纯电动汽车悬架性能设计研究

王阳

摘 要： 纯电动汽车的巨大开发潜力让其迅速发展崛起，对于纯电动汽车性能要求也越来越高，尤其是悬架性能设计也从中凸显出来。本文主要针对纯电动汽车悬架性能设计进行分析，基于CATIA软件进行仿真设计优化，在假设和纯电动汽车零部件建模基础上进行装配，完成全局干涉和全局间隙仿真模拟，在此基础上优化参数，完成纯电动汽车前后悬架最优设计。

关键词： 纯电动汽车；悬架；CATIA；性能设计

悬架系统对于汽车行驶过程中的稳定性和平顺性具有重要意义，纯电动汽车的悬架性能又和车身零部件位置关系息息相关，而弹性元件、阻尼元件又是车身零部件的主要元素。因此，在纯电动车性能中主要通过计算机仿真以及试验法实现对悬架性能的研究分析。悬架性能的研究中还必须考虑悬架运动学特性，通過车轮定位参数等反映出来。只有保证参数设计以及零部件设计中必须保证设计的科学性，才能保证悬架性能优化，保证汽车操纵的平顺性、稳定性。因此，在悬架性能的设计与评价是基于参数，应用模拟仿真来实现的，保证参数设计合理性的基础上提升悬架性能。

1.纯电动汽车悬架设计基本要求

1.1基本要求

随着汽车以及电动汽车的发展和技术优化，悬架的形式呈现多样化。面对不同类型的悬架虽然构件和组成略有差别，但是设计要求相同，主要集中在以下几点：

（1）设计符合承载稳定性，设计中还必须保证力与力矩的稳定传递。

（2）平顺性是对悬架性能的基本要求，对于悬架平顺性设计体现在振动频率较小和较小振动加速度两方面。

（3）悬架设计保证不会出现“击穿”情况，动容量和动行程满足悬架要求。

（4）注重悬架中车轮定位参数设计与优化，以此来提高电动汽车的操稳性。

（5）设计中对电动汽车悬架布置具有明确要求，导向机构与转向系协同作用的同时必须布局合理，避免运动干涉影响系统稳定性。

（6）科学车身位移设计，因此应注重纵倾中心和侧倾中心的参数科学化选择与设计。

（7）加强减震能力与抓地平稳性设计优化，体现在科学的平均阻尼比设计中。

（8）优化悬架悬挂质量设计，优化强度和刚度设计，通过减少非悬挂质量来降低动量，从而能够减少车身冲击。

（9）合理规划悬架空间设计，预留空间便于电动汽车的维修保养，以此降低成本。

1.2与传统汽车悬架设计要求区别

由于电动汽车和传统汽车具有一定的区别，电动汽车的悬架电机集成于轮胎，因此在电动汽车中非簧载质量就会受到电磁力的作用，和传统汽车的悬架以及系统性能相比在舒适性和操纵性方面较差。因此在电动汽车悬架性能设计优化中，必须要考虑底盘性能。然而目前传统汽车悬架设计中主要采用被动悬架，这种悬架结构不能很好满足电动汽车悬架的要求，因此需要设计主动或半主动悬架应用于电动汽车当中，对于电动汽车悬架的集成化、智能化问题进行考虑。

2.纯电动汽车前后悬架的类型

2.1麦弗逊悬架结构

麦弗逊悬架是独立悬架的代表，结构简单而且占据较小的空间，主要有螺旋弹簧、减震器以及控制器几部分组成，由于其良好的性能被广泛应用于前置发动机汽车当中。但麦弗逊悬架也具有刚度较弱、稳定性不理想等问题。麦弗逊悬架直筒式的构造使得左右方向没有很好力的保护，在汽车转弯和运行中极易出现侧倾问题。和传统双A臂悬架的精度相比，麦弗逊稍逊，但在舒适性方面具有显著优势。

2.2扭力梁悬架结构

扭力梁悬架具有独立悬架性能特征又具有非独立悬架的特征，其性能特征介于独立悬架和非独立悬架之间。在扭力梁悬架中添加变形杆要素，以此优化电动汽车悬架平衡性能，避免倾斜。扭力梁悬架具有结构简单、占用空间小的优点，主要应用于后悬架系统。尤其在直线行驶过程中性能优越性凸显出来，通过车轮定位参数优化体现其良好性能。扭力梁悬架在承受载荷方面具有一定缺陷和限制，扭力梁悬架虽然具有部分独立悬架的特性，但是不可避免车轮跳动还会影响另一侧车轮以及直线行驶，导致平顺性略差。

