基于整车平台的动力学优化设计研究

李云霆　刘红领　张慧玉　王昱昕

摘 要：以整车平台为基础，对其进行动力学优化设计，是现代汽车工程领域的一个重要研究方向。随着汽车工业的不断发展，市场竞争的加剧，汽车生产商越来越重视提高汽车的性能、安全性和经济性。在这一背景下，动力系统优化设计成为汽车工程技术人员面临的一个新的挑战与机遇。通过对整车进行优化设计，可提高整车性能、降低油耗、提高行车安全性、提高驾乘舒适性，进而提高整车的市场竞争力。

关键词：整车平台 动力学 优化设计

随着汽车工业的不断发展，汽车制造技术的日趋成熟，整车的动力学优化设计已成为汽车制造商与工程技术人员进行整车开发的一个重要环节。在此过程中需要综合考虑整车重心、悬架刚度、转向系统设计等多方面因素，使整车能够在不同路面条件下保持最优的性能。动力学优化设计不仅关系到整车性能的提高，而且关系到汽车工程的绿色化。对车辆进行动力学优化设计，可有效提高燃料利用率、降低尾气排放和减少环境污染。

1 整车平台开展动力学优化设计中存在的问题

1.1 发动机和变速箱协同不完善

发动机与变速箱协同工作是整车动力学优化设计的重要环节，但在实际应用过程中往往存在诸多问题，影响整车性能。为了获得最好的传动效率，发动机的输出功率、转矩曲线和工作范围都要与齿轮箱的传动比和换挡逻辑进行匹配。然而由于其设计与调试的复杂程度，很难达到理想的匹配效果，从而导致汽车在实际行驶过程中存在着功率输出不平稳、换挡抖动等问题[1]。现代汽车普遍采用电子控制系统来控制发动机、变速器，但其控制算法复杂、精度高，易导致控制逻辑不准确、响应速度慢等问题。这样就会造成发动机转速与变速箱换挡不同步，从而影响车辆的行驶平顺性和燃油经济性。

1.2 缺乏电子控制系统的优化

电控系统是整车平台动力学优化设计的关键。但是目前最大的问题之一就是缺乏对电控系统进行充分的优化。电控系统能够实时监控和调整汽车各项参数，保证汽车在各种工况下的稳定、安全及性能，是整车动力学性能的重要组成部分。然而由于受技术、资源等因素的制约，一些整车厂商在设计阶段忽略了电控系统的优化设计，从而导致整车平台的动力学设计出现了很多问题。其中缺少对整车进行优化的电控系统，对整车动力学稳定性的影响很大。一套出色的电控系统能够实时调整发动机输出、制动分配、悬挂、转向等参数，从而提高汽车的操控性和稳定性。然而若缺乏对电控系统进行优化设计，则可能导致汽车在高速行驶和紧急转向过程中发生失稳，从而增加驾驶风险。

1.3 轮胎设计存在局限性

轮胎的设计是整车动力学优化设计的重要组成部分，直接影响整车的性能与稳定性。然而，现有的轮胎优化设计方法存在诸多局限与挑战，这不仅制约了整车平台性能的提高，还影响到整车的安全与驾驶体验。其中轮胎设计的一个局限在于轮胎的材质和结构[2]。传统轮胎设计多采用橡胶、钢丝绳等材料，虽能满足汽车基本使用要求，但随着汽车性能的提高，其性能已不能满足高速、高强度驾驶的要求。因此需要从新材料、新结构设计等方面提高轮胎性能。

2 在整车平台中进行动力学优化设计的策略

2.1 对底盘结构进行设计优化

在整车平台上，动力学优化是十分重要的。其中底盘结构的优化设计是影响整车性能的重要环节之一。通过对底盘结构的合理设计，不仅能有效地降低整车重心，提高整车的稳定性和操控性，而且能有效地降低整车的总质量，提高燃油利用率和功率输出。在对汽车底盘结构设计中可以通过采用轻质材料来实现设计的优化[4]。采用轻质材料可有效地减轻整车质量、减轻底盘负载、改善加速性和燃油经济性。如用高强度轻质材料代替传统钢材，可在保证强度的前提下减轻车体重量，改善整车性能。在此基础上，通过结构设计及工艺优化，进一步提高材料的使用效率，实现性能和品质的最优平衡。比如采取悬挂系统进行合理布置也是动力学优化设计的重要方面。悬挂系统作为汽车底盘的核心部件，对车辆的行驶稳定性及舒适性有着重要的影响。通过对悬挂系统的合理设计，可有效地控制车辆在行驶过程中的姿态变化，从而改善车辆的抓握性能和操控性。同时合理的悬挂系统设计也能有效地吸收振动，提高整车的舒适性，让驾驶员和乘客都能感受到更顺畅的驾驶感受。为了充分展示底盘优化设计对整车平台动力系统的影响，可以参考下表1。

