（光学工程专业论文）纯电动汽车的操纵稳定性和平顺性研究.pdf

摘要 摘要 目前，我国作为汽车制造大国，却因为缺乏汽车产品开发的核心技术而未 能成为汽车强国，同时，我国的汽车动力学技术仍处于直接购买产品、引进或 仿制阶段。本文基于电动汽车动力学理论研究的基础上，应用虚拟样机软件 a d a m s c a r 建立电动汽车整车仿真模型，并联合应用a d a m s i n s i g h t 模块对整 车进行操纵稳定性和平顺性的协同优化设计，为车辆动力学研究提供一种有效 的分析和优化方法。主要研究内容和创新为： ( 1 ) 在对电动汽车动力学进行理论研究的基础上，确定汽车的底盘布置方 案，校核汽车车架的强度和刚度。 ( 2 ) 应用a d a m s c a r 软件分别建立麦弗逊前悬架系统、钢板弹簧后悬架 系统、驱动电机系统、动力电池系统、转向系统、前后轮胎和车身等子系统模 型，装配组合成整车仿真模型。 ( 3 ) 根据我国标准的相关要求，编写驱动控制文件和驱动参数文件，并对 整车虚拟样机模型进行4 种操纵稳定性试验，分析评价其操纵稳定性。 ( 4 ) 建立b 级路面文件，驱动整车模型进行随机路面输入和脉冲路面输入 行驶2 种平顺性试验，分析评价整车的平顺性。 ( 5 ) 应用a d a m s i n s i g h t 模块，采用试验设计和分析优化的方法，优化麦 弗逊前悬架模型，优化整车模型，提高整车的操纵稳定性和平顺性。 ( 6 ) 针对设计研制的纯电动汽车，进行道路试验，并将试验结果和仿真结 果进行对比，验证模型的精确性和优化设计的可行性。 关键词：电动汽车；a d a m s ；操纵稳定性；平顺性 a b s l r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t 。o u rc o u n t r ya sac a rm a n u f a c t u r i n gp o w e rf a i l e dt ob e c o m ea p o w e r b e c a u s eo ft h el a c ko ftc o r e t e c h n o l o g yo fd e v e l o p i n ga u t o m o t i v ep r o d u c t a tt h e s a m et i m e ，c h i n a sa u t o m o t i v ed y n a m i c st e c h n o l o g yi s s t i l li nd i r e c t p u r c h a s e p r o d u c t s ，i n t r o d u c e do ri m i t a t i o ns t a g e s e tu pe l e c t r i ca u t os i m u l a t i o nm o d e lu s i n g v i r t u a l p r o t o t y p e s o f t w a r ea d a m s c a ri nt h i s p a p e r d oh a n d i n ga n dr i d e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nd e s i g nu s i n ga d a m s i n s i g h tm o d u l e t ot h ec a rs t e e r i n g s t a b i l i t yo ft h ep e a c eo fc o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g n f o rv e h i c l ed y n a m i c s r e s e a r c hp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o d t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa n di n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( i ) d e t e r m i n eap r o j e c to fc h a s s i sl a y o u t ，a n dc h e c kt h es t r e n g t ho fv e h i c l e f r a m ea n da x l e sb a s e do ne vd y n a m i c st h e o r yr e s e a r c h ( 2 ) a p p l ya d a m s c a rs o f t w a r et ob u i l dm a c p h e r s o n 舶n ts u s p e n s i o n ，s t e e l l e a fs p r i n g ，d i v i n ge l e c t r i cg e n e r a t o r ，p o w e rb a t t e r ys