电动汽车前悬架的优化及仿真研究_张华

２００７年第１期农业装备与车辆工程电动汽车前悬架的优化及仿真研究张华１，周荣２，乔维高１（１．武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉４３００７０；２．中国汽车技术研究中心，天津３００１６２）摘要：现在开发的电动车都是依附在原有车型的基础上的，由于电动汽车不同的行驶性能，及车身整体的布置及重量的不同，其行驶的平顺性等各方面的参数都没有进行优化。

本文以电动汽车前悬架在举升效应下车轮侧向滑移尽可能短为目标函数，对电动汽车的平顺性进行了研究。

以某电动车为原形，在理论分析的基础上，建立了汽车的简化双横臂式独立悬架模型及整车模型。

并对仿真软件进行了二次开发，编辑了一个智能化的调节窗口，为以后分析同类型悬架提供了方便。

关键词：电动汽车；前悬架；仿真；优化中图分类号：Ｕ４６３．３３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－３１４２（２００７）０１－００２０－０４收稿日期：２００６－８－２８作者简介：张华（１９８１－），男，湖北十堰人，武汉理工大学汽车工程学院研究生，研究方向为汽车动力性。

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅＦｒｏｎｔＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＺＨＡＮＧＨｕａ１，ＺＨＯＵＲｏｎｇ２，ＱＩＡＯＷｅｉ－ｇａｏ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｖｅｈｉｃｌｅｔｙｐｅ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ｉｔｎｅｅｄｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｉｔｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｔａｋｅｓｔｈａｔｔｈｅｗｈｅｅｌｓｉｄｅｓｋｉｄｓｈｏｕｌｄｂｅａｓｓｈｏｒｔａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｗｈｅｎｔｈｅｆｒｏｎｔｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｉｓｉｎｌｉｆｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｓａｉｍｆｕｎｃｔｉｏｎｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｒｉｄｉｎｇｃｏｍｆｏｒｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｓｈｂｏｎｅ－ｔｙｐｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｖｅｈｉｃｌｅｍｏｄｅｌｈａｖｅｂｅｅｎｓｅｔｕｐｂａｓｅｄｏｎｏｎｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄａｎｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｗｉｎｄｏｗｉｓｅｄｉｔｅｄｗｈｉｃｈｈｅｌｐｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｉｎｆｕｔｕｒｅ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ｆｒｏｎｔｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ农业装备与车辆工程ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ２００７年第１期（总第１８６期）Ｎｏ．１２００７（Ｔｏｔａｌｌｙ１８６）０引言随着人们对环境和能源问题的重视，电动汽车作为一种无污染的交通工具得到国际上的广泛重视，我国也将其发展列入了汽车工业的发展重点。

然而现在开发的电动汽车都是依附在原有车型的基础上的，由于电动汽车不同的行驶性能，及车身整体的布置及质量的不同，其行驶的平顺性等各方面的参数都没有进行优化。

电动车的产业化步伐正在逼近，好的悬挂系统能够使车身发生倾斜的幅度减小，增大轮胎的附着力，从而增强汽车的操纵性能，开发一种适合电动汽车特点的悬架对整车的性能提高各方面都会有很大的帮助，本文以某电动汽车为基础，对本车的前悬架进行了优化。

１悬架举升效应分析的理论基础悬架系统能够将车轮所受的各种力和力矩传递给车架和车身，并能吸收、缓和路面传来的振动和冲击，减少驾驶室内噪声，增加乘员的舒适性，以及保持汽车良好的操作性和平稳性。