由表中可知，采用轻量化材料后，整车质量明显减轻，加速性能及燃油经济性有较大提高。2型车型在使用了碳纤维之后，重量减轻了很多，加速性能也得到了很大的改善。因此材料的轻量化是整车动力学优化设计的关键，直接影响整车性能。合理运用轻量化材料，可提升整车性能，达到更高效率和更环保的驾驶体验。

2.2 对发动机和变速箱进行协同优化设计

基于整车平台的动力学优化设计方法是当前汽车工程领域的一个重要研究方向。动力学优化过程中可以对发动机与变速箱之间进行协同优化。发动机是汽车的“心脏”，为汽车提供动力；而变速箱又是整个传动系统中最核心的部分，它担负着将发动机的动力传递给车轮的重任。其中发动机优化设计是动力优化设计的一个重要环节。发动机的性能对整车的动力性和经济性有很大的影响。整车平台在进行动力学优化设计中可以通过对发动机结构、燃烧工艺、进气系统及排气系统三个方面入手，优化发动机的效率，提高发动机的输出功率，从而达到改善加速性能，降低燃油消耗的目的[5]。同时也可提高发动机的可靠性、耐用性，延长其使用寿命，降低维修费用，提高汽车的可靠性与质量。另外变速器的设计将直接影响到汽车的换挡平顺性与输出功率的匹配程度。通过对齿轮箱传动比、离合器控制、换挡逻辑等参数的优化，使换挡操作更加顺畅，提高了驾驶体验，提高了汽车的传动效率。此外通过对变速器结构进行优化，如多档变速器、双离合变速器等，也能提高汽车的燃油经济性和驾驶舒适性，满足日益提高的消费者对驾驶品质的要求。发动机与变速箱的协同优化是动力优化设计的另一重要内容。发动机与变速箱的匹配程度直接影响到汽车的综合性能。通过优化发动机与变速箱的匹配度，使发动机能够在最优的工作范围内运行，达到最大功率输出，并与变速箱的换挡逻辑相匹配，实现更顺畅的传动，提高整车的综合性能。在此基础上，通过动力学优化设计，实现发动机与变速箱协同工作，充分发挥整车性能潜能，提高整车市场竞争力。

2.3 利用先进的轮胎技术

基于整车平台的动力学优化设计一直是当今汽车工程研究的热点问题之一。其中采用先进轮胎技术改善整车动态性能是解决这一问题的有效途径。轮胎规格、胎面设计、轮胎胎压等参数的选择，可有效提高整车的抓地力、操控性及燃油经济性，从而提高整车的综合性能与驾驶体验。比如选择符合车辆类型及使用要求的轮胎，可以有效实现整车的动力优化[6]。因为不同车型、不同用途对轮胎的需求也不同，如高性能运动车对轮胎的抓地力及操控性要求较高，越野轮胎对通过性及耐磨性要求较高。通过对轮胎规格的精确匹配，可实现车辆各项性能指标的最优发挥，提高驾驶员的驾驶感受。而且胎面设计也是影响整车动力特性的重要因素。胎面作为轮胎与路面的接触面，其设计的好坏直接关系到轮胎的抓地力、操控性以及燃油经济性。采用先进的胎面设计技术，可增加轮胎在路面上的摩擦系数，改善抓地力及操控性，降低滚动阻力，减少油耗。因此合理地选取胎面花纹是进行动力优化设计的重要环节。另外轮胎压力的设定也是改善汽车动力特性的一个重要因素。合适的轮胎胎压能保证最优的轮胎与路面接触面积，从而改善抓地力及操控性。胎压过高或过低都会加剧轮胎的磨损，增加油耗，降低驾驶稳定性。因此对轮胎进行动态优化设计时，需要根据车型、用途及载重量，可使轮胎的性能得到最大程度的发挥，从而提高车辆的动力性能。