y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m ，f r o n t a n db a c kt i r e sa n db o d ys u b s y s t e mm o d e l ，e t c a s s e m b l es u b s y s t e m si na c c o r d a n c e w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h ep h v 7 s i c a ls a m p l et oc o m p l e t ee vs i m u l a t i o nm o d e l f 3 1w r i t ead r i v e rc o n t r o ld o c u m e n t sa n dd r i v ep a r a m e t e rt od o 4k i n d so f s t a b i l i t yt e s t sw i t ht h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e la c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e n a t i o n a ls t a n d a r d a n a l y s i sa n de v a l u a t et h eh a n d i n gp e r f o r m a n c eo fe v ( 4 ) e s t a b l i s hag r a d ebr o a df i l e st od or a n d o mr o a di n p u ta n dp u l s er o a di n p u t r i d ec o m f o r tt e s t sw i t ht h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e l ，a n da n a l y s i sa n de v a l u a t i o nt h e f i d ep e r f o r m a n c eo fe v ( 5 ) a p p l ya d a m s i n s i g h tt oo p t i m i z em a c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o na n dt h e w h o l ev e h i c l e sh a n d i n ga n dr i d ep e r f o r m a n c ew i t he x p e r i m e n t a ld e s i g na n da n a l y s i s o p t i m i z a t i o nm e t h o d ( 6 ) d ot h er o a dt e s tf o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe v ，t ov e r i f yt h ea c c u r a c y o ft h em o d e la n dt h ef e a s i b i l i t yo fo p t i m i z a t i o nd e s i g nb y c o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：e v ；a d a m s c a r ；h a n d i n gp e r f o r m a n c e ；r i d ep e r f o r m a n c e i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 自2 0 0 1 年中国加入w t o ，中国的汽车行业在十年间风雨兼程，励精图治， 发生了量与质的飞跃，迎来了历史上发展最快的机遇同时也面临着严峻的挑 战。作为汽车产销量世界第一的汽车大国，离世界汽车强国还有很大的距离， 其中，掌握汽车行业发展的核心技术，创建世界一流的自主品牌是中国汽车发 展的重中之重。我国的汽车工业正逐步转入自主品牌开发和依靠自主创新发展 具有自主知识产权的汽车开发平台建设过程中，电动汽车的自主开发能力己经 有了很大的进步。电动汽车己成为世界公认的新能源汽车发展的主流，现今， 我国的纯电动汽车大都处于研究开发阶段，很多都是在传统汽车的基础上进行 改装，由于整车质量的增加和质心位置的改变，严重地影响了汽车的稳纵稳定 性、平顺性。 汽车的操纵稳定性和平顺性是汽车动力学的主要内容，对汽车安全行驶具 有重要意义。汽车的操纵稳定性不仅影响到驾驶员操纵的稳定性，也是决定汽 车高速行驶安全的主要性能之一，所以被人们称为“高速汽车的生命线”【1 】。 汽车的平顺性影响驾驶员的乘坐舒适性，现今人们对舒适性的要求只会越来越 高，使得汽车工程师花大量的精力研究这两方面的内容。 