纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析_倪彰

中图法分类号 U463． 4；
文献标志码 A
小型低速电动汽车是推动我国电动汽车产业 化、启动电动汽车大规模消费市场的极佳产品； 从长 远发展来看，小型低速电动汽车可作为特殊区域、特 殊用途、特殊人群用车长期发展的方向［1］。
而目前国内小型低速电动汽车，由于在改装过 程中将原车中安装的发动机及相关组件以及传动系 统由电动机、功率转换器、电池和电动汽车特有的传 动装置所取代，改装后电动车的车身质量相对增大， 质心位置也相应改变，导致悬架与车身的匹配程度 大大降低，使车辆的操纵稳定性、行驶的平顺性受到 破坏［2］。此外国内的小型低速电动汽车与进入“目 录”的电动汽车产品有较大的差距，主要表现为： 车 辆配置简单，内饰较粗糙，只有基本的安全设备，此 类电动小汽车的操纵稳定性及行驶平顺性很难与传 统汽 车 相 比。汽 车 的 乘 坐 舒 适 性 以 及 操 纵 稳 定 性［3，4］，不仅会对乘坐人员的舒适性、疲劳程度以及 乘员的人身安全造成严重影响，而且也会影响汽车 耗油量以 及 交 通 的 安 全 性［5，6］。 所 以，对 于 整 车 进 行操纵稳定性以及平顺性的优化分析，已经成为汽 车设计 过 程 中 的 所 要 完 成 的 一 件 重 要 而 艰 巨 的 任务。
图 9 悬架优化前内倾角随车轮行程变化曲线
Fig． 9 Curves of inclination angle with the wheel
suspension before optimization
2． 3 主销后倾角对悬架运动学性能的影响 主销后倾角应在一定范围内变化，后倾角值不
宜过大，因为回正力矩会随后倾角的增大而增大，从 而导致转向时需要更多的外力，影响驾驶的舒适性； 后倾角也不宜过小，后倾角过小容易导致驾驶走偏， 汽车转向回正也会出现问题。后倾角值在 0° ～ 2° 范围内，在可以实现时情况下，一般取小值更佳［9］。 该车后倾角随车轮行程变化关系如图 10 所示。
（ CJ20130015） ； 人工智能四川省重点实验室开放基金项目
（ 2014ＲZY01） 资助
第一作者简介： 倪 彰 （ 1984—） ，男，汉，江苏人，实 验 师。E-mail：
nizhang@ jsut． edu． cn。
动力学软件 ADAMS 为研究平台，搭建悬架与整车 模型。为了使改装后电动汽车悬架的各项性能参数 得到优化以实现车身和悬架相互匹配，从而改善电 动汽车的 操 纵 稳 定 性，提 高 行 驶 平 顺 性 行 驶 性 能。 对该电动汽车的前悬架的硬点坐标进行了重新设计 和优化，对设计采用传统汽车悬挂系统的电动汽车 有一定的参考价值。
从图 8 中发现，当车轮上跳时，该车前束值变 小，而这会加剧轮胎磨损，所以可以针对该变量进行 优化。 2． 2 主销内倾角对悬架运动学性能的影响
主销内倾角要在合理范围内变化，内倾角值不 宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，将 出现明显的滑动，致使轮胎出现剧烈的磨损； 同样， 内倾角也不宜太小。主销内倾角值设置在7° ～ 13°， 在满足使用要求的条件下，一般取小值更佳［8］。该 车内倾角随车轮行程变化关系如图 9 所示。
12 期
倪 彰，等： 纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析
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图 10 悬架优化前后倾角随车轮行程变化曲线 Fig． 10 Curves of caster angle with the wheel suspension
before optimization
质心位置发生了变化，所以关键点坐标值也发生变 化，从而影响整车的行驶平顺性和操纵稳定性。因 此优化变选择麦式悬架的关键点，这些关键点有： 转 向横拉杆内点、转向横拉杆外点 、控制臂前点、控制 臂外 点、控 制 臂 后 点、滑 柱 上 顶 点 这 六 个 点 的 的 坐标。
从图中可以发现，不论车轮向上或是向下跳动， 主销后倾角总有一部分不在正常的范围内，这必然 会导致轮胎的剧烈磨损，所以可对该变量进行优化。 2． 4 车轮外倾对悬架运动学性能的影响
为了减小汽车行驶过程中车身跳动时引起的车 轮外倾角 变 化，一 般 设 置 车 轮 外 倾 角 变 化 范 围 在 ± 1°内。而该车外倾角变化范围在 － 2． 7° ～ 1． 2°， 所以可将该角度作为优化变量。该车车轮外倾角随 车轮行程变化关系如图 11 所示。
改装的新奥拓电动 Table 2 The key point coordinate
comparison before and after
汽车的麦式前悬的
optimization
Байду номын сангаас
性能 仿 真 分 析，需
优化变量
优化后 优化前
要对悬架关键点进 lca_front． x
－ 193
－ 198
行优 化 分 析，所 以 利 用 Insight 模 块 确定 优 化 目 标，包
的操纵稳定性与行驶平顺性受到破坏的问题，以机械动力学软件 ADAMS 为平台，对前悬进行建模以及优化，对比优化前后的