3.基于CATIA纯电动汽车悬架模型的建立

3.1 CATIA中建立模型的简化方法

在进行纯电动汽车悬架设计与优化中中，借助CATIA进行建模，需要基于一定假设：

（1）假定弹性体不发生弹性形变，在模拟优化中将弹性体作为刚体进行模拟计算。

（2）CATIA仿真模拟中忽略运动发热以及零部件之间的摩擦作用。

（3）在CATIA模拟中不必考虑惯性力因素。

3.2 设计纯电动汽车悬架参数

如果不借助仿真软件不能实现弹性元件与阻尼元件的参数设计与优化，只能简单设计外形结构，因此在这些参数的设计中必须借助仿真模拟软件进行。在一定参数设计的基础上借助仿真试验，对参数进一步优化。通过车轮定位参数来综合判断评价悬架参数设计合理性以及准确性，通过参数来反映悬架导向机构和悬架结构设计的合理性与否。由于汽车运动过程中会存在上下跳动的过程，跳动过程会导致轮距变化，形成侧偏角，侧偏角会改变侧向力进而影响其直线行驶。因此在参数设计中，要尽可能避免参数设计引起的轮距变化和侧偏角变化，提高纯电动汽车直线行驶的稳定性和平顺性。

3.3 CATIA纯电动汽车悬架几何模型建立

本文在借助CATIA进行建模分析是基于零部件建模转配基础上进行的。首先利用CATIA进行零配件的建模，利用系统功能优化，然后将不同零配件转配，利用系统进行干涉分析，协调处理优化不合理部分。建模前完成上述工作，综合考虑在普通对称悬架结构基础上考虑减振器部件建模优化。在本文纯电动汽车悬架设计中引入的弹簧元件主要为了实现其减振功能，通过弹簧将地面力转化为弹性势能，实现缓冲目的，因此在建模仿真之前，需要建立悬架螺旋弹簧元器件，主要零部件模型如下图所示：

在悬架零部件建模的基础上，对零部件进行转配组装，完成悬架装配，利用CATIA干涉分析功能进行全局干涉分析，完成仿真。

3.4 纯电动汽车悬架几何模型分析

纯电动汽车悬架几何模型建立的基础上，对模型进行全局干涉、全局间隙优化分析。全局干涉分析主要是能够发现装配之前各零部件之间的干涉信息，保证导入模型和装配过程不会出现干涉现象。根据分析结果对有问题零部件进行优化。间隙分析的主要目的是对零部件之间的作用、接触以及间隙情况进行分析，保证零部件运动流畅，为最终分析结果的准确性奠定基础，减小误差。其中本文将麦弗逊悬架作为前悬架，扭力梁悬架作为后悬架进行建模以及动力学仿真。

下图为前后悬架CATIA装配图：

按照上述图片所示结构完成麦弗逊梁悬架结构和后扭力梁悬架结构的优化装配，通过循环多次的全局干涉分析和全局间隙分析，指出零部件之间的作用和干涉，并对参数进行优化调整，由最开始的7个麦弗逊悬架零部件碰撞以及4个扭力梁零部件碰撞优化到两个悬架结构均无零部件碰撞。这样最终得到最优悬架结构模型，保证纯电动汽车运行的稳定性和平顺性。

結论

本文在进行悬架梁设计优化分析过程中，综合了计算机理论以及个人工作经验，对纯电动汽车前后悬架结构均进行了分析。介绍了设计要求以及计算机仿真设计优化的具体流程，最终形成科学的最优化悬架结构模型。

参考文献

[1]李以农，杨阳，孙伟，杨超.电动汽车底盘一体化控制技术的发展趋势与展望[J].世界科技研究与发展，2016，38（03）：481-491.

[2]许广灿，徐俊，李士盈，曹秉刚，惠越.电动汽车振动能量回收悬架及其特性优化[J].西安交通大学学报，2016，50（08）：90-95.

[3]聂高法，时培成，孙阳敏，彭闪闪，张军.轮毂驱动电动汽车悬架创新设计与优化[J].安徽工程大学学报，2016，31（02）：49-54.

[4]牛治东，吴光强.电动汽车非线性悬架系统混沌特性[J].同济大学学报（自然科学版），2015，43（03）：442-447.

[5]陆建辉，周孔亢，郭立娜，侯永涛.电动汽车麦弗逊前悬架设计及参数优化[J].机械工程学报，2012，48（08）：98-103.