本文以多体系统动力学的理论方法为基础，利用虚拟样机仿真技术，基于 a d a m s c a r 机械系统仿真软件建立整车虚拟样机仿真模型，在原物理样车的机 械结构基础上，按照充分利用空间、减少原车改动和合理布线等原则，提出底 盘布置方案；对电动汽车的主要受力构件车架重新进行强度、刚度校核； 根据国家汽车操纵稳定性试验标准进行仿真试验，进行操纵稳定性计分评价； 根据国家汽车平顺性试验标准进行仿真试验，进行平顺性计分评价；分析影响 汽车操纵稳定性的悬架特性因素及其灵敏度，对麦弗逊前悬进行优化设计；分 析整车主要性能因素对操纵稳定性和平顺性的影响程度，最终达到提高物理样 机的操纵稳定性和平顺性的目的；对物理样车进行道路测试，进一步验证模型 的精确性和优化设计的可行性。 第一章绪论 1 2 课题的背景和意义 随着汽车产业迅猛地发展，汽车需求量不断地提高，环境污染和能源紧缺的 问题得到人们越来越多的重视，纯电动汽车零排放和清洁能源利用等优点都使得 它获得人们更多的瞩目。目前，国内的电动汽车的开发大都在原型车辆的基础上 改装而来，它的开发设计是一项集机电一体化的综合科技工程，其工作的主要内 容可以分为三大部份：纯电动汽车的动力参数匹配和底盘布置方案的确定；纯电 动汽车的操稳性、平顺性、制动性等动力学分析；纯电动汽车的电池管理系统 ( b m s ) 、整车控制器( v m s ) 、电机控制等电子控制系统的开发。本文的工作 包含在前两项内容里，研究重点是纯电动汽车的操纵稳定性和平顺性。 汽车的操作动力学研究始于上个世纪三十年代，以往汽车操纵动力学研 究，都是对物理样车的试验数据进行分析研究，遇到问题进行修改，修改后再 试验，反复进行这个试验过程，直到解决问题为止，整个试验过程复杂繁琐， 需要投入大量的人力、物力。现今，随着多体系统动力学理论、计算机技术、 c a x ( c a d c a e c a p p c a m ) 技术等学科的发展，虚拟样机枝术作为一门新兴 技术己经广泛地应用到工程实际中，特别是汽车行业，得到了业界的认可。运 用虚拟样机技术可以在计算机上方便快捷的修改汽车结构缺陷，达到汽车性能 优化设计的目的，这样就可以缩短新型汽车的开发周期，降低其开发成本，提 高其各项性能指标。应用虚拟样机技术的软件有很多，其中美国m s c 公司的 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是汽车行业应用 最多的软件，许多国际大型汽车企业包括福特等，都采用这个软件作为汽车动 力学仿真的平台。 本文基于对电动汽车动力学理论研究的基础上，提出底盘布置方案，设计 校核车架的强度、刚度；应用a d a m s c a r 模块建立电动汽车虚拟样机仿真模 型，进行整车操纵稳定性、平顺性仿真分析；应用a d a m s i n s i g h t 模块对麦弗 逊前悬架进行硬点参数优化设计，优化悬架运动学特性，并在此基础上进行整 车操纵稳定性和平顺性的协同优化设计；对物理样机进行道路试验，将试验结 果与仿真试验结果对比，验证模型的精确性和优化设计的可行性。 1 3 车辆动力学的研究现状和趋势 1 3 1 国外的研究现状 国外关于汽车操纵稳定性研究起始于2 0 世纪初，1 9 0 8 年，英国的f w 2 第一苹绪论 一_ - _ _ _ - _ _ - - _ 一 b l a n c h e s t e r 撰写了第一篇有关汽车动力学的论文，在发表的论文中，他注意到 如果作用在驾驶员手上的离心力使得转向角变大，则带有拖车的汽车会在转向 时出现。过多转向， 2 】。2 0 世纪2 0 年代，人们对车辆行驶中的振动问题有了 初步了解，建立起驱动学普遍原理 2 1 ，初步形成车辆平顺性理论，b r u s h i e s t 在 1 9 2 5 年发表的文章中首次提出侧偏和侧偏角的概念【3 1 ，使人们对操纵稳定性的 认识开始有了突破。2 0 世纪3 0 年代，工程师们开始了解简单的轮胎力学， b e c k e r ，f r o m m 和m a r u h n 在1 9 3 1 年表了第一篇论述轮胎侧偏刚度的文章h ， 1 9 3 3 年，b r o u l h i e t 在s a e 上发表的一篇文章中讨论了独立悬架以及他提出的轮 胎侧偏概念。1 9 3 4 年o l l e y 首次提出了车速是一个关键问题，给出了前后轮侧 偏角应满足的几何关系5 1 。另外l a n c h e s t e r 【6 】、英国的m o l l e y 和法国的g b r o u l h i e t 开始分析转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响。2 0 世纪5 0 年代 是车辆操纵动力学发展进入“黄金时期 ，建立了操纵动力学线性域理论体 系，1 9 5 6 年，s e g e l 【8 】翻建立了三自由度车辆数学模型，为车辆动力学模型的建 立打下了基础，是动力学研究历史中的里程碑事件。1 9 9 3 年，s e g e l 在关于车辆 操纵稳定性和平顺性的机械工程师学会会议上发表了演讲，文章中他将操纵稳 定性分析的早期成就划分为三个阶段7 1 ，如表1 1 所示。 表1 - 1 操纵稳定动力学三个阶段 到2 0 世纪3 0 年代初 第一阶段 对于车辆动态性能的经验陛观察； 开始注意到车轮摆振的问题； 认识到车辆平顺性是车辆性能的一个重要性能。 