整车行驶平顺性，以验证平顺性得到改善。试验结果表明，整车的行驶平顺性得到改善。该方法可以缩短电动汽车研发时
间、节约研发经济成本，对设计采用传统汽车悬挂系统的电动汽车有一定参考价值。
关键词 电动汽车 麦式悬架 ADAMS 优化设计 平顺性
以某台改装的电动乘用车为研究对象，以机械
2014 年 9 月 21 日收到
国家自然科学基金（ 50875112） ； 江苏省
自然科学基金（ BK2012586） ； 江苏省“六大人才”高峰项目
（ ZBZZ － 024） ； 汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金
（ 20111115） ； 常州市应用基础研究计划（ 前沿技术）
1 建立整车模型
基于 ADAMS / Car 模块建立的整车模型包括了 前悬架、后悬架、轮胎、转向系、横向稳定杆和车身等， 而 Car 模块提供了包括以上模板的子系统，用户根据 模型的需要可以调用。根据实车参数修改关键点坐 标即可建立，简化了模型的建立［7］，为悬架的优化和 改进提供支持。主要几何点参数如表 1 所示。
图 11 悬架优化前外倾角随车轮行程变化曲线 Fig． 11 Curves of camber angle with the wheel suspension before optimization
3 基于 ADAMS / Insight 对麦弗逊式 悬架优化
根据上述对经 表 2 优化前后关键点坐标对比
倪 彰1，2 王 凯3 鹿麟祥1，2 赵景波1，2
（ 江苏理工学院汽车与交通工程学院1 ，常州 213001； 人工智能四川省重点实验室2 ，自贡 643000； 东北大学机械工程与自动化学院3 ，沈阳 110004）
摘 要 针对在改装某款纯电动汽车时出现的由于车身质量与质心位置发生变化，而导致悬架与车身匹配程度降低，使车辆
lca_front． y lca_front． z lca_rear． x lca_rear． y
－ 410 215． 01
199 － 408
－ 410 220 204 － 408
含前轮四项定位参 数： 前 轮 前 束 角 、 车轮 外 倾 角、主 销
lca_rear． z lca_outer． x lca_outer． y lca_outer． z
利用 Car 模块中的模板，依照实测的数据对关 键点坐标修改，横向稳定杆结构如图 5 所示。 1． 6 建立车身及表面、驾驶室等模型
把车身及其表面、驾驶室、以及发动机都作简化 处理，简化后即为整车质量和底盘质量都集中在一 个几何球体上。整车的三维图如图 6 所示。
图 5 横向稳定杆模型 Fig． 5 The transverse stability rod model
1． 3 建立后悬架系统 该款电动汽车后悬采用结构简单的单斜臂式独
立悬架，后悬架的两个斜臂通过旋转副与底盘相连。 弹簧和减振器下端与斜置臂相连，上端接于车身，后 悬架系统如图 3 所示。 1． 4 建立轮胎模型
在整 车 仿 真 时 采 用 Fiala 轮 胎，模 型 如 图 4 所示。 1． 5 建立横向稳定杆模型
第 15 卷 第 12 期 2015 年 4 月 1671—1815（ 2015） 12-0244-06
交通运输
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 15 No. 12 Apr． 2015 2015 Sci. Tech. Engrg.
纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析
表 1 几何点参数 Table 1 Geometric parameters
备注 控制臂前点 控制臂外点 控制臂后点 弹簧下安装点 滑柱下安装点 副车架前点 副车架后点 横拉杆内点 横拉杆外点 滑柱上顶点
车轮中心
x － 193
－ 8． 24 199 40 40 － 400 400 196． 3 148 15
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倪 彰，等： 纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析
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在几何点上创建各个构建（ part） ，包括控制臂，转向 横拉杆，减震器以及弹簧等。
图 1 前悬架机构 Fig． 1 Front suspension mechanism
1． 2 建立转向机构 定义其与悬架、车身的连接和相对运动。其中，
图 8 悬架优化前前束角随车轮行程变化曲线 Fig． 8 Curves of front beam angle with the wheel
suspension before optimization
从图 9 中可以看出，不论前轮是向上或是向下 跳动，该车内倾角值都是都在合理范围内，但当车轮 下跳，内倾角值偏大，所以可对此变量进行优化。
0
y － 410 － 682． 2 － 408 － 625 － 625 － 550 － 450 － 405． 2 － 687． 2 － 600 － 700