另外，悬架系统能配合汽车的运动产生适当的反应，当汽车在不同路况作加速、制动、转向等运动时，能提供足够的安全性，保证操纵不失控。

本车采用的独立悬架优点很多，但由于此独立悬架在整车增加了质量，及重心调整之后车轮外倾角与轮距变化会较大，轮胎磨损会较严重。

在汽车运动中，汽车车身在侧向力作用下会产生垂直位移的现象。

这种垂直位移将使独立悬架的车轮产生相应的侧倾角，从而影响到轮胎的侧偏特性，并且可能造成垂直尾翼转向。

因为任何复杂的独立悬架系统在做侧向力反应的分析时都可简化为等效的横向单臂式系统，这一单臂与车身的铰链点就是个车轮与车身的横向平面上的瞬时转动中心，即图１中的Ｃｉ１，Ｃｉ２。

若设地面施加给内外轮的侧向力Ｆｙｉ１与Ｆｙｉ２可由侧偏角一致条件求得，同时车身的侧倾角也已经求得，由图１的几何关系有：ρｉ（ｓｉｎθｉ１－ｓｉｎθｉ２）＝（Ｂｉ－２ｕｉ）ｓｉｎφ（１）・２０・２００７年１月ρｉ（ｓｉｎθｉ１＋ｓｉｎθｉ２－２ｓｉｎθ０ｉ）＝２ΔＺｉ（２）另外，由垂直力的平衡可得：Ｆｙｉ２ｔａｎθ′ｉ２－Ｆｙｉ１ｔａｎθ′ｉ１＝２Ｃｓｉ×ΔＺｉ（３）式中：Ｃｓｉ—该轴的悬架刚度；θ０ｉ—直行或无侧向力时的导向角。

由上面三个方程联立可以求得内外轮的导向角θｉ１与θｉ２以及举升量ΔＺｉ。

在求得θｉ１与θｉ２后，车轮的外倾角即可按下式求得：γｉ，ｊ＝γ０ｉ，ｊ＋（θｉ，ｊ－θ０ｉ，ｊ）（４）式中，γ０ｉ，ｊ为各轮的初始的外倾角；ｉ＝１，２，分别表示前后轮；ｊ＝１，２，分别表示内外轮。

２动力学建模利用ＡＤＡＭＳ建立虚拟样机，其可在计算机上实现机械系统的动力学、静力学和运动学仿真分析。

可以快速、方便地建立完全参数化的机械系统模型，并拥有良好的后处理能力和良好的交互性。

２．１前悬架的建模前悬架的参数如表１所示２．２建立的模型在建立整车模型的时候，将底盘简化为一个球体，其位置为整车的质心位置，其质量定义为整车的质量，由于整车在整个运动中可视为一个整体，所以这种简化的建模是可以接受的。

车辆的上下横臂通过简化计算之后运用模糊建模由横杆代替，所建立的整车模型和前悬架模型分别如图２，３所示。

２．３对于智能化窗口的开发以后若遇到相同形式的双横臂独立悬架机构，不需要重新进行建模，只需在此模型的基础上对变量进行简单的更改，就可以对其他车辆的悬架进行仿真与分析。

在建立自己需要模型的同时，对软件进行了二次开发，运用软件的高级语言，在ＡＤＡＭＳ界面的菜单栏上面加入了简便的下拉菜单Ｍｏｄｉｆｙ＿ｖａｒｉｂｌｅ，如图４所示。

同时编辑了悬架的主销长度，主销内倾角，主销后倾角，上横臂长，上横臂在汽车横向平面的倾角，上横臂轴水平斜置角，下横臂长，下横臂在汽车横向平面的倾角，下横臂轴水平斜置角，车轮前束角的变量方程，并将其制作成对话框的形式编辑到了Ｍｏｄｉｆｙ＿ｖａｒｉｂｌｅ下拉菜单中，如图５所示。