2 0 世纪3 0 年代初到1 9 5 2 年 了解了简单轮胎力学，定义侧偏角； 定义了不足转向和过多转向： 第二阶段 了解了稳态转向特性； 建立了简单的二自由度操纵动力学方程： 建立了k 2 实验台，提出平稳行驶概念； 引入了悬架模型。 1 9 5 2 年以后 通过试验结果分析和建模，加深对轮胎特性的了解； 第三阶段 建立了三自由度操纵动力学方程； 扩展操纵动力学分析内容，包括稳定性和转向相应特性分析； 开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行预测。 2 0 世纪7 0 年代，m u r p p h y 、t i f f a n y 、h i c k n e r 、m i c h a e l 1 0 】【1 1 1 等人在计算机 上建立车辆动力学仿真模型，标专着虚拟样机技术己经开始应用于车辆动学仿 第一章绪论 真中，7 0 年代中后期，世界主流汽车公司开始加入驾驶员的主观评价方法。 2 0 世纪8 0 年代，w r i l e yg a r r o y 在m i c h i g a n 大学开发了完全的数字汽车 仿真模型，模型包括汽车模型i d s f c 和驾驶员模型d r i v e r 两大部分。 m a c a d a m 、r e d d y 与e l l i s 等人考虑驾驶员的前视作用相继提出了不同的“最优 预瞄控制模型” 1 2 】【1 3 】。 2 0 世纪9 0 年代，各个科研机构和汽车公司开始对汽车的各个构件和整车进 行各种力学模拟和试验场试验。代表的有r w a d ea l l e n 等人开发的v d a n l 仿 真代码模拟车辆侧翻等试验【1 4 】，r p j o n e s 和a s c h e r r y 通过模糊控制技术来控 制悬架系统，同时给出了模糊控制逻辑规则【1 5 】，w a l l a s c h e k 和d u y m 等人实现 了线性和非线性数学建模方法在车辆上的应用【1 6 1 1 7 1 。此外，驾驶员模型的控制 行为精度越来越高，具有代表性的是m u r u e r 等人提出的p i d 补偿模型和交 叉模型。基于模糊神经理论进行操纵稳定性分析的研究也有很大的发展， n i s s a n 公司、h o n d a 公司等汽车企业都纷纷加入运用神经网络和模糊控制理论 研究操纵稳定性的行列。 1 3 2 国内的研究现状 国内关于车辆动力学的研究始于2 0 世纪七十年代，清华大学和长春汽车研 究所是国内最早系统地开展车辆操纵动力学研究的机构。 1 9 8 1 年，郭孔辉院士最早提出人一车闭环系统评价方法 1 】，【1 8 】，【1 9 1 ，随后建立 了具有代表性的1 2 自由度汽车动力学仿真模型【1 1 ，吉林大学汽车动态模拟国家 重点实验室在此基础上自主开发了2 9 个自由度的汽车动力学仿真模型。此后， 这方面的研究不断的出现，温吾凡口0 1 、林逸皿1 1 、张越今【2 2 】口3 1 、袁忠诚2 4 、尹 浩等人对车辆动力学进行了深入研究，为整车动力学特性的改进和优化提出参 考依据。 在过去的8 0 多年中，汽车动力学理论己经广泛的应用在汽车产业生产中， 利用计算机可以求解多个甚至几百个自由度的车辆模型。但是在新型汽车的研 发过程中，主要还是依靠汽车工程师队伍丰富的测试经验和高超的主观评价技 能，没有汽车产家会用汽车理论分析完全代替己有的一套详尽的开发过程a 4 第一章绪论 1 4 虚拟样机技术 1 4 1 虚拟样机技术的形成与发展 随着国民经济的发展与国防技术的需要，机械动力学研究越来越重要，在 工程实践中，要求我们快速有效地研究机械系统的运动特性和动力学特性，以 达到满足社会生产的要求。2 0 世纪6 0 年代，这些社会需求推动了多体系统动力 学的形成，它的研究内容的找出多体系统的运动规律，从而在此基础上提出改 进优化方案1 2 5 j 2 6 2 7 1 。但是手动机械的进行试验研究，往往要花费很大的人力、 物力和精力，使产品的开发周期长，开发成本大。随着多体系统动力学、计算 机技术、计算方法等多学科技术的发展，虚拟样机技术作为一门新兴技术应运 而生。 利用虚拟样机技术，我们可以建立系统的几何模型，研究系统的动特性； 可以进行在动特性分析的基础上，确定有限元分析所需要的力载荷和约束条 件，或者进行有限元分析；可以进行软件编程来模拟研究对象工况；可以进行 控制系统设计，或者和其它专用软件联合进行控制分析；可以进行优化设，达 到优化系统模型的目标。 1 4 2 虚拟样机技术在汽车上的应用 现今，虚拟样机技术己经广泛地应用到汽车行业。新型汽车产品的开发过 程中，可以利用虚拟样机技术建立汽车各个子系统部件或者整车的三维立体仿 真模型，对机械系统进行运动学分析和动力学分析，找出其运动规律，可以预 测机械系统在特性工况下的性能表现。通过计算机方便快捷地修改机械系统的 结构参数、设计不同的试验方案，解决汽车工程实践应用中的最优化问题。相 比以往手动修改物理样车结构特性的方法，虚拟样机技术的应用为汽车工程们 节省了大量的时间、财力，缩短的汽车的开发周期，提高了产品的性能指标 2 8 卜 3 2 】。 