0  引言

本文基于電動汽車特點及某SUV整車平臺的開發(fā)需求，提出一種乘用車電驅動后橋底盤架構模型，基于該架構模型，研究了電驅動后橋懸架結構選型原則、后橋模塊布置原則與模塊化平臺化設計原則，且完成了具有較高平臺拓展性的模塊化電驅動后橋概念設計。

1  電驅動后橋底盤架構設計

1.1  設計目標

根據某SUV整車平臺車型規(guī)劃，需開發(fā)一套電驅動后橋底盤模塊，兼顧純電動后驅車型及PHEV混動四驅車型需求。表1所示為該SUV平臺車型基本參數(shù)。表2所示為后橋電驅動總成基本參數(shù)。




1.2  電驅動后橋底盤架構設計

根據開發(fā)需求，結合純電動汽車及混合動力汽車整車特點，建立模塊化電驅動后橋底盤架構模型，如圖1所示。



基于該底盤架構模型，模塊化電驅動后橋由電驅動總成、后副車架、后懸架、電驅動總成懸置、后橋驅動軸、后制動器帶轉向節(jié)總成組成，其設計要點分析如下。

1）燃油汽車總布置時主要圍繞乘員和動力總成進行設計，而電動汽車總布置時除了關注乘員和動力總成，還需要考慮整車動力電池[1]1，電驅動后橋關鍵系統(tǒng)及零部件選型與布置需要適應這幾個部分的空間。

2）純電動汽車增加了動力電池的重量，整車質心位置向下和向后移動，后懸架負荷增大，需選擇承載能力更強、操控性能更好的懸架結構形式。

3）相比于燃油發(fā)動機，電驅動總成更為緊湊，體積小扭矩大，且扭矩響應快[2]，對電驅動總成懸置系統(tǒng)抵抗扭矩的要求更高；且相比于前艙車身結構，后部車身的局部剛度偏小，后橋電驅動總成懸置的布置需考慮電驅動總成剛體模態(tài)與周邊子系統(tǒng)模態(tài)頻率避開。

4）相比于內燃機的低頻點火、機械和燃燒噪聲，電動汽車的主要噪聲變?yōu)殡姶帕妄X輪嚙合產生的高頻嘯叫聲，且由于沒有內燃機工作噪聲的掩蔽，這些高頻單調噪聲在特定工況下會比較顯著，需從后橋模塊的結構設計上加以控制。

5）根據底盤電動化和平臺化發(fā)展的趨勢，電驅動后橋的設計應具有一定的平臺拓展性和兼容性，以匹配不同車型的輪距和軸距需求，兼容不同結構尺寸的電驅動總成。

2  懸架結構選型

作為驅動車橋，對后橋懸架結構及性能提出了更高的需求。本章基于常見獨立后懸架結構及其在整車上的布置特點，分析與選擇適合于純電動汽車后驅動橋的懸架結構形式。

2.1  連桿支柱式懸架

連桿支柱式懸架是由麥弗遜懸架演變而來的一種后懸架形式，主要由兩根橫向連桿、一根縱向拖曳臂以及滑柱總成構成。其中一根橫向連桿與縱向拖曳臂組合，起到控制臂的作用，且和滑柱總成一起控制車輪外傾角；另一根橫向連桿主要用于調節(jié)與控制車輪前束角；拖曳臂同時還能控制車輛的縱向穩(wěn)定性。連桿支柱式懸架結構及其在整車上的布置特點如圖2所示。



連桿支柱式懸架的結構特性與麥弗遜懸架基本相同，雖然對車輪外傾角的控制有些先天不足，側向支撐能力也相對差一些，但通過橫向穩(wěn)定桿的設計和彈性元件的匹配調整，可以改善其側向支撐能力不足的情況。

連桿支柱式懸架結構簡單，重量輕，其橫向連桿的布置特點有利于電驅動總成的拓展空間；但其縱向拖曳臂的布置特點，對動力電池的寬度限制較大，通常動力電池包只能設計成滑板形狀。

2.2  拖曳臂多連桿式懸架

拖曳臂多連桿式懸架是中級轎車較為常見的一種后懸架形式，主要由縱向拖曳臂、下控制臂、上控制臂、前束拉桿、螺旋彈簧和減振器構成。其中，懸架的承載主要由下控制臂承擔，其余拉桿主要起導向作用；車輪外傾角和前束角分別有一根連桿獨立控制，其懸架性能的實現(xiàn)更少依賴于襯套的調教；縱向拖曳臂主要控制車輛縱向穩(wěn)定性，其前襯套起縱向彈性和振動過濾的作用。拖曳臂多連桿式懸架結構及其在整車上的布置特點如圖3所示。



通過各連桿布置及襯套剛度設計，拖曳臂多連桿式懸架可精確地控制車輪定位角的變化規(guī)律，獲得良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。

為控制懸架側傾變化率，其下控制臂一般設計相對較長，對電驅動總成橫向布置空間產生較大的限制，不利于大功率電驅動總成的布置；且其縱向拖曳臂的布置特點，對動力電池的寬度限制較大，因此，基于布置的角度，拖曳臂多連桿懸架不適合于純電動汽車電驅動后橋。

2.3  五連桿懸架

五連桿懸架是由雙橫臂懸架演變而來的一種高端舒適的后懸架形式，將雙橫臂懸架的上下叉臂均改為了連桿。五連桿懸架通過各連桿的配合來限制轉向節(jié)的運動，需要至少兩根連桿的內側硬點在X方向延伸較多，以保證轉向節(jié)前后方向與翻轉方向的限制剛度；其余三根連桿則垂直于車輪平面按直線布置，主要以承受懸架的側向載荷，且增強了懸架的側向剛度。五連桿懸架結構及其在整車上的布置特點如圖4所示。