2.4 对车辆电子控制系统进行优化设计

整车平台的动力学优化设计是现代汽车工程研究的重要内容之一。其中电控系统的优化设计是影响整车性能、安全性和经济性的关键。在对汽车电控系统进行优化设计时，应充分考虑整车的动力学特性。在此基础上，结合发动机控制单元（ECU）的优化设计，实现发动机的功率输出、喷油及点火时间的精确控制，提升整车的加速性与燃油经济性。同时通过对传感器、执行器的优化配置，使系统能够更准确、更灵敏地监测整车参数。而且对整车电控系统进行优化设计时，还应该充分考虑整车的稳定性与操控性。通过对电子稳定系统（ESP）、防抱死（ABS）等汽车稳定控制系统进行优化，可有效提高汽车在紧急情况下的操控性与安全性。另外在优化电控系统实现整车悬架的优化时，可实现悬架的动力调整，提高整车的平顺性。此外，在优化设计中还需要加强对整车的节能环保特性的重视，通过对传动系统运行模式的优化管理，实现发动机的智能启停与能量回收，可有效降低汽车的燃油消耗与排放，提升整车的环保性能。而且还可以充分利用智能化技术，实现电控系统智能化控制汽车的空调和照明系统，以此来降低整车能耗，提高整车的能效。除此之外还可以在整车智能化互联的前提下，对电控系统进行优化设计。通过对车内娱乐、导航、通信等系统进行优化，使车内与外界环境实现智能化互联，提升车内驾驶乐趣与用户体验。在此基础上，结合自主驾驶技术，采用电控系统，实现智能驾驶辅助功能，提高行车安全与便利性。

2.5 对整车平台的空气动力学进行优化设计

空气动力学设计是整车平台动力学优化设计中不可忽视的一环，能有效改善汽车在高速行驶时的稳定性及燃油经济性，从而提高整车的综合性能。比如在进行空气动力学优化设计时，可以通过对车身外形进行优化。藉由精心设计的车身曲线与线条，降低空气阻力，降低风阻，令车辆在高速行驶中更顺畅，降低能耗。同时通过对车身下部压力分布的合理设计，可提高车辆的抓地力，提高操控稳定性，给驾驶者带来更多的舒适性与安全性。而且在优化设计中还可以增加空气动力学套件，以此来提高汽车性能。如通过在车身前部、侧面及尾部加装空气动力装置（如空气偏流板、扰流板等），可有效改善整车气动特性，降低气流阻力，提高整车的动力性和平稳性。这些套件的设计还需要考虑到与车身外形的协调，以保证外观美观，同时又能达到最大的流线型。另外尾翼的设计也是气动优化的一种重要方法。尾翼设计可有效改变汽车尾部气流方向及速度，形成向下压强，从而增强整车下压，改善整车抓地力及操控性。通过对尾翼形状及位置的合理设计，可在不影响整车外形的情况下获得最优气动性能，为整车性能的提高提供强有力的支撑。除上述措施外，对气流导热系统的合理设计也是汽车气动性能优化设计的一个重要方面。对导风装置进行优化设计，可有效地减小空气阻力，提高行车效率及行驶稳定性。

3 结束语

综上所述，基于整车平台的动力学优化设计方法，通过对整车平台的动力学优化，可有效地改善整车的操纵稳定性、驾驶舒适性及燃油经济性。设计时应从整车的动力、悬架、转向等方面综合考虑，使其具有最优的动力学特性。同时为了提高整车的能效及节能环保性，还需要对整车结构进行轻量化设计。以此来提升用户的驾驶体验，并为环保与节能事业作出贡献。

参考文献：

[1]徐世福，梁帅，孙哲，靳永刚.油电混合商用车动力系统匹配设计研究及应用[J].汽车文摘，2022（09）：20-26.

[2]刘欣杭，魏剑，高浩，郑飞杰.新设计低风阻系数省油车动力仿真分析[J].内燃机与配件，2022（11）：4-8.

[3]赵金刚，李正华，张彦伟，王国增，朱锡庆.发动机悬置系统优化设计与分析[J].汽车科技，2022（01）：26-34.

[4]倪晋挺，姜能惠.动力总成悬置设计对整车NVH性能影响分析[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2021，39（04）：76-79.

[5]齐凯.某车型空气动力学性能优化设计研究[J].汽车实用技术，2019（03）：85-88.

[6]吴行，郑玲，廖光亮，张紫微，薛婉莹，邓杰.汽车动力总成悬置优化设计分析[J].噪声与振动控制，2018，38（S1）：296-302.