电动汽车悬架运动学分析及设计.docx

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电动汽车悬架运动学分析及设计

毕业论文文献综述

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20KW电动汽车悬架运动学分析及设计

1.绪论

1.研究背景

当今环保和能源备受关注,为解决这些问题,电动汽车（EV）呈现出加速发展的趋势。

从环保角度看,人类在使用燃料产生能量的同时,必然会排出废气,EV是零排放的交通工具,即使计入发电厂增加的排气,从总量上看,它也会大大减少空气污染,所以,EV有其更益于人与自然和谐的一面。

从能源角度看,石油资源日渐枯竭,科学家预测,地球上的石油资源如果按目前的消耗水平,仅仅可以维持60~100年。

而电能的来源广泛,人们对电力的使用,已积累了丰富的经验。

21世纪电能必然会成为各种地面运载工具的主要能源,发展EV是交通运输工业发展的必然趋势,也是汽车工业发展的总趋势。

内燃机的有效效率仅能达到15%~16%,而一般情况下,EV可获得20%~22%的有效效率。

由此可以看出,EV将使能源的利用多元化和高效化,能达到可靠、均衡和无污染利用能源的目的。

近几年,在EV的研制上各国均有了很大的进展,但是关键技术突破不是很显著,还有待于进一步开发【1】。

为了提高电动汽车的整车性能，很有必要开发一种适合电动汽车的悬架。

在此以电动汽车为基础，对其悬架进行分析和设计。

2.1电动汽车的发展历史以及现状。

电动汽车是20世纪最伟大的20项工程技术成就中前两项技术的融合，即“电气化”和“汽车”的融合产物【2】。

电动汽车除了在能源，环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外，在车辆性能方面也显示出了巨大的优势【3】。

由于网络技术，信息技术和线控技术的广泛应用，使只能交通系统的实现也变得非常简单，还可以实现再生制动和能量回收，因此提高了电动汽车制动的安全性和可靠性【4】。

在美国，日本和欧美等发达国家，各大汽车公司投入了大量的人力物力和财力用于电动汽车的开发，不断地推出新的电动汽车车型。

如美国通用汽车公司的“冲击”牌电动汽车，“氢动一号”电动轿车，加拿大巴特动力系统公司的P4型PCEB电动大客车，日本丰田汽车公司的RAV4-FCEV电动轿车，本田汽车公司2000年推出的FCX-V3型四座FCEV等。

目前本田汽车公司在FCEV的研发方面居世界领先地位【5】。

在我国早已引起重视，早已被国家列为“八五”，“九五”，863计划科技攻关项目。

近几年我国电动汽车的研究工作进入了全面发展阶段，电动汽车市场初露端倪，2001年10月国家投入8.8亿元的专项基金，特别设立电动汽车重大专项课题。

选择新一代电动汽车作为我汽车科技创新的主攻方向，组织企业，高等院校和科研机构联合攻关，计划“十五”期间以电动汽车的产业化技术台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术，系统集成技术及整车技术上取得重大突破【5】。

2.2悬架的应用和发展趋势

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。

它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力），纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶【6】。

结构上，都有弹性元件，减振装置和导向机构三部分组成。

被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，按照随机振动理论，它只能保证在特定工况下达到最优减振效果。

但它理论成熟，结构简单，性能可靠，成本相对低廉不需要额外能量，因而应用最为广泛。

在我国现阶段，仍然有较高的研究价值【7】。

主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用有横向稳定杆和麦弗逊式悬架，比如桑塔纳，夏利，赛欧等。

后悬架的选择较多，主要有复合式纵横臂悬架和多连杆悬架。

弹性元件一般采用螺旋弹簧夹橡胶衬套，减震器多选用筒式液力减震器，不同的悬架主要是由于导向机构的变化[8]。

被动悬架性能的研究集中在三个方面：

通过对汽车进行受理分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高【7】。

3.ADAMS的国内外研究现状分析

目前，ADAMS广泛应用在航空航天，汽车制造，机器人以及其他多种工业机械，并取得了很好的社会经济效益。

而在机械系统分析中ADAMS也有很多的应用。

目前有相当多的资料表明，应用ADAMS对机械系统分析能够将复杂机械系统进行仿真，并对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析，效果很好。

但在应用ADAMS分析机械系统中某一局部结构受力状况，结构复杂的机械系统以及机械系统中受力状况复杂的时候，使用ADAMS进行建模或仿真分析时往往力不从心【9】。

ADAMS在悬架运动学分析时的使用：

悬架的运动学性能直接影响操作稳定性等汽车使用性能。

利用ADAMS多体动力学软件建立双横臂独立悬架的多刚体模型，通过对模型中车轮施加运动约束从而对其进行运动学性能仿真分析，从而获得该车轮定位角的变化，将设计要求和分析结果对比可以得出此悬架结构设计的合理性及需要改进的地方【10】。

4.电动汽车悬架现况与发展

电力驱动车辆是以电力作为能源，由电动机驱动的机动车辆【11】。

虽然在外型上和传统汽车差别不大，但结构和布置有着很大的区别。

然而现在很多电动汽车都是依附于原有汽车车型的基础上的，用于电动汽车不同的行驶平顺性，及车身整体的布置及质量的不同，其行驶的平顺性等各方面的参数都没有进行优化。

电动车产业化步伐正在逼近，好的悬挂系统能够使车身倾斜的幅度减小，增大轮胎的附着力，从而增强汽车的操纵性能，开发一种适合电动汽车特点的悬架对整车的性能提高各方面都会有很大的帮助【12】。

