微型电动汽车悬架系统特点分析及其优化

陆革威

摘 要： 全球能源石油、煤炭等资源日益枯竭，危机进一步加剧，由于工业发展造成的空气污染、全球温室效应现象越发突出，世界各国在汽车制造领域更加注重节能、环境保护、尾气及碳排放量减排，这是电动汽车产业快速发展成为未来汽车制造产业重点发展方向的主要原因。系统介绍了微型电动汽车技术发展的历程及未来未来电动汽车研究的重点；介绍了悬架系统结构分类和特点以及ADAMS软件功能；利用ADAMS软件优化设计了悬架结构。

关键词： 微型电动汽车；悬架系统；ADAMS；优化设计

1.综述

电动汽车的发展历经134年的悠久历史，由初始的小市场、特定领域逐渐发展成为世界汽车工业优先重点发展的高新技术产业。现有的电动汽车分类较多，技术上逐步集成了现代智能化设计理念，广泛应用先进的计算机控制、网络、先进的材料制造、能源、信息等技术，应用上也逐步由高端化走向家庭化成为家庭代步的主要交通工具。也因此成为未来汽车工业发展的重要方向。近些年，随着世界各国经济快速发展，全球能源尤其是石油、煤炭等资源日益枯竭，危机进一步加剧，由于工业发展造成的空气污染、全球温室效应现象越发突出，世界各国在汽车制造领域更加注重节能、环境保护、尾气及碳排放量减排，这也是电动汽车产业快速发展成为未来汽车制造产业重点发展方向的主要原因。当前，电动汽车主要分为：混合动力型 （HEV）、纯电动型（ PEV）、燃料电池驱动型 （FCEV）等。而纯电动型主要是指采用蓄电池作为动力源，以电动机驱动的汽车，电动汽车具有清洁、噪声污染小、制动能量可回收、无尾气及一氧化碳排放、节能、舒适性好等优点，目前美国、日本、德国、中国等国家已经投入最大的人力、财力、技术等进行开发并逐步投放到市场应用中。

汽车产业发展方面，我国起步较晚，但是近些年国家大力发展汽车制造产业，尤其是电动汽车领域，发展迅速，成果显著，我国拥有全球最为庞大的电池生产供应基地和锂资源原产地，具有领先的锂离子、磷酸钛锂电池制造等技术，解决了电池热稳定性等关键技术，为电动汽车提供高效、稳定的动力源。

汽车稳定性、舒适性、安全性的性能方面，现阶段我国电动汽车很多制造厂家还处于改装内燃机车的发展阶段，还存在空間布置狭小、舒适性不高、动力不足、操纵稳定性不强、平顺性差、安全性偏低、由于前后桥荷载分配因素造成电池配置不集中、电池监测及均衡性能不高等问题。而电动汽车悬架系统基于舒适性和行驶操纵稳定性存在矛盾，改善电动汽车行驶的舒适性需要应用的弹性元件为较软型材质，从而影响行驶转弯过程汽车侧倾，造成制动和加速的前后颠簸，降低了驾驶的稳定性。相反，采用硬质的弹性元件提高电动汽车操纵稳定性，势必降低电动汽车舒适度[1]。

2.微型电动汽车悬架结构及特点

微型电动汽车悬架一般指承载式车身（汽车车架）与车轮毂（车桥）间的传应力装置总成。其主要作用传递来自路面对于车轮上的作用力及力矩，主要包括：支承力（）垂直反力、制动力与牵引力（纵向反力）、侧向反力到承载式车身（车架），实现载荷的传递，冲击力的缓和，振动的衰减，汽车位置的调节等功能，确保汽车安全行驶。电动汽车悬架设计决定了汽车的制动安全性、舒适性、操纵稳定性、动力提升性等动力学性能。悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来，并能都保证汽车行驶的平顺性。悬架结构主要有导向装置、减振装置、阻尼元件、弹性元件、横向稳定杆等部件构成。目前可分为主动、非独立、独立等悬架结构，主动悬架结构主要分为半主动、可变特性、电子控制（ECAS）等主动悬架；非独立悬架包括钢板弹簧型、螺旋弹簧型、空气弹簧型等非独立悬架结构。独立悬架又分麦克弗逊式、双横臂、纵臂式、单横臂式、多连杆式等独立悬架。当下麦克弗逊式与双横臂独立悬架结构应用最为普遍。主动悬架刚度、阻尼特性可以动态的根据行驶条件状况进行自适应性调节，减振性优；双横臂式独立悬架导向杆连接位置和导向臂长度可自行调节，具备良好的运动特性[2]。

