电动汽车底盘分析与调校研究

2021-05-07 13:30于潇
时代汽车 2021年7期
关键词:调校底盘电动汽车

于潇

摘 要:作为汽车的核心部分,电动汽车底盘直接影响整车表现,底盘系统的研发对汽车综合性能提升带来的影响极为深远,这使得近年来相关研究大量涌现。基于此,本文以某电动汽车为例,针对性开展了整车动力学建模与仿真,依托工装车性能试验,深入探讨了底盘性能优化改进路径,希望研究内容能够给相关从业人员以启发。

关键词:电动汽车 底盘 调校

1 引言

作为复杂的多体耦合系统,汽车使用过程会同时受到风阻、路面激励、输入、驾驶员不确定性等因素影响,复杂多变的工况使得汽车整车动力学研究难度较高。因此,本文围绕电动汽车底盘分析与调校开展的研究采用了ADAMS/Car,并针对性开展了整车操纵稳定性试验和悬架K&C特性试验,由此为优化设计提供了充足依据。

2 整车动力学建模与仿真

2.1 建模过程

为开展纯电动SUV的模型建设,采用ADAMS/Car搭建整车虚拟样机模型,随之开展柔化处理,即可针对性开展仿真处理。具体建模过程中,需要输入的参数包括路面典型工况和激励、质量与转动惯量、阻尼和刚度等力学特性参数、硬点坐标等尺寸参数。考虑到仿真结果和建模精度直接受到参数的准确性影响,基于采用麦弗逊独立悬架的研发车前后悬架,基于整车三维模型对建模参数开展细致测量,坐标原点为前轴中心点,并选择笛卡尔坐标系作为基准坐标系,同时应用了企业提供的相关信息。其中,前/后轮距、轴距分别为1418mm、2410mm,整车的长、高、宽分别为3695mm、1570mm、1685mm,整备质量、半载质量、满载质量分别为1250kg、1475kg、1550kg,空载、半载、满载的质心高度分别为572mm、579.62mm、582.23mm。前/后轮的主销内倾、主销后倾分别为11.56°、3.67°,转向轮内轮、外轮的最大偏转角分别为35.859°、32.546°。基于相关试验获得建模过程中所需的减震器、弹簧、衬套的力学特性曲线及参数,基于乘用车SAE经验公式对整车转动惯量进行估算,以半载质量为基本工况,即可为建模提供充足依据[1]。

建模过程需要开展柔性化处理,具体涉及简化物理模型、确定各部件连接关系和关键布置,以此完成对应硬点的建立,部件创建以硬点坐标为参考坐标,几何体创建需尽可能结合实际。各部件约束类型的确定需对部件间的运动关系进行分析,以此科学选择衬套、铰链等约束方式完成约束定义。模板的参数变量需围绕定位参数和尺寸参数等建立,随之还需要做好通讯器连接的定义,通讯器名称、类型、对称性的准确性得到保障。由于采用麦弗逊独立悬架作为前后悬架,建模涉及副车架、传动半轴、转向拉杆、稳定杆、减震器、螺旋弹簧、转向节、下控制臂等零部件,基于麦弗逊悬架结构关系和CATIA三维模型,即可针对性开展建模,如悬架安装点与稳定杆横拉杆采用球铰相连。簧上质量简化处理车身系统后,采用球体来代替,并设置转动惯量、质心位置、质量等参数,动力系统由驱动文件控制。对于易产生弹性变形的悬架运动中的副车架、横向稳定杆、下控制臂,柔性建模采用有限元法,模态计算和有限元网格划分采用Hypermesh,由此在ADAMS中导入MNF文件,即可完成建模。完成模板建模后,装配子系统文件,即可最终得到整车模型,以及前、后悬架总成,图1为整车模型示意图[2]。

2.2 仿真分析

对于具有相对安装位置的前轴、转向节、转向轮,需关注其中涉及的四轮定位参数,由此对前束角、外倾角、主销内倾角、主销后倾角进行分析,参数的灵敏度分析采用ADAMS/Insight,选取转向拉杆外点、转向拉杆内点、下摆臂外点、下摆臂后点、下摆臂前点、减震器上点等对四轮定位参数影响较大的硬点,以三个方向各硬点的设计变量为坐标值,初始硬点坐标值为标准值,基于±3mm的变化范围,即可围绕最显著的设计变量开展针对性分析,影响各定位参数的硬点及其方向可由此明确,如对后倾角的影响从低到高分别为摆臂外点X向坐标、减震器上点X向坐标;悬架K&C特性仿真分析能够对悬架运动性能和变形性能进行考察,结合针对性仿真,即可获得悬架几何特性数据、运动学特性数据、柔性运动学特性数据;整车操纵稳定性仿真聚焦行车安全,本文研究主要基于中心区转向分析、角阶跃分析、稳态回转分析、制动分析、直线加速开展车辆的操稳性分析,最终可确定车辆整体性能良好,但存在偏小的阿克曼百分比、前高后低的侧倾中心、灵敏度稍大的转向灵敏度和俯仰梯度,需要设法进行优化。