好的电动汽车悬架可以很好的吸收，缓和路面传来的振动和冲击，减少驾驶室内噪声，使驾驶员得到较舒适的感觉，能保持汽车良好的操作性和平稳性。

并在不同路况中提供足够的安全性。

2．电动汽车悬架分析设计

1.前悬架的性能分析优化

建立动力学模型，利用ADAMS建立虚拟样机，其可在计算机上实现机械系统的动力学，静力学和运动学仿真分析。

可以快速，方便地建立完全参数化的机械系统模型，并拥有良好的后处理能力和良好的交互性。

建立整车模型的时候，将底盘简化为一个球体，其位置为整车的质心位置，其质量定义为整车的质量，由于整车在整个运动中可视为一个整体，所以这种简化的建模是可以接受的。

车辆的上下横臂通过简化计算之后运用模糊建模由横杆代替【12】。

现代汽车大多都装有横向稳定杆来加大悬架侧倾角刚度以改善汽车的行驶稳定性，这里也采用横向稳定杆【13】。

对于智能化窗口的开发：

以后若遇到相同形式的悬架机构，不需要重新进行建模，只需在此模型基础上对变量进行简单的更改，就可以对其他车辆的悬架进行仿真与分析。

在建立自己需要模型的同时，对软件进行了二次开发，运用软件的高级语言，编辑了悬架的主销长度，主销内倾角，主销后倾角，上横臂长，上横臂在汽车横向平面的倾角，上横臂水平斜置角，下横臂长，下横臂在汽车横向平面的倾角，下横臂轴水平斜置角，车轮前束角的变量方程。

使用者只需改变各设计变量的输入，即可对新的悬架模型进行同类型分析，大大提高了效率【12】。

然后对其进行仿真分析，进行悬架运动特征分析是合理选择导向机构几何参数的重要前提。

比较常用的悬架运动学仿真做法是确定定位参数随车轮上下跳动的变化特性【14】。

悬架系统在运动学分析过程中，主要反映为车轮上下跳动时车轮定位角的变化情况。

在车轮行驶过程中正常轮跳行程内让车轮定位参数在合理的范围内，以保证汽车设计所期望达到性能【15】。

车轮定位参数主要包括主销内倾角，主销后倾角，车轮外倾角和车轮前束量【16】。

得出结论然后对原有悬架进行优化，为了减轻轮胎的磨损，通过上横臂长度，上横臂在汽车横向平面的倾角，洗啊横臂长度，洗啊横臂在汽车横向平面的倾角优化分析，设置使车轮接地点侧向滑移量绝对值最小。

结论：

通过对电动车前悬架的分析，方便对其悬架结构进行优化，使轮胎侧向滑移量大大的减小，满足了自己的分析初衷。

同时建立了适合电动车的悬架数据，为以后进行类似悬架的分析提供了方便。

分析该悬架分析方法，我们可以借鉴其建模方法和智能化窗口的开发，在软件的二次开发中建立简便窗口，在同类悬架分析时，提高效率。

2.独立转向轮悬架设计

悬架一般都是由弹性元件，减振器和导向机构三部分组成的，另外辅设缓冲块和横向稳定器。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，因此，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上告诉行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。

冲击力传到车架上时，可能引起汽车机件的早期损坏，还将使驾驶员感到极不舒适，或使货物受到损伤。

为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性充气轮胎外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架与车桥之间保持弹性联系。

但弹性元件会产生振动，为了减振，还需要有减振器。

悬架中某些传力机构同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，这些传力构件还起导向作用，故称导向机构【6】。

四轮独立转向驱动的电动汽车使用4个轮毂电机独立驱动，电子差速，4个车轮由4个电机独立控制转向，传动效率高，可以实现比较好的转向控制和汽车稳定性控制，并且4个车轮能进行大角度转向，不仅可以实现传统的正向和逆向偏转，还可以进行原地转向甚至横向行驶，很大程度提高了汽车的灵活性。

电动汽车作为新型汽车，现阶段有些局限性，不能用于长途行驶的车辆，在转向系统采用较灵活的四轮独立转向，可以将电动汽车灵活的运用于旅游观光车，搬运车等车辆。

这里针对这类电动汽车设计悬架，希望能达到结构简单紧凑，转向灵活和承载能力比较强的特点。

独立悬架采用双横臂，扭杆弹簧结构，采用轮毂电机驱动的电动汽车前后轮均可采用结构相同的装置，通过汽车的主控制器对转向及驱动的协同控制，使其具有全方面独立转向功能，即实现除一般转向行驶外的原地转向，横向行驶，通向偏转，逆向偏转功能【17】。

用ADAMS建立悬架的简化模型。

实现目标优化因为主销内倾角，轮胎横向位移量及倾斜中心高度互相矛盾，例如，如果悬架采用等长双横臂结构，则随着车轮跳动，主销内倾角变化为零，但轮胎横向位移量达到最大，在改变上下横臂长度及横向角度时，侧倾中心位置又会发生很大变化，所以各目标之间需要进行协调权衡和折中处理。

然后对变量进行选取，最后确定参数。

结论：

学习其建模方法，软件的使用和目标参数的确定。

同样使用ADAMS进行建模，优化目标与确定参数。

三．结论

1.在对电动汽车悬架进行运动学分析时，利用ADAMS建立虚拟样机，其可在计算机上实现机械系统的动力学，静力学和运动学仿真分析。

可以快速，方便地建立完全参数化的机械系统模型，并拥有良好的后处理能力和良好的交互性，对其进行仿真优化。

并根据需要建立智能化窗口。

2.在设计电动汽车后悬架时，为了节约成本选用被动悬架，但根据电动汽车的发展选用独立悬架，同样使用ADAMS建立模型，利用ADAMS选取变量，进行目标的优化和参数的确定。

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