基于ADAMS/Car燃油车改电动车研究

刘惠佳

（鲁东大学，山东 烟台 264001）

0 引言

随着汽车产业的蓬勃发展，汽车产品给人们带来诸多便利的同时，也带来了诸如环境污染和能源危机等的问题。汽车行业在寻求转型升级的同时，新能源技术逐渐发展成熟，众多汽车企业开始大力发展新能源汽车。中国国家发展改革委员会发布的《汽车产业投资管理规定》中指出要汽车产业结构调整升级加快，行业趋势逐渐向新能源汽车过渡[1]。

由于存在电动汽车重新研发周期漫长且测试方面的费用较高等缺点，而电动汽车与传统燃油汽车的结构布局类似，燃油车与电动车的生产方式与生产线的转变较为容易实现，采用油改电方式而进行电动汽车的制造，可以直接套用燃油车平台，通过削减车辆配置来平衡由于电池而增加的整车成本，油改电的研发周期更短，对燃油车进行结构的调整与参数的优化，进而制造出符合当下汽车发展潮流的电动车。

文章利用虚拟样机软件ADAMS/Car软件，按照汽车行业标准《汽车操纵稳定性试验方法》对油改电车进行稳态仿真实验，根据《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》对所得结果数据进行评价分析。燃油车改电动车过程中出现的问题进行优化设计，提出汽车结构参数的优化方案。

1 发展现状

自电动车问世以来，对电动车的优化设计就一直在不断发展。2003年，开始对电动车建立动力系统模型并对其动力性能进行研究[2]。2010年，对电动车车架结构性能的优化引入了整车模型利用仿真技术进行汽车结构设计，对电动车进行性能仿真分析研究以进行汽车轻量化设计[3]。2011年，利用整车虚拟样机模型进行操稳仿真实验对电动车悬架进行优化[4-5]。2014年，增程式电动车的动力系统和动力性能的优化开始涌现，对整车进行动力性仿真对汽车主要参数进行匹配优化[6]。2017年，将整车控制系统划分成多个子系统加以分析[7]。2018年，对电动车驱动系统的参数进行多目标优化，从而确定最优的动力参数匹配方案[8]。2019年，出现对汽车运行中车身形态的设计研究[9]。2020年，对电动车在不同行驶状况下对车辆参数的优化[10-11]。

从上述发展过程看出，电动车的研究是从已有电动车基础上对部分结构的优化设计逐渐向整车模型的整体性能分析过渡，分析方向也从结构上的研究逐渐向参数优化方向上发展，参数优化从单一的针对性优化到整合后的整体优化。目前对电动车的研究主要有车身轻量化的研究[12]、电动车驱动桥的轻量化[13]，电池管理系统的研究与设计[14]、电动车电机应用研究[15]，鲜有对油改电动车进行整车操纵稳定性的分析与研究以及对油改电动车参数优化的研究。

鉴于上述现状，本文通过对整车模型进行操纵稳定性试验仿真，采用模块化思想，通过闭环计算方式优化局部机构的参数后，将参数整合进而输出优化结果，最终得出结论。

2 整车操稳性仿真试验

2.1 整车模型的建立

在Adams/car中进行整车模型建立，为了节省建模时间，选择直接调用Adams/car模板库中的模型，对整车参数做部分修改得到整车模型[16]。选取共享数据库中的MDI_Demo_Vehicle_lt.asy模型文件为整车基础模型，整车基本参数见表1。因为魔术公式Pac2002模型能够较为准确地表达轮胎力学特性，其在汽车操纵稳定性仿真分析中表现出色[17]，所以实验轮胎采用pac2002_205_55R16轮胎模型。

表1 整车基本参数表

2.2 蛇行路线试验

根据GB 6323—2014[18]相关规定，在蛇行实验场地中设置10根标桩，驾驶员驾驶汽车按照基准车速蛇行通过标桩区，中间6根标桩的间距为有效标桩区，根据国家标准，规定了乘用车基准车速65 km/h[19]。进行驾驶员控制文件和驾驶员控制的数据文件的编写，通过控制方向盘输入转角使汽车进行绕桩行驶。驾驶员控制文件需要驾驶员控制数据文件提供变化参数，通过数据文件对汽车的转向进行控制，使汽车按照预定轨迹路线行驶和转向[20]。实验按照国标规定的蛇行实验路线进行汽车行驶轨迹的确定，通过与相关研究中侧向加速度拟合曲线的对比，进行闭环仿真计算，得到蛇行实验侧向加速度曲线如图1所示。