3 工装车性能试验

3.1 悬架K&C特性试验

作为汽车底盘系统研发重点,K&C特性试验基于专用试验台开展,型号为SPMM5000。考虑到行驶时车辆的减速或加速会受到纵向力,离心力会导致弯道过程中侧向力产生,垂向力会因悬架受到的路面不平冲击产生,因此需要关注车辆行驶受到的力加速度影响。具体试验围绕转向、纵向力、侧倾、侧倾、垂向轮跳、反向侧向力、同向侧向力、反向回正力矩、同向回正力矩等试验工况开展,最终可求得悬架的运动学、柔性运动学特性数据。

3.2 整车操纵稳定性试验

由于稳定性和操纵性存在一定矛盾,必须设法找到二者的平衡,整车操纵稳定性试验因此需要针对性开展,选择工装样车作为试验车辆,在某汽车试验场动态广场进行试验,采用DEWESOFT数采系统、ABD转向机器人系统,以及速度计、高度计、双轴光学速度计、陀螺仪、计算机等设备,即可开展原地转向、直线制动、直线加速、角阶跃、定半径稳态回转、中心区转向、蛇行试验,试验结果可为底盘性能风险点判断提供依据。

3.3 底盘性能风险点评估

基于试验结果和仿真结果,可确定案例车辆的底盘性能存在四方面风险点:第一,侧倾中心后悬较低、前悬较高,存在不合理的侧倾轴线。存在差异的前后侧倾平衡影响后轴侧向支撑,导致下沉情况出现。此外,还存在甩尾风险、后轴跟随性不好等缺陷;第二,偏大的制动工况俯仰梯度,前后俯仰平衡会导致负面影响,车身制动时存在较大俯仰角,明显点头现象出现,乘车舒适性不足;第三,存在偏小的全轉角与20°阿克曼百分比,车辆行驶的稳定性、轮胎的偏磨、车辆转向入弯会受到直接影响,加重的轮胎磨损也会同时出现;第四,存在偏大的横摆角速度增益和中心区转向灵敏度,高速稳定性因此受到直接影响。

4 底盘性能优化改进路径

4.1 硬点优化改进

基于硬点坐标影响、转向机构及麦弗逊悬架的结构特点,针对性修改底盘系统硬点坐标,对于前悬架和后悬架,采用保持不动的副车架与轮心连接点,同时前悬架需要对摆臂及转向节硬点进行修改,后悬架需要对摆臂及转向拉杆硬点进行修改。具体优化需要上移前悬下摆臂后点10mm,前悬制动抗点头率提高、前悬架侧倾中心高降低可顺利实现。同时内移转向拉杆外点4mm,阿克曼百分比优化可由此完成,随之上移5mm,前束角受到的摆臂硬点移动影响可有效消除。上移后悬架下摆臂前点15mm,后悬抗举升率提高、后悬架侧倾中心高增加可顺利实现。最后下移前减震器端盖、上移后减震器端盖,分别为10mm和15mm,前高后低的侧倾中心即可有效改善。结合针对性仿真,可确定优化后的侧倾梯度、制动梯度等减小明显,车身的侧倾和俯仰、略高的转向灵敏度实现一定改善,但同时存在几乎没有变化的响应速度特性,因此可确定仍存在优化改进空间。

4.2 方案和零部件优选

不足转向度能够在前悬架偏频降低的过程中减小,随之降低的侧倾角刚度占比也能够发挥同样效果,车辆稳定性随侧倾梯度减小而提高,但同时存在变慢的车辆侧倾和横摆响应速度,此时存在较为迟缓的反应。同时存在几乎不变的横摆角速度增益,以及略微提高的转向灵敏度,“操控感”过度问题可能出现。进一步开展方案和零部件优选,開展轮胎选型、缓冲块与衬套匹配、弹簧稳定杆匹配、转向EPS和减振器的调校,案例车辆的底盘综合性能最终实现显著提升。方案和零部件优选充分结合了上文开展的仿真与试验,具备较高借鉴价值。

5 结语

综上所述,电动汽车底盘分析与调校需关注多方面因素影响。在此基础上,本文涉及的硬点优化改进、方案和零部件优选等内容,则直观展示了电动汽车底盘分析与调校路径。为更好优化电动汽车设计,生产误差影响的应对、生产条件限制的考量、基于更详细模型的参数输入同样需要得到重点关注。

参考文献:

[1]郭起龙,张喜清.分布式电动汽车底盘结构设计与仿真分析[J].太原科技大学学报,2020,41(02):130-134+142.

[2]王志明.ZL114A铝合金电动汽车底盘横梁开裂失效分析[J].金属热处理,2019,44(S1):142-146.

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