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轮毂电机驱动电动车悬架和转向系统设计与性能匹配

史天泽  
【摘要】:轮毂电机电动车是电动汽车的重要分支,除具备普通电动汽车低能耗、低排放的特点外,其采用电机直接驱动车轮的驱动形式,使车内空间的利用和布置更为灵活,四轮独立控制也为其控制策略提供了更多可能。但由于轮毂电机电动车整车质量分布和底盘结构发生改变,其整车动力学特性也受到影响。为解决这一问题,本文在某A0级内燃机轿车的基础上,开发了一种适用于轮毂电机电动车的专用悬架和转向系统,该系统包括一种双节臂式前悬架系统、扭杆梁式后悬架系统和机械转向系统。 基于多体动力学理论和有限元方法,建立了对标车和电动车整车刚柔耦合多体动力学虚拟样机模型并进行了实车试验验证。在虚拟样机模型的基础上,运用多体动力学和多目标优化理论、稳健性优化方法、遗传算法、代理模型技术等基础理论和方法对电动车整车性能、前后悬架、转向系统参数进行了深入的理论分析与优化匹配。 针对安装轮毂电机后车辆横向尺寸放生变化进而影响汽车操纵稳定性的问题,设计了一种面向轮毂电机驱动车辆的新型双节臂前悬架系统,该悬架的特点在于其主销参数由虚拟铰接点确定,可以在较狭窄的横向布置空间内得到理想的主销参数。初步设计的双节臂悬架有运动干涉问题和转向系传动比变化问题。分析表明,问题产生的根源在于转向过程中悬架主销位置发生了变化,导致车轮发生不规律的运动。通过灵敏度分析选取对主销参数变数贡献较大的7个设计变量进行优化设计。最终使转向过程中的主销内倾角的变化量由4°减小到0.32°,主销后倾角的变化量由5°左右减小到1.18°,且消除了相关运动干涉。 考察了扭杆梁后悬架的扭杆梁长度对汽车整车性能的影响。通过截短扭杆梁来适应两后轮轮毂电机的安装,通过扭杆梁后悬架刚度台架试验建立了扭杆梁刚度与其长度、扭杆断面尺寸间的关系。对装备具有不同尺寸扭杆梁后悬架的整车虚拟样机模型进行仿真分析,考察其对平顺性及操纵稳定性的影响。结果表明在中低车速下,随着扭杆梁刚度的增大,平顺性变差;在中高车速下,扭杆梁刚度增大时,平顺性有变好的趋势,扭杆梁长度的变化对汽车稳态回转性能也有一定影响。 提出用6σ稳健性优化方法对断开式齿轮齿条转向系统进行了优化设计。根据转向梯形杆系的运动关系,推导了其内外轮转角关系的数学模型并进行了试验验证。以解析模型为基础,输入电动车参数进行了确定优化和稳健性优化并进行了分析对比。最终确定了接近理想阿克曼转角关系的设计方案。同时,稳健性设计方案目标函数均方差比确定性优化方案低36.99%,且其优化方案可以远离目标函数失效边界,达到6.547水平,稳健性较好。 对装备改进悬架和转向系统的轮毂电机电动车进行了性能匹配。与对标车相比,初步设计的轮毂电机驱动的电动车平顺性下降较大,部分操纵稳定性性能指标有所下降,需要综合考虑汽车的平顺性和操纵稳定性对底盘参数进行优化匹配。考虑到现行的汽车操纵稳定评价指标较多,如果全部进行计算,不仅计算量指数级增大,且难以得到精准结果。因此,运用主成分分析法进行降维处理,将21个初始评价指标降低为由5个评价指标构成的评价向量。以电动车行驶平顺性和操纵稳定性5个指标作为目标函数,考虑整车使用性能和设计规范的约束,对电动车专用底盘各项参数进行了优化设计。最终得到的设计方案可以满足包括21个初始操纵稳定性评价指标的整车性能使用要求,部分指标达到对标车型水平。 在悬架与转向系统性能匹配设计中,讨论了多代理模型方法在工程设计中的应用。对二阶、三阶响应面(RSM)模型、克里金(KRG)模型、径向基神经网络模型的预测精度和优化结果进行了分析对比。结果表明,针对该电动车整车性能匹配问题,各代理模型都能得到相应的优化设计方案,其中径向基神经网络模型和三阶RSM模型的预测精度和优化结果都较好;二阶RSM模型预测精度和优化结果较差;KRG模型具有较高的预测精度,但其优化结果并不理想。说明代理模型的预测精度高并不一定能得到理想的优化结果,在工程问题中运用多项式代理模型进行设计可以避免这一问题。


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