使用者只需改变各设计变量的输入，即可对新的悬架模型进行同类型的分析，大大提高了效率。

表１汽车悬架参数指标参数汽车满载总质量（ｋｇ）拉臂（ｍｍ）转向拉杆（ｍｍ）转向节（ｍｍ）下横臂长（ｍｍ）上横臂长（ｍｍ）主销长度（ｍｍ）弹簧刚度（Ｎ／ｍｍ）上横臂在汽车横向平面内的倾角（°）主销后倾角（°）车轮前束角（°）主销内倾角（°）下横臂轴水平斜置角（°）下横臂在汽车横向平面的倾角（°）上横臂轴水平斜置角（°）阻尼系数２１６８１８２４８１２５４４９６３５３３３５１２９．８１１２．５０．２１０１０９．５－５６０００图２整车仿真模型图３前悬架仿真模型图２整车横行平面受力分析图θｉ１θｉ２ρｉφ张华等：电动汽车前悬架的优化及仿真研究・２１・图４创建的下拉菜单３举升效应仿真及分析３．１动力学仿真分析的理论基础在分析过程中采用广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程。

选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，即ｑｉ＝［ｘ，ｙ，ｚ，ψ，θ，φ］ｉＴ，ｑ＝ｑ１Ｔ，ｑ２Ｔ…，ｑｎＴ!"Ｔ，用带乘子的拉格朗日方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，从而导出以笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程。

计算程序应用了Ｇｅａｒ的刚性积分算法及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率。

采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程：ｄｄｔ#Ｔ#ｑ$%Ｔ－#Ｔ#ｑ$%Ｔ＋φｑＴρ＋θｑＴμ＝Ｑ（５）φ（ｑ，ｔ）＝０为完整约束方程，θ（ｑ，ｑ，ｔ）＝０为非完整约束方程。

其中，Ｔ—系统动能；ｑ—系统广义坐标列阵；Ｑ—广义力列阵；ρ—对应于完整约束的拉氏乘子列阵；μ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。

由（５）式可以推得运动方程的更一般的形式即：Ｆ（ｑ，ｕ，ｕ，λ，ｔ）＝０Ｇ（ｕ，ｑ）＝ｕ－ｑ＝０Φ（ｑ，ｔ）＝０（６）其中，ｑ，ｕ—广义速度列阵；λ—约束反力作用力列阵；Ｆ—定义的微分方程；Φ—描述约束的代数方程列阵。

根据需要运用软件中强大的变阶，变步长积分求解程序来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，并进行一系列的迭代优化，最终得出需要的最优运算结果。

３．２原有悬架的仿真分析根据对车轮的举升量的计算，得出车轮的最大举升量ΔＺｉ≈９６ｍｍ，由举升效应的理论，对前悬架加一个竖直方向的直线驱动，编辑驱动函数随时间的表达式为Ｆ（ｔｉｍｅ）＝９６×ｓｉｎ（３６０ｄ×ｔｉｍｅ）。

设置仿真的时间为１ｓ，将工作步设置为１００，对模型进行悬架运动学仿真则可以得出车轮跳动量随时间变化的曲线如图６所示，外倾角及侧向滑移量的变化曲线如图７所示，图８为前轮接地点侧向滑移量随车轮跳动的变化曲线。

３．３对原有悬架进行优化为了减轻轮胎的磨损，通过对上横臂长度，上横臂在汽车横向平面的倾角，下横臂长度，下横臂在汽车横向平面的倾角的优化分析，设置使车轮接地点侧向滑移量的绝对值最小。

在经过优化分析之后，前图５改变变量窗口（下转第２６页）图６车轮跳动量随时间变化曲线跳动量（ｍｍ）１００．００．０－１００．００．００．５１．０时间（ｓ）图７外倾角变化曲线－０．７０－１．０５－１．４０外倾角变化量（ｄｅｇｒｅｅ）０．００．５１．０时间（ｓ）图８前轮接地点侧向滑移量随车轮跳动的变化曲线车轮跳动量（ｍｍ）１００．０５０．００．０－５０．０－１００．０－１０．０－５．００．０５．０１０．０１５．０２０．０２５．０侧向滑移量（ｍｍ）・２２・后的数据比较如表２所示由图９侧滑量绝对值优化曲线分析可见，在对悬架各个数据进行优化之后，侧向滑移量减小了１０．７４３ｍｍ达到了自己优化的目的。