如今，奔驰、福特、克莱斯勒等许多国际大型汽车企业都把虚拟样机技术 很好地应用到汽车产品的开发中，建立了全面数字化仿真模型，解决在产品设 计开发中遇到的问题，改进和优化汽车产品的性能。此技术在汽车产业中的应 用，大大地缩短了新型车辆的开发周期，降低投资成本，可以说谁应用虚拟样 机技术走在别人前面，谁就赢得了市场。 5 第一章绪论 a d a m s 是世界上应用最为权威的机械系统动力学仿真分析软件，国际上 主要制造商都在应用a d a m s 数字化虚拟样机软件，其在汽车工程中的应用非 常广范，概括起来可以包括以下几个方面：汽车悬架设计；汽车动力学仿真； 发动机仿真；噪音、振动和冲击特性预测；操纵稳定性仿真和平顺性仿真；控 制系统设计；驾驶员行为仿真；轮胎道路相互作用仿真等。 1 5a d a m s 软件介绍 1 5 1a d a m s 简介 机械系统分析软件a d a m s 采用交互式图形环境，集建模、求解和可视化 技术于一体。用户可以运用其内部力库、部件库和约束库方便快捷地建立机械 系统仿真模型，不用考虑机械系统模的动力学方程、我们只关心所建立的模型 运动特性是否和物理机样相符。a d a m s s l o v e r 求解器会采用拉格朗日方程力 学分析法，自动求解运动学、动力学方程，输出转角、力、转矩、速度等机械 系统仿真模型的物理测量量【2 6 】；可以进行机械系统动态特性预测、进行系统模 态分析、进行试验设计与优化分析等。a d a m s 软件是由若干模块组成，如图 3 】【3 3 】。 图1 1a d a m s 软件模块 1 5 2a d j 蝴s c a r 建模 a d a m s c 缸a d a m s 专业模块之一，它采用的用户化界面是根据汽车工 6 第一章绪论 程师的实际习惯而专门设计的，允许用户建造汽车各个系统的虚拟模型，模拟 物理样机的真实工况进行仿真分析，输出表征车辆操纵稳定性、平顺性、制动 性等性能参数。 a d a m s c a r 模块分为s t a n d a r d ( 标准) 和t e m p l a t eb u i l d e r ( 模板建模器) 两种模式，它的建模顺序是自下而上( 模板子系统整车) ，即装配组 合模型建立在子系统模型的基础上，子系统则需要在模板中建立。模板 ( t e m p l a t e ) 是建模的主要基础，用户在模板模式下建立自定义模板，建立复杂 机械系统中部分子系统参数化模型，如整车模型中的前悬架模板，再此基础上 创建通讯器，用于定义此模板与其他模板、试验台和子系统的连接信息，从而 生成子系统( s u b s y s t e m s ) ，俗称总成，子系统再通过创建的通讯器与其它子系 统和试验台连接，生成装配组件( a s s e m b l i e s ) 。a d a m s c a r 整车模型建模流 程如图1 2 。 i 一一一 图1 2 整车仿真模型建模流程图 利用a d a m s c a r 模块建立模型的主要步骤如下【3 4 】： ( 1 ) 物理模型的简化，根据物理模型中各零部件间的运动学关系，定义零 部件的拓扑结构( t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ) 。 ( 2 ) 确定硬点( h a r d p o i n t ) 坐标，即各零件之间连接点的几何位置( 一般 通过三维测量仪获取的数据) 。 7 第一苹绪论 ( 3 ) 创建零部件( p a r t ) ，根据硬点坐标创建部件，设置部件的质量参数， 也可以创建它的几何外形( 一般通过查阅相关图纸、计算、试验、测量三维 c a d 模型等方法获取参数数据) 。 ( 4 ) 创建各零部件之约的连接( a t t a c h m e n t ) ，包括是约束( j o i n t ) 还是 衬套( b u s h i n g ) ，根据部件间的运动关系来确定。 ( 5 ) 创建弹性元件的属性文件，定义弹簧、减震器、缓冲块、橡胶衬套等 弹性元件的力学特性( 一般通过试验获取) 。 ( 6 ) 创建输入和输出通讯器，用于定义此模板与其他模板、试验台和子系 统的连接信息。 ( 7 ) 创建参数变量，使不同的子系统共用相同模板，方便的修改参数建立 所需要的子系统。 在建立模板阶段，要建立正确零部件间的约束和通讯器，因为这些数据只 能模板阶段中修改，子系统和装配组合只能改变零部件的位置、力学特性和质 量特性。在标准界面可以对整车模型进行运动学和动力学仿真分析，本文运用 此软件在标准界面下进行了操纵稳定性试验和平顺性试验。 1 6 研究的技术路线与主要内容 1 6 1 研究的技术路线 ( 1 ) 基于对电动汽车动力学理论的研究，应用电动汽车改装技术，提出一 种电动汽车的底盘布置方案。 ( 2 ) 应用虚拟样机软件a d a m s c a r ，建立麦弗逊前悬架模型，进行平行 轮跳试验，输出仿真结果与试验值对比，验证模型的准确性。同样方法建立钢 板后悬架、转向、轮胎、车身等子系统模型，装配所有子系统组合建立电动汽 车的整车模型。 ( 3 ) 编辑驱动控制文件和驱动参数文件，使整车模型分别进行4 种操纵稳 定性评价试验和2 种平顺性评价试验。 ( 4 ) 采用试验设计及分析优化的方法，应用a d a m s i n s i g h t 选取麦弗逊前 悬硬点坐标为影响因素，进行前悬优化设计，同时选取6 个整车性能参数，设 计正交优化试验，优化电动汽车操纵稳定性和平顺性。 ( 4 ) 对物理样机进行道路试验，将试验结果与仿真结果对比，验证模型的 8 第一苹绪论 精确性和优化设计的可行性。 1 6 2 论文的主要内容 ( 1 ) 本文采用的布置方案：驱动电机代替原型汽车的发动机仍然放置在前 舱；驱动方式为前置后驱，保留原型汽车的动力传动系统一一变速器、传动 轴、差速器等：大质量的动力电池组打包成两个电池箱左右对称放置在汽车中 间地板下，通过螺栓固定在汽车地板下；其它改装部件，如电控系统( 电机控 制器、整车控制器、高压配电箱) 、蓄电池、转向助力泵等合理的布置在前 舱。因为电动汽车的总质量分布发生改变，本文重新对车架进行强度、刚度校 核，验证布置方案的合理性。 ( 2 ) 应用a d a m s d c a r 虚拟仿真软件分别建立麦弗逊前悬架系统、钢板 弹簧后悬架系统、齿轮齿条转向系统、驱动电机系统、前后轮胎、动力电池和 车身等子系统模型，部分子系统进行运动学仿真分析，验证模型的准确性，在 此基础上依据物理样机的结构特点进行装配组合，完成整车仿真模型的建立。 ( 3 ) 依据我国汽车操纵稳定性和平顺性试验标准，编写相应的驱动控制文 件( 部分需要驱动参数文件) ，驱动控制整车模型在虚拟试验场地进行4 种操 纵稳定性试验( 方向盘角阶跃输入试验、方向盘脉冲输入试验、转向回正试 验、稳态回转试验和蛇形试验) 和2 种平顺性试验( 随机路面输入和脉冲路面 输入) ，输出仿真试验结果，运用m a t l a b 软件进行数据处理，得出各个试验的 评价指标，分析评价纯电动汽车的操纵稳定性和平顺性。 ( 4 ) 运用a d a m s i n s i g h t 模块对麦弗逊前悬架硬点坐标参数进行优化。本 文采用的是试验设计与优化分析相结合的优化方法，优化试验为平行轮跳试 验，优化目标为车轮的四个定位角参数，影响因子为前悬架的硬点坐标参数。 为了尽可能小的改变悬架结构，在优化前对6 个硬点1 8 个影响因子进行敏感度 分析，确定优化分析的设计变量。本文最后采用6 个影响因素，两个水平，采 用全因子设计方法，进行2 6 = 9 4 次迭代，完成对前悬架的优化设计，并对比了 优化前后悬架的运动学特性，验证优化设计的合理性。 ( 5 ) 运用正交试验优化设计方法对整车的操纵稳定性和平顺性进行协同优 化。优化设计的影响因素为前悬架的弹簧刚度、减震器阻尼、整车质心坐标的 z 方向( 垂向) 、x 方向( 纵向) 、整车载荷和轮胎侧偏刚度，分别取3 个水平， 选用l 1 8 3 7 正交表，操纵稳定性试验选用方向盘角阶跃输入试验，优化目标 9 第一章绪论 为横摆角速度响应时间和侧向加速度响应时间，平顺性试验选用脉冲路面输入 试验，优化目标为车身质心处最大垂向加速度。最后，综合分析各个影响因素 的各个水准对优化目标的影响程度，综合分析得出最终优化方案，优化后重新 进行整车性能仿真分析，结果表明改进后的电动汽车可同时提高操纵稳定性和 平顺性。 ( 6 ) 对物理样机进行转向盘角阶跃试验、转向回正试验、稳态回转试验和 蛇行试验，将试验结果与仿真结果对比，验证模型的精确性和优化设计的可行 性。 1 6 。3 论文结构 ( 1 ) 总结了车辆动力学的国内外研究现状及趋势，介绍了虚拟样机技术和 其应用软件a d a m s c a r ，阐述了课题的研究背景和意义。 ( 2 ) 设计电动汽车底盘布置方案，并对车架重新进行强度、刚度校核。 ( 3 ) 建立了电动汽车的各个子系统模型，验证其准确性并装配组合成整车 虚拟样机仿真模型。 ( 4 ) 根据国家标准编写驱动控制文件与驱动参数文件，进行4 种操纵稳定 性仿真试验和2 种平顺性仿试验，对开发的电动汽车进行动力学仿真分析，评 价其操纵稳定性和平顺性。 ( 5 ) 联合应用a d a m s i n s i g h t 和a d a m s c a r 模块，应用试验优化设计技 术对麦弗逊前悬和整车进行优化设计。 ( 6 ) 对物理样机进行道路试验，证验模型的精确性、优化设计的可行性。 1 7 本章小结 本章首先总结了国内外车辆动力学的研究现状和发展趋势介绍了虚拟样机 技术，包括虚拟样机技术的概念、研究方法、研究范围及相关技术。然后介绍 了多体动力学软件a d a m s ，c a r ，包括多刚体动力学。最后，介绍了论文研究的 技术路线、主要内容和文章结构。 1 0 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 在国内，纯电动汽车的研发时间不长，新型汽车大都是在原型汽车的基础 上改装而来，主要工作内容主要有几下几点： ( 1 ) 驱动电机、电池的选型。根据纯电动汽车的动力性能指标，计算驱动 电机最大转矩、最大功率等性能参数，选择性能参数能够满足要求的电机，同 样原理完成动力电池的选型工作；拆除了原有的发动机，助力转向系统和制动 系统失去了助力源，需要重新进行匹配。 ( 2 ) 电池管理系统、整车管理系统的开发。车用动力电池是汽车的动力 源，我们希望它能够提供稳定的并且安全的动力，这就对电池管理系统b m s 、 整车管理系统的开发提出了高要求。