基于车辆动力学的乘用车底盘系统设计研究.pdf

汽车论坛158汽车测试报告基于车辆动力学的乘用车底盘系统设计研究彭博杨（泛亚汽车技术中心有限公司 上海 200000）摘要：车辆动力学在乘用车底盘系统开发中发挥了重要作用。该文对乘用车底盘系统和车辆动力学进行概述，介绍基础车辆动力学的乘用车底盘系统设计需要考虑的问题，提出基于车辆动力学的乘用车底盘系统设计策略，并探讨乘用车底盘系统设计趋势，为基于车辆动力学的乘用车底盘系统设计研究提供助力。关键词：车辆动力学；乘用车；底盘系统作者简介：彭博杨，泛亚汽车技术中心有限公司工程师，研究方向为动力系统集成及振动控制。1 乘用车底盘系统及车辆动力学相关概述1.1乘用车底盘系统组成乘用车底盘系统包括悬架系统、制动系统、传动轴、差速器及车轮等组件。悬架系统是连接车轮与车身的桥梁，能够有效减少车辆振动，提高驾乘舒适性。制动系统是保证车辆安全行驶的重要部件，可通过摩擦力矩使车辆减速或停止。传动轴是连接发动机与车轮的装置，能够将发动机的动力传输到车轮。差速器可调整左右车轮的转速，使车辆能够顺利转弯。车轮则是直接与地面接触，用于支撑车辆质量并移动车辆。1.2车辆动力学发展历程及应用领域车辆动力学是研究汽车运动规律和控制的科学，其发展经历了多个阶段。早期的车辆动力学主要关注的是汽车在行驶过程中速度和加速度的变化情况，以及车身稳定性等问题。随着技术水平的提高，车辆动力学的研究范围逐渐涵盖了车辆转向、制动等方面的问题。同时，随着人们对驾驶体验要求的不断提升，车辆动力学也开始涉及车辆舒适性、安全性等因素。目前，车辆动力学已经广泛渗透到各个方面，如自动驾驶、智能交通管理等。在现代汽车设计中，车辆动力学发挥的作用越来越大。根据车辆动力学对汽车设计进行优化调整，可以让汽车具备更好的操控性。例如，在轿车的设计中，可以通过改变悬挂系统的参数来改善车辆的悬架性能。因此，对车辆动力学进行研究具有重要意义。除了车辆动力学传统的研究领域外，近年来其还出现了一些新的研究方向，如人工智能技术正在被广泛应用于车辆动力学领域的研究。这些新技术为未来车辆动力学的研究提供了更多的可能性。1.3车辆动力学分析方法车辆动力学的分析方法有很多种，常见的有仿真计算法、试验测试法及有限元模拟法等。其中，仿真计算法是最常用的一种方法，能够快速生成计算结果并对不同参数进行优化设计。而试验测试法需要大量的试验数据来验证模型，因此成本较高且耗费时间较长。有限元模拟法则是利用计算机辅助设计软件来实现数值模拟的过程，具有精度高、效率高的特点1。2 基于车辆动力学的乘用车底盘系统设计需要考虑问题2.1底盘系统动态性能和稳定性问题车辆底盘系统的动态性能和稳定性是车辆动力学重点关注的一个方面。在实际行驶条件下，车辆需要面对各种不同的道路条件和行驶工况，包括高速行驶、曲线道路行驶、紧急变道等。这些行驶条件要求车辆具备优秀的动态性能和稳定性，以确保行驶的安全性和舒适性。如果底盘系统的动态性能和稳定性不够好，可能会导致车辆行驶不稳定，甚至发生侧滑、翻滚等问题，对行驶安全构成威胁2。因此，需要对底盘系统进行精细的仿真分析和试验验证，以确保底盘系统的设计能够满足各种行驶条件和工况的要求。2.2底盘系统与车辆其他部分耦合问题底盘系统与车辆的其他部分（如发动机、制动系统等）具有密切的联系。底盘系统的性能不仅会受到自身设计的影响，还会受到其他系统的影响3。例如，悬挂系统和减振系统的设计不仅会影响车辆的操控性和舒适性，还会影响车辆的动力性能和制动性能。在发动机和底盘系统的耦合方面，需要考虑如何优化底盘系统的设计来使其适应发动机的动汽车论坛1592023.7力输出特性和振动特性，以提高车辆的动力性能和操控性能。在制动系统和底盘系统的耦合方面，需要考虑如何优化制动系统的设计来使其适应底盘系统的特性，以提高车辆的制动性能和操控性能。此外，底盘系统与其他系统的耦合还涉及车辆的 NVH（噪声、振动和声振粗糙度）性能、空气动力学性能等方面，因此这些方面也需要进行综合考虑和优化。