四轮独立驱动与转向试验车悬架系统设计

赵德阳 李刚 白鸿飞

摘 要：采用四轮独立驱动与线控转向的试验车悬架系统和传统汽车有较大的差别。文章在详尽分析独立驱动与线控转向试验车特点后，确定了悬架系统的方案并对所设计悬架系统参数进行设计计算。应用CATIA软件进行三维建模;最后应用ANSYS软件对悬架系统中主要零件立柱进行了有限元分析。

关键词：电动汽车;线控转向;悬架;有限元分析

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-84-03

Abstract： The suspension system of the test vehicle with four-wheel independent drive and steer by wire is quite different from that of the traditional vehicle.In this paper， after analyzing the characteristics of independent drive and steer-by-wire test vehicle， the scheme of suspension system is determined， and the parameters of suspension system are designed and calculated. 3D modeling established by CATIA. Finally， the finite element analysis of the main parts of the suspension system column is carried out with ANSYS software.

Keywords： Electric vehicle; Steer-by-wire; Suspension; Finite element analysis

前言

在大力發展新能源汽车的环境下，纯电动汽车的普及适合我国的国情，是我国应该主导发展的新能源汽车形式。在纯电动汽车中，分布式独立驱动电动汽车是其重要组成部分和发展方向，被认为是电动汽车的终极形式。该种形式的电动汽车由于其独特的结构，需要对其重新设计。本文研究的四轮独立驱动与转向试验车由于四轮单独采用电机进行转向，转向轮之间取消了机械连接，因此该试验车的悬架系统和传统汽车存在较大的差别，在设计上应采用新的方案设计并计算，并且还需满足独立转向和独立驱动控制中的相关要求。本文分析确立了四轮独立驱动与转向试验车的悬架系统方案，对悬架系统的参数进行了计算，最后对主要部件进行了有限元受力分析。

1 悬架方案确定

由于试验车采用单个车轮电机独立转向的方式，取消了机械转向系统中转向梯形的结构，因此为了避免试验车在正常驱动时，轮胎所受纵向力，即驱动力对转向电机输出轴产生附加力矩，使正常行驶中转向电机输出轴承受额外转矩，故设计中需使转向电机的转向轴线与轮胎垂直于地面的中心线重合。由于试验车采用线控转向，因此方向盘的反馈力矩应由路感模拟电机提供，同时转向轮依靠电机驱动，不需要转向后的回正力矩，并且如果轮胎上下跳动时，当主销轴线与转向电机的转向轴线存在角度，会使得转向电机输出端承受侧向力，综上原因，设计中使主销轴线（导轨所在直线）与转向电机的转向轴线平行，避免此问题，即试验车主销后倾角和注销内倾角均设计为零。悬架系统导向机构采用直线轴承配合，避免了轴线不重合时可能出现的卡死现象[1][2]。

悬架立柱材料选择7075航空铝，在保证强度的基础上，尽可能的降低了悬架系统的簧下质量，使整车操作稳定性和平顺性得到更好的改善。悬架系统结构三维建模如图1所示。

1.减振器 2.导轨 3.减震器支撑吊耳 4.立柱 5.法兰

6.导轨支架 7.直线轴承 8.加强支撑

2 悬架参数设计

试验车设计的满载质量900kg，悬架簧载下质量与簧载上质量比值为20：80，由于试验车采用对称布置，电池组位于车架中心，因此前后轴荷比为50：50。基于此，得到：

试验车前悬架簧载上质量：m1=900×0.5×0.8=360kg

试验车后悬架簧载上质量：m2=900×0.5×0.8=360kg

2.1 自振频率（固有频率）选取

n1、n2分别为汽车前、后悬架的固有频率（亦称偏频），在一定范围内偏频越小，则汽车的平顺性越好[1]。考虑到试验车为模型车，首先需要满足整车功能的实现，应具有更高的操作稳定性。考虑到试验车轴荷比1：1，且四个轮边总成完全相同，故取得前后偏频相同，取n1=1.9Hz，n2=1.9Hz。

2.2 悬架的乘适刚度计算

汽车前、后部分车身的自振频率n1和n2（亦称偏频）可用下式表示：

2.3 悬架静挠度计算[2]

2.4 悬架动挠度计算

2.5 弹簧刚度

3 主要部件受力分析

悬架系统的三维立体模型应用CATIA建立，受力分析采用ANSYS有限元分析软件。首先应用ANSYS打开CATIA V5版本设计的立柱零件，再进入高级仿真，对模型进行网格的划分和赋予材料属性，对模型进行约束与载荷的施加。之后，即可应用求解工具进行求解[4]。解算完成后，在仿真导航器里导入仿真结果，选择相应的参数类别，以显示出结果。

立柱有限元分析如图4所示。可以看出立柱的最大应力为53MPa，发生在立柱与卡钳连接的螺栓孔处，通过查阅文献可知此应力值比起7075铝的应力要小许多，属于安全范畴[5]。因此，立柱采用7075铝保证强度的同时减轻了轮边总成质量并减小了机械加工难度。

4 结论

通过悬架系统方案论证和参数计算，建立了试验车悬架系统的CATIA三维模型。可以看出，试验车悬架系统的设计有效规避了驱动力造成的额外转矩和回正力矩对线控转向电机的影响，满足独立驱动与转向控制的需求。同时，对悬架系统主要受力零件立柱进行有限元受力分析，可以得到立柱设计满足要求。

参考文献

[1] 王望予.汽车设计[M].第四版.北京：机械工业出版社，2011.

[2] 蔡兴旺，付晓光.汽车构造与原理[M].第二版.北京：机械工业出版，2011.

[3] 闻邦椿.机械设计手册[M].第二版.北京：机械工业出版社，2010.

[4] 周炬，苏金英.ANSYS Workbench有限元分析实例详解.北京：人民邮电出版社，2017.

[5] 刘然慧，郭新柱，黄玉国.材料力学[M].北京：化学工业出版社，2017.