它们也是核心技术，谁做的好谁就占领市 场。 ( 3 ) 合理的布置底盘。改变原车的结构布置、总质量，这些都导致汽车的 操纵稳定性发生变化，需要我们综合考虑多主面因素，提出更合理的底盘布置 方案。 ( 4 ) 重新校核汽车的结构件强度和刚度。 ( 5 ) 动力学分析。建立整车仿真模型，进行动力学仿真分析，找出结构参 数与性能之间的关系，找出方法，提高物理样机的动力学性能。 本章主要对上面( 3 ) 、 ( 4 ) 项内容进行分析讨论，第( 5 ) 项内容会后面 的第五章节和第六章节着重进行研究。 2 1 纯电动汽车动力系统选型 本文设计的纯电动汽车的原型是传统商务汽车，原型汽车整车主要参数见 表2 1 。 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 表2 - 1 原型汽车整车主要参数 长宽高( m m )4 6 6 6 1 9 7 4 2 2 2 8 主减速器速比4 8 7 5 轴距( m m )2 8 3 5 最大爬坡度( ) 2 5 前轮距( 1 砌)1 6 9 2 最高车速( k m h ) 1 2 0 最大功率转速 后轮距( m m )1 7 0 0 6 7 6 3 6 0 0 ( k w r p m ) 最大扭矩转速 驱动方式 f r 2 0 4 5 2 0 0 0 ( n m r p m ) 排量2 8 0 0 百公里油耗11 l 1 0 0 k m 变速器类型 手动5 档 整备质量( 埏) 1 9 8 4 0 - - 一1 0 0 k m h 加速时间( s )2 0 满载质量( k g ) 2 8 9 0 纯电动汽车总体的设计思路：在保留原车的行驶系统的基础上，改用车用 动力蓄电池、电动机驱动车辆行驶。设计原则是尽可能地减少对原车的改动。 根据电动轿车的主要行驶工况而设计的动力性能指标如表2 2 ： 表2 - 2 纯电动汽车动力性能要求 最高车速 最大爬坡度 续驶里程0 1 0 0 k m h 加速时间整车整备质量 ( k m h )( )( k m )( s ) ( k g ) 1 1 02 51 5 0 2 02 8 9 0 据最高车速、最大爬坡度、o 1 0 0 k m h 加速时间计算电动机功掣3 5 】，计算 得出电动机的额定功率为最大功率7 2 k w 。本文所选用的三相交流电动机工作特 性为，最大转矩2 5 0 n m ，最大功率9 0 k w ，额定功率4 5 k w 。电动机的最大转 速是6 0 0 0 r p m ，额定转速是1 4 7 0 r p m ，额定电压1 4 4 v 。据续驶里程选择计算蓄 电池的总容量【3 6 】，结合电动机的电压要求，综合选择1 2 6 块3 2 w 1 0 0 a h 锂离子 动力电池，动力电池总质量有4 5 0 k g 。 2 2 底盘布置方案 完成驱动电机、动力电池、助力转向泵等改装组件的选型工作后，需要对 这些改装件进行合理的布置，设计原则有尽可能小地改变原型汽车的结构、合 理地分散整车质量、能够方便的进行拆卸和维修，并提高乘员在驾驶过程中的 1 2 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 安全性。 综合考虑以上原则，结合原车的结构特点，提出底盘布置方案，见如图 2 。1 ，电池组打包成两个电池箱，分别左右对称地分布在车身底部，通过螺栓与 地板连接，驱动电机代替原发动机仍然放置在前舱中，保留原型汽车前置后驱 的驱动方式，保留原车的变速箱、传动轴等动力传动系统，对于电机和变速器 的连接，需要做特殊的处理，以保证其有效的进行动力传动。这种布置形式合 理地分配了质量大的动力电池组，使整车质心的y 方向( 左右方向) 不变，提 高了汽车的稳定性。此外，这种布置使电池远离驾驶员，提高乘员的安全性。 前舱除了电动机以外，还放置了电机控制器、整车控制器、高压配电箱、 功率转换器d c d c 、电动助力转向泵、真空助力制动泵和蓄电池等。 图2 - 1 底盘布置方案 2 3 车架的结构有限元分析 该纯电动汽车由于发动机的拆除和动力电池组的加入，导致汽车载荷的分 布发生改变，因此有必要重新对车架和车桥进行强度校强。 车架作为汽车承载基体，支撑着车身、驱动系统、传动系统等所有簧上质 量组件，承载了大部分汽车质量，承受着悬架、车身等传给它的各种力和力 矩。而纯电动汽车在原型车的基础上，增加了驱动电机、动力电池组等大质量 组件，改变了车架的受力承载状态，因此，需要对车架的强度重新进行校核。 本文选用h y p e rw o r k s 的h y p e rm e s h 模块，对车架进行有限元分析，使强度校 核计算更为有效。 本文研究的汽车车架的纵梁和横梁都采用是酸洗板，型号q s t e 4 6 9 t m ， 是一个发展中的钢材品种，它的化学成分c 0 1 2 、s i 0 5 0 、p 0 0 3 0 、m n 1 6 0 ，屈服强度等于4 6 0 m p a ，其材料特性见表2 3 。 1 3 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 表2 3 材料特性表 仃。