四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向試驗(yàn)車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙德陽 李剛 白鴻飛

摘 要：采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與線控轉(zhuǎn)向的試驗(yàn)車懸架系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車有較大的差別。文章在詳盡分析獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與線控轉(zhuǎn)向試驗(yàn)車特點(diǎn)后，確定了懸架系統(tǒng)的方案并對(duì)所設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行三維建模;最后應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)懸架系統(tǒng)中主要零件立柱進(jìn)行了有限元分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;線控轉(zhuǎn)向;懸架;有限元分析

中圖分類號(hào)：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(fā)展新能源汽車的環(huán)境下，純電動(dòng)汽車的普及適合我國的國情，是我國應(yīng)該主導(dǎo)發(fā)展的新能源汽車形式。在純電動(dòng)汽車中，分布式獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車是其重要組成部分和發(fā)展方向，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的終極形式。該種形式的電動(dòng)汽車由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其重新設(shè)計(jì)。本文研究的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向試驗(yàn)車由于四輪單獨(dú)采用電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向輪之間取消了機(jī)械連接，因此該試驗(yàn)車的懸架系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車存在較大的差別，在設(shè)計(jì)上應(yīng)采用新的方案設(shè)計(jì)并計(jì)算，并且還需滿足獨(dú)立轉(zhuǎn)向和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制中的相關(guān)要求。本文分析確立了四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向試驗(yàn)車的懸架系統(tǒng)方案，對(duì)懸架系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，最后對(duì)主要部件進(jìn)行了有限元受力分析。

1 懸架方案確定

由于試驗(yàn)車采用單個(gè)車輪電機(jī)獨(dú)立轉(zhuǎn)向的方式，取消了機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向梯形的結(jié)構(gòu)，因此為了避免試驗(yàn)車在正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，輪胎所受縱向力，即驅(qū)動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出軸產(chǎn)生附加力矩，使正常行駛中轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出軸承受額外轉(zhuǎn)矩，故設(shè)計(jì)中需使轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)向軸線與輪胎垂直于地面的中心線重合。由于試驗(yàn)車采用線控轉(zhuǎn)向，因此方向盤的反饋力矩應(yīng)由路感模擬電機(jī)提供，同時(shí)轉(zhuǎn)向輪依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要轉(zhuǎn)向后的回正力矩，并且如果輪胎上下跳動(dòng)時(shí)，當(dāng)主銷軸線與轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)向軸線存在角度，會(huì)使得轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出端承受側(cè)向力，綜上原因，設(shè)計(jì)中使主銷軸線（導(dǎo)軌所在直線）與轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)向軸線平行，避免此問題，即試驗(yàn)車主銷后傾角和注銷內(nèi)傾角均設(shè)計(jì)為零。懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用直線軸承配合，避免了軸線不重合時(shí)可能出現(xiàn)的卡死現(xiàn)象[1][2]。

懸架立柱材料選擇7075航空鋁，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的降低了懸架系統(tǒng)的簧下質(zhì)量，使整車操作穩(wěn)定性和平順性得到更好的改善。懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維建模如圖1所示。

1.減振器 2.導(dǎo)軌 3.減震器支撐吊耳 4.立柱 5.法蘭

6.導(dǎo)軌支架 7.直線軸承 8.加強(qiáng)支撐

2 懸架參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)車設(shè)計(jì)的滿載質(zhì)量900kg，懸架簧載下質(zhì)量與簧載上質(zhì)量比值為20：80，由于試驗(yàn)車采用對(duì)稱布置，電池組位于車架中心，因此前后軸荷比為50：50?；诖?，得到：

試驗(yàn)車前懸架簧載上質(zhì)量：m1=900×0.5×0.8=360kg

試驗(yàn)車后懸架簧載上質(zhì)量：m2=900×0.5×0.8=360kg

2.1 自振頻率（固有頻率）選取

n1、n2分別為汽車前、后懸架的固有頻率（亦稱偏頻），在一定范圍內(nèi)偏頻越小，則汽車的平順性越好[1]?？紤]到試驗(yàn)車為模型車，首先需要滿足整車功能的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)具有更高的操作穩(wěn)定性?？紤]到試驗(yàn)車軸荷比1：1，且四個(gè)輪邊總成完全相同，故取得前后偏頻相同，取n1=1.9Hz，n2=1.9Hz。

2.2 懸架的乘適剛度計(jì)算

汽車前、后部分車身的自振頻率n1和n2（亦稱偏頻）可用下式表示：

2.3 懸架靜撓度計(jì)算[2]

2.4 懸架動(dòng)撓度計(jì)算

2.5 彈簧剛度

3 主要部件受力分析

懸架系統(tǒng)的三維立體模型應(yīng)用CATIA建立，受力分析采用ANSYS有限元分析軟件。首先應(yīng)用ANSYS打開CATIA V5版本設(shè)計(jì)的立柱零件，再進(jìn)入高級(jí)仿真，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和賦予材料屬性，對(duì)模型進(jìn)行約束與載荷的施加。之后，即可應(yīng)用求解工具進(jìn)行求解[4]。解算完成后，在仿真導(dǎo)航器里導(dǎo)入仿真結(jié)果，選擇相應(yīng)的參數(shù)類別，以顯示出結(jié)果。

立柱有限元分析如圖4所示?？梢钥闯隽⒅淖畲髴?yīng)力為53MPa，發(fā)生在立柱與卡鉗連接的螺栓孔處，通過查閱文獻(xiàn)可知此應(yīng)力值比起7075鋁的應(yīng)力要小許多，屬于安全范疇[5]。因此，立柱采用7075鋁保證強(qiáng)度的同時(shí)減輕了輪邊總成質(zhì)量并減小了機(jī)械加工難度。

4 結(jié)論

通過懸架系統(tǒng)方案論證和參數(shù)計(jì)算，建立了試驗(yàn)車懸架系統(tǒng)的CATIA三維模型?？梢钥闯?，試驗(yàn)車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效規(guī)避了驅(qū)動(dòng)力造成的額外轉(zhuǎn)矩和回正力矩對(duì)線控轉(zhuǎn)向電機(jī)的影響，滿足獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向控制的需求。同時(shí)，對(duì)懸架系統(tǒng)主要受力零件立柱進(jìn)行有限元受力分析，可以得到立柱設(shè)計(jì)滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 蔡興旺，付曉光.汽車構(gòu)造與原理[M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版，2011.

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[4] 周炬，蘇金英.ANSYS Workbench有限元分析實(shí)例詳解.北京：人民郵電出版社，2017.

[5] 劉然慧，郭新柱，黃玉國.材料力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.