变形偏频。一一参考文献系统偏频，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。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