非独立悬架结构的特点在于车轮两侧为同轴，车轴与车架（承载式车身）通过弹性元件连接，假如一侧车轮经过不平路面产生振动时，另一侧振动加剧，其具有结构设计简单、工艺制造简便、车辆维修便宜等优点；非独立悬架结构.缺点在于平顺性、操纵稳性不好、汽车内部空间以及于发动机、物品舱设计布置小。

独立悬架结构存在设计结构复杂度高、价格贵、维修成本大等缺点，但是其具有良好的舒适性和操作稳定性能，同时悬架设计灵巧，弹簧刚度小、质量轻，车内置空间大、平顺性能好，发动机安装位置高度低，整车质量中心低，两侧车轮互相独立，起伏路面地面附着力大，车身减震效果优越等优点，结构复杂。成本较高。

3.电动汽车悬架结构设计及优化

3.1 悬架辅助设计软件

计算机辅助工程（CAE）应用较为广泛，其利用计算机辅助系统对结构工程设计及产品性能、产品可靠性等性能进行分析、模拟，寻找设计缺陷。在电动汽车悬架系统优化设计中，可以全面提升电动汽车平顺性、安全性，减少设计程序和生产工艺流程。ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美国MDI公司开发的机械系统动力学自动分析软件。ADAMS/CAR软件为美国 MDI公司联和Volvo、Renault、Audi、BMW等汽车巨头公司开发，软件系统集成了交互式图形界面、零件库、材料库、力库、约束库等软件包，可以创建机械系统三维模型，参数化设置；软件采用模块化设计，其主要有基本模功能、扩展、接口、专业化、工具箱等模块。功模块能上分为可视化、建模、 分析、控制AFE接口等工具[3]。

在电动汽车悬架结构设计中主要调用整车动力学模块（ Vehicle Dynamics ）和悬架设计模块（Suspension Design ） 、优化设计模块（Insight）进行动力学分析、悬架设计和动态仿真分析、优化处理。ADAMS/CAR仿真完成，对三十余种汽车悬架特性进行计算，内置求解器具备多种方程运算方法，可以建立系统动力学方程，可以模拟机械系统运动学、静力学、运动力学分析，输出速度、位移、加速度、反作用力等多种分析曲线。具备仿真功能，实现峰值载荷、运动范围、机械性能、碰撞检测、有限元（FEA）驶入载荷处理等仿真。产品设计研发中，通过ADAMS/CAR特性曲线对悬架综合、实验分析和性能评价、优化设计，最终改善电动汽车性能的结果。

3.2微型电动汽车悬架优化设计

电动汽车悬架结构优化设计主要包括：

（1）合理选择悬架参数，悬架弹性、阻尼等特性具有适度合理性，设计样品的具备良好的减震性能和较小的振动加速度、频率，行驶平顺性能优秀；有效解决悬架压缩/伸张行程极限点的硬冲击，使轮胎有很好的抓地性能；

（2）导向机构进行优化设计，使车轮和车架的力及力矩有效传递，仿真过程，不平滑路面行驶时，车轮毂震动造成的车轮定位参数平滑无突变，电动汽车操纵稳定性优越；

（3）优化导向机构、转向杆系的运动匹配，避免摆向轮的共振；

（4）优化侧摆与纵倾中心点的平衡和统一，防止制动与加速过程的纵倾以及汽车转向的侧倾；

（5）优化整车结构设计，确保车内空间足够大，提升舒适性。

（6）优化铰接橡胶、衬套、弹性元件、减震器、阻尼元件、横向稳定杆、车轮胎等零部件材料选择，减轻整车质量，提升汽车的整体强度，延长车辆使用寿命。

4.结论

随着“十三五”规划的实行，未来清洁能源利用、减排、降耗成为电动汽车工业未来发展需要解决的问题。电动汽车发展及悬架结构系统综述中提出了电动汽车尤其是微型汽车未来设计的方向；介绍了电动汽车悬架系统的结构分类、功能特点；在悬架系统优化设计中，系统分析了ADAMS软件的功能、特点及应用，在整车动力学仿真模型设计过程，针对电动汽车悬架特性进行了优化设计；仿真结果分析中阻尼比时，悬架系统具有良好的平顺性。

参考文献

[1]袁向华，王洪起，王晓乔. 电动交通工具的污染减排及对策[J]. 北方环境，2011（23）：36～52.

[2]智淑亚，谢冬. 电动汽车悬架优化设计及操纵稳定性分析[J]. 金陵科技学院学报， 2017（3）.

[3]石晶，孙艳，李卫民，等.某微型电动汽车前悬架系统性能分析与优化研究[J].机械设计与制造， 2015（3）：65-68.

[4]刘进伟，吴志新，徐达.基于 ADAMS/CAR的某轿车悬架优化设计[J].轻型汽车技术，2006（8）.