2.3底盘系统能效问题随着汽车行业对汽车能效要求的提高，乘用车底盘系统的能效问题也日益受到关注。底盘系统的能效不仅会影响车辆的燃油经济性，还会影响车辆的动力性能和操控性能。因此，在底盘系统的开发过程中，需要优化底盘系统的结构、材料和设计，以提高底盘系统的能效。例如，可以通过采用轻量化材料、优化悬挂系统和减振系统的设计、改善轮胎性能等方式来提高底盘系统的能效。3 基于车辆动力学的乘用车底盘系统设计策略3.1利用先进仿真和分析工具随着计算机技术的发展，采用仿真和分析工具已经成为设计底盘系统的重要手段。这些工具可以对底盘系统的结构、性能和安全性进行全面的仿真和分析，使设计师更好地理解底盘系统的性能，预测潜在的设计问题，并对设计进行优化，以提高车辆的性能和安全性。目前，常用的底盘系统仿真和分析工具包括 CAE 软件、FEM 软件、CFD 软件等。其中，CAE 软件是当前使用最广泛的仿真和分析工具之一，能够模拟各种力学特性的影响，从而为底盘系统的设计提供有力支持。3.2加强底盘系统各子系统之间协同设计3.2.1系统级性能优化方法在车辆动力学中，底盘系统的设计是一个复杂的过程。为了提高底盘系统的整体性能和稳定性，需要对各个子系统进行协调和优化。因此，本文提出了一种系统级性能优化方法来解决这个问题。第一步，分析底盘系统的结构和功能需求。底盘系统包括悬挂系统、制动系统、传动轴、差速器及车轮等组件，这些组件的结构和性能对底盘系统的整体性能具有重要影响。因此，首先需要详细分析这些组件的结构和功能需求，包括其设计参数、相互关联性、性能要求等。第二步，建立底盘系统性能模型并确定目标函数。基于第一步的分析结果，可以建立底盘系统的性能模型，包括各个组件的性能模型及组件之间的相互影响关系模型。在建立模型的过程中，需要确定底盘系统的设计目标，如稳定性、操控性、舒适性等，并通过数学函数来表示，从而将底盘系统的设计转化为一个优化问题。第三步，求解目标函数的优化条件。通过数学方法和计算机技术，可以求解目标函数的优化条件，从而得到最优的设计参数。常用的优化方法包括梯度下降法、牛顿法、遗传算法等。3.2.2多目标优化技术应用第一，在应用多目标优化技术时，需要确定底盘系统的主要功能和性能指标。这些指标包括悬挂舒适度、转向稳定性、行驶平稳性和安全性能等。第二，通过对每个子系统的分析和评估，找到它们之间存在的问题。第三，利用多目标优化算法进行优化调整，以获得最优解。比如，可以运用遗传算法或粒子群算法等数学模型来实现多目标优化。在这些算法的基础上，可以建立一个多目标函数组，并对其进行求解，进而得到最佳方案，用于指导底盘系统的设计。3.3提高驾乘人员舒适性和安全性3.3.1应用主动悬挂系统第一，主动悬挂系统可以显著降低车辆的振动和噪声水平。通过改变主动悬挂系统悬架的高度和硬度，可以减少路面颠簸引起的振动和噪声，使车内环境更加安静和舒适。这对于长时间驾乘汽车的人来说尤为重要，因为长时间的颠簸会使人产生疲劳感和不适感4。第二，针对不同路况对主动悬挂系统的悬架进行适应性的调校，可以有效增强车辆的操控性能和稳定性，获得最佳的操控效果。例如，在高速公路上，可以将悬挂方式设置为更硬的状态，以便更好地保持车辆的稳定性；而在弯道或急转弯时，需要采用更柔软的悬挂方式，以保证车辆能够快速响应转向操作并避免侧滑现象发生。第三，主动悬挂系统还能够使驾驶员更好地掌控车辆的方向和速度，提高车辆的反应能力，保证行车安全。3.3.2改进转向系统设计转向系统负责控制车辆的方向。为了提高驾乘人员的安全性，设计团队可以采用先进的转向系统，如电动助力转向系统和四轮转向系统等。这些转向系统可以提高车辆的操控性能和响应性，同时也可以减少驾乘人员在紧急情况下的压力和紧张感。3.3.3优化制动系统设计制动系统是保证车辆安全性的重要部分。设计汽车论坛160汽车测试报告团队可以采用高性能制动系统，如盘式制动系统和鼓式制动系统等，以提高制动系统的性能和稳定性。同时，针对制动系统的设计和调校，需要考虑车辆的质量、行驶路况和驾驶习惯等因素，以确保制动系统的响应性和可靠性。