( m p a )e ( m p a ) 4 6 02 0 6o 3 利用c a t i a 软件建立完车架模型，输出保存为i g e s 格式，导入h y p e r m e s h 读出。然后进行以下工作：将车架各个板件按照实际结构进行拆分，为 同类板件建立c o m p o n e n t ，并对每个c o m p o n e n t 建立c a r d ：利用m i d s u r f a c e s 抽 取车架各个组件的中面；使用g e o m e t r yc l e a n u p 删除重复的点、线和面，并删 除一些局部较小的细节，如倒角、局部小孔等【3 7 】【3 8 1 3 9 1 。网格的划分：先用 a u t o m e s h 对车架进行自动划分，然后对局部区域的网格进行调整。本文选用 r i g i d 来模拟车架横梁与纵梁连接处的焊点。其局部网格划分情况和整体结构的 简化情况见图2 2 、图2 3 。 图2 - 2 局部网格划分情况 图2 - 3 整体结构的简化情况 1 4 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 据载荷的不同分别进行以下处理：动力总成按集中载荷处理加载在相应的 面上或点上，乘客、贸物和车身重量作为均布载荷施加纵梁的受力面上，其中 电池箱的重量也作为均布载荷施加在相应的纵梁部位。 本文分别研究电动汽车满载弯曲、满载扭转的情况：其约束情况见表2 4 。 表2 4 施加的约束和载荷方案 工况约束和载荷状况方案 满载弯曲约束前后悬架所有节点x 、y 和z 方向的所有自由度 满载扭转释放后悬架右侧节点x 、y 方向自由度，约束其它节点所有自由度 按照上述表格对两种工况设置约束、载荷方案，进行应力和应变计算( 分析 方法选用o p t i s t r u c t ) ，分析云图见图2 - 4 ，车架各工况最大应力和最大位移见表 2 5 。可以得出结论，两种工况下车架的强度符合设计要求。 a 满载弯曲应力分布图 1 5 一e e e e e e e p 一 恧蒜潦竺一日西鬯 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 b 满载弯曲位移变形图 c 满载扭转应力分布图 1 6 稠测剥剐l习删_ 翮黜黜黜。一 磊瑟一一 熏翻茹 ：蓊蓊黜一 。 蔼撩i 一 。焉彗癸茹一 一嗣避， 一闻递， 一目鬯， 一目掣 第二章纯电动汽车底盘布置方案的确定 嗣 d 满载扭转位移变形 图2 - 4 各工况下分析云图 表2 5 最大应力值和最大位移值 工况 最大应力值( m p a ) 安全系数最大位移值( m m ) 满载弯曲 2 1 51 8 42 6 5 满载扭转 2 1 61 6 6 2 6 8 由表2 - 5 可知，两种工况下的最大应力值均小于屈服强度4 6 0m p a ，最大位 移为2 6 8 m m ，发生在扭转工况下，可以明显看出右侧变形明显大于左侧变形， 但都在很小的变形范围内，满足纯电动汽车强度和刚度的要求。 2 4 本章小结 本章提出一种底盘布置方案，并对电动汽车的车架强度、刚度进行重新校 核，计算结果表明原型汽车的车架满足电动汽车的设计要求。 1 7 第三章 电动汽车整车仿真模型的建立 第三章电动汽车整车仿真模型的建立 汽车是极其复杂的多刚体系统，在运用a d a m s c a r 建立整车模型前，需 要对模型进行抽象和简化处理：电动汽车的车身简化为一个刚体质量球；弹簧 和减速器的工作特性用力元素来模拟，可以利用文件编辑器来设置其力学特性 参数；用弹性橡胶衬套约束来模拟两个刚体之间的柔性连接，如悬架的下摆臂 与副车架的连接；将仿真模型参数化，可以方便用户通过修改参数改变模型的 结构特性，如子硬点参数的修改、子系统模型上下、前后位置的移动；整车模 型除了弹性元件，其它全部当成刚体处理。 3 1 模型参数的获取 整车模型的建立，需要大量的原姑数据，数据类型大致可分为三类：运动 学参数、质量参数和力学特性参数【4 l 】【4 2 】。获取参数的方法有很多；简单的几何 参数重质量参数可以直接测量，例如汽车的长、宽、高等；有些参数需要专业 仪器进行测量，比如汽车质心位置的测量，汽车的整备质量等；另外有一些参 数，需要做试验分析得出，比如轮胎的侧偏刚度等。 纯电动汽车前、后悬架的硬点参数坐标是通过三维坐标扫描仪测量得来。 零部件的质量参数、惯量参数是根据二维图纸利用c a d 建模方法得到的，对于 没有相对运动固定在一起的零部件，处理成一个运动部件，拥用一个共同的质 心和转动惯量。整车质量参数由厂家提供，由于缺少转动惯量，本文采用下面 的s a e 经验公式进行估算。【4 引。 i x x = ( ( r h + h g ) 水t - w 木m k x ) 木l e 6 i y y = ( ( i m + h g ) 幸l 水m l k y ) 拳l e 6 ( 3 1 ) l z z = ( t w * w b 术m k z ) 木l e 6 式中：丁形为轮距( m ) ；w b 为轴距( m ) ；m 为汽车质量( k g ) ；r h 为 车顶离地面高度( m ) ；n g 为汽车质心高度( m ) ；l 为汽车总长( m ) ； k x = - 9 4 2 1 2 、k y = 4 2 1 9 3 、k z = - 2 2 0