图1 侧向加速度

3 问题分析及优化方案的选择

3.1 问题分析

对试验车辆进行加重500kg后进行操稳性仿真，实验结果显示试验车辆的车身侧倾角和方向盘转角出现较大增加，按照QC/T 480-1999[21]进行评分计算可得平均横摆角速度峰值r的评分Nr=72.90，转向盘转角θ的评分Nθ=81.01，根据公式（1）计算综合评分为NS=75.60。从上述分析结果可以看出，平均横摆角速度评分偏低，导致蛇行仿真试验综合评分值的下降，表明汽车转向稳定性需要进一步优化。

3.2 优化方案的选择

对汽车操稳性影响较大的参数主要包括前轮前束角、主销内倾角、车轮外倾角等。前束角可以消除车轮外倾所带来的不良影响并且能够减少车轮的前张[22]。主销内倾角可在车轮发生偏转时利用地面对车轮的反作用力使车轮回正。前轮外倾角与前束角相配合，可以提高汽车操稳性。在大多数的驾驶情况下，前轮应保持或接近0°的外倾角γ，并且在车轮上下跳动时，希望外倾角变化较小，以减少轮胎的磨损，故车轮外倾角γ的取值一般处于0.5-2°的范围内[23]。外倾角的存在使车轮在正常行驶过程中像滚锥一样向两侧滚开，而转向横拉杆和转向节的存在使其不能向两侧滚动，在轮胎与地面接触处产生的力使车轮出现边滚边滑的现象，轮胎的磨损增加并导致其寿命缩短。为了消除车轮外倾所带来的上述不良现象，安装车轮时都会预留出前束，其取值一般在0-12mm内[24]。

鉴于此，本文确定的优化目标为：调整整车的前束角、外倾角、前后弹簧安装长度，控制各参数在允许范围内并提高整车在操纵稳定性上的得分，方案依照模块化车身架构的思路，解决车身同架构下不同平台之间的差异，车身在保证其主体架构相同的基础上，通过调整局部车身结构来满足车身模块化的共享架构要求[7]，对车身下体结构中的悬架结构进行调整。

本文选择前轮前束角、前轮外倾角和悬架弹簧安装长度作为优化变量，采用控制变量的方法，在各参数变化范围内，将各参数分梯度，对各参数对应每一梯度进行操稳性试验，取得最优结果对应的参数梯度值，将最优解对应参数整合再次进行试验，重复进行上述过程形成闭环循环进而形成反馈闭环控制，得到最终的优化结果如表2所示。

表2 优化参数表

对试验车辆进行蛇形实验仿真，得到未优化试验车和优化后的试验车的数据对比分析如表3、图2、图3所示。

表3 数据对比表

图2 汽车横摆角速度

图3 汽车转向盘转角

4 结果分析

汽车车轮外倾角和前束角的增大在侧向加速度处于峰值附近时，汽车的侧向加速度有所减小，有利于车身稳定性的提高。平均横摆角速度峰值评分与平均转向盘转角峰值评分均呈现上升趋势，蛇行仿真试验的综合评价得分得到提高。在对试验车辆进行优化调整后，汽车的操纵稳定性得到了提升。

5 结语

综上所述，在对燃油车进行油改电改造时，针对可能出现的整车质量增加的问题，可以通过控制优化汽车前束角、内倾角和悬架弹簧的安装长度的方式实现，实验利用ADAMA/Car软件对整车进行稳态仿真分析，仿真结果表明，本文设计采用的优化方案能够改善车辆的操纵稳定性，提高行车安全性。随着新能源汽车的发展，传统燃油车通过优化设计改造成电动汽车的趋势不断增大，相信更多燃油车企业能采用此种方案加快燃油车的转型，推进新能源汽车的发展。