3.3.4进行空间和结构优化对底盘系统的空间和结构进行优化可以提高车辆的舒适性和安全性。例如，底盘系统的上下车体可以独立开发，不受传统的发动机、变速箱等的限制，这样可以减少零部件的数量和复杂度，提高生产效率。同时，对底盘系统结构进行优化可以提高车辆的抗撞击能力和安全性能，进而保证驾乘人员的安全。4 乘用车底盘系统设计趋势4.1基于模型预测与机器学习的底盘系统优化和控制基于模型预测与机器学习的底盘系统优化和控制是当前的研究热点之一。这种方法可以实现利用数据挖掘技术对车辆行驶过程中的各种因素进行分析，从而为底盘系统提供更加精确的数据支持。同时，通过建立数学模型的方法，能够更好地展示车辆运动规律及其响应特性。4.2电动化底盘系统设计与优化随着环保要求的不断提高和电动汽车技术的不断发展，电动化底盘系统成为乘用车底盘系统设计的一大趋势。电动化底盘系统是指通过电动机、电池等电力驱动系统来实现对车辆的驱动和控制，相较于传统燃油汽车底盘系统，电动化底盘系统具有更高效、更环保、更便捷的特点。因此，越来越多的厂商开始将目光投向电动化底盘系统的设计和研发5。4.3底盘系统轻量化设计与优化4.3.1高强度钢、铝合金等轻量化材料应用与优化高强度钢是一种具有优异力学性能的新型钢铁材料，在乘用车底盘设计中应用这种材料，不仅可以提高整车承载能力，还可以减小车身的总质量，从而实现更低的油耗和更高的燃油效率。铝合金作为一种轻质金属材料，具有良好的导电性和热传导性，同时还具备较强的抗腐蚀性和耐久性6。因此，在乘用车底盘设计中，采用铝合金材质能够有效减小车身质量，同时保证车身结构的稳定性和刚度。4.3.2结构优化和轻量化设计集成研究结构优化和轻量化设计的集成研究是指对底盘系统进行整体分析，再结合乘用车车身结构的设计原则，最大限度地减小整车质量。这种集成研究方式可以从整体角度考虑底盘系统对整车的影响，从而达到更优的整车质量轻量化和性能目标。4.3.3实现自定义调节随着底盘系统的不断发展，其将实现自定义调节，既可以调节为柔软舒适的模式，也可以调节为较硬的运动模式；可以降低车身以提升车辆操控感，也可以抬高车身以提升车辆通过性。由此可见，底盘将能够“化被动为主动”，即主动观测周边环境，通过提前优化减振的各项参数，最大限度地降低不良路况对驾乘感的不利影响。4.3.4拥有独立完整专属架构在乘用车底盘系统设计中，一方面，可以提升底盘系统的运行效率；另一方面，底盘系统也能和其他功能架构快速连通，实现高效协同。底盘系统将拥有可持续升级的能力，也就是能通过 OTA（空中下载技术）不断优化、拓展底盘的驾乘体验和新功能，让老款乘用车也能为驾乘人员带来不输于新款乘用车的驾乘体验。5 结束语乘用车底盘系统不仅会影响车辆的平顺性、操纵稳定性、制动性和燃油经济性等多个方面的性能，还直接关系驾乘人员的体验感和安全。因此，对乘用车底盘设计进行深入研究，对于提高乘用车底盘系统的性能具有重要意义。随着科技的不断进步，未来的车辆将朝智能化、电动化和轻量化的方向发展，并可以通过先进的传感器、控制器和执行器，实现底盘系统的智能化控制和管理。参考文献：1 吴旭亭.乘用车底盘系统开发:车辆动力学原理应用与正向开发工程实践 M .北京:机械工业出版社,2 0 2 3:8 5.2 费舒森.面向分布式驱动智能汽车的底盘域控制系统开发 D .长春:吉林大学,2 0 2 2.3 闫艺澎.主动后轮外倾控制的变结构智能悬架协调控制策略研究 D .长春:吉林大学,2 0 2 1.4 张雨甜,李斐然,田汉青,等.无人车辆底盘集成动力学系统解耦控制研究 J .汽车工程,2 0 2 1 (1 1):1 6 7 3-1 6 8 2.5 辛佳庚,杨复钰,张宝迪,等.基于融合算法的电动汽车 A E B 控制策略 J .北京交通大学学报,2 0 2 1(6):7 7-8 6,9 3.6 孟天闯,李佳幸,黄晋,等.软件定义汽车技术体系的研究 J .汽车工程,2 0 2 1(4):4 5 9-4 6 8.