五連桿懸架的橫向尺寸相對較小，有利于大功率電驅動總成的布置；但其X方向延伸較多的兩根連桿的空間布置特點，使得副車架縱向邊界對動力電池長度產生一定程度上的限制。

2.4  H臂多連桿懸架

H臂多連桿懸架是由拖曳臂多連桿懸架演變而來的一種后懸架形式，主要由H型控制臂、上控制臂、前束拉桿、橋接桿、螺旋彈簧和減振器構成。其中，橫向布置的H型控制臂其內側兩個安裝點與外側的一個安裝點構成了一個類似三角形的控制臂，可有效分解車輪的橫向載荷與縱向載荷，因此H臂多連桿懸架不需要縱向拖曳臂；H型控制臂的外側還通過一根Z向布置的橋接桿與轉向節(jié)連接，可有效控制車輛在驅動和制動時轉向節(jié)繞車輪軸線的翻滾。H臂多連桿懸架結構及其在整車上的布置特點如圖5所示。

H臂多連桿懸架導向機構，在整車縱向及橫向占用空間較小，有利于動力電池和電驅動總成的布置；懸架各連桿的功能解耦性較好，降低了懸架系統(tǒng)的開發(fā)與調校難度；H型控制臂通常采用中空式鑄鋁結構，其剛度較高，可獲得更干脆的路感。因此，結構緊湊、性能優(yōu)越的H臂多連桿懸架，被廣泛應用于電驅動后橋。

2.5  懸架選型結論

基于懸架性能、布置空間及平臺拓展能力分析，H臂多連桿懸架和五連桿懸架更適合于純電動汽車后驅動橋，綜合懸架系統(tǒng)性能調校難度，最終選擇了H臂多連桿懸架結構形式。

3  電驅動后橋布置原則

本章基于電驅動后橋底盤架構及關鍵零部件特點，分析與研究電驅動后橋底盤架構布置過程中關鍵尺寸因子的影響關系及子系統(tǒng)布置原則。

3.1  電驅動總成位置定義

電驅動總成位置定義主要包括電驅動總成初始設計姿態(tài)及在整車上的位置定義。根據電機旋轉軸和減速器輸出軸的相對位置不同，平行軸電驅動總成初始設計姿態(tài)可分為電機前置和電機后置兩種形式。為提供更多的X向空間以布置整車動力電池，純電動汽車后橋電驅動總成較多采用電機后置的姿態(tài)形式。

電驅動總成整車布置位置定義，主要考慮驅動軸布置角度和周邊布置間隙要求。減速器輸出軸位置定義需滿足驅動軸布置角度小于5度，且電機扭矩越大，對驅動軸布置角度要求越嚴苛；電驅動總成Y向布置空間，主要受輪距及車身縱梁寬度限制，輪距越大，電驅動總成的Y向布置空間越自由；電驅動總成Z向布置空間，主要受車身地板高度及離地間隙限制，車身地板作為承載件，更多的還要考慮室內座椅及人體的布置。

3.2  電驅動總成懸置布置

傳統(tǒng)燃油發(fā)動機懸置系統(tǒng)通常采用扭矩軸（TRA）布置和模態(tài)解耦設計理念，其目的是通過提高懸置系統(tǒng)的隔振能力，以控制內燃機的燃燒及曲軸旋轉產生的扭矩波動及不平衡力矩所引起的振動向車身傳遞。

驅動電機的扭矩波動激勵較小，其激勵主要來源于電磁力和齒輪嚙合產生的高頻振動，頻率遠高于電驅動總成的剛體模態(tài)頻率，通常不會與電驅動總成剛體模態(tài)產生響應或共振；但相比于前艙車身結構，后部車身的局部剛度偏小，后橋電驅動總成懸置的布置需考慮電驅動總成剛體模態(tài)與周邊子系統(tǒng)模態(tài)頻率避開；且通常驅動電機的扭矩大，扭矩響應快，對車體的瞬態(tài)沖擊大，特別在tipin/tipout工況下很容易造成車體前后抖動。因此，電驅動總成懸置設計匹配的著眼點則應該是電驅動總成剛體模態(tài)分布及扭矩，在兼顧電驅動總成剛體模態(tài)與周邊子系統(tǒng)模態(tài)完全分離的同時，更多的偏向于控制電驅動總成的瞬態(tài)沖擊，即確保在扭矩快速變換情況下，懸置系統(tǒng)能夠對電驅動總成的位移、轉角等姿態(tài)變化產生明顯的限制作用，從而降低車輛行駛過程中產生的頓挫感，提高駕乘感受。

圖6~圖9為后橋電驅動總成懸置系統(tǒng)的四種布置形式?；谙嗤碾婒寗涌偝赊D動慣量與扭矩、相同的懸置剛度曲線，對電驅動總成姿態(tài)的變化（主要考慮扭矩軸坐標系下繞Y軸的旋轉角度Ry）和懸置受力進行分析，得到如下結果。



1）圖6扭矩軸布置形式下，電驅動總成繞左右懸置連線的轉動趨勢最為明顯，其姿態(tài)變化和防扭拉桿后懸置受力均是其它布置形式下的2倍以上，需通過大幅增加防扭拉桿后懸置X向剛度來提升其抗扭性能，這將會在一定程度上降低懸置的隔振率。

2）圖7、圖8均為三點重心布置形式，通過三個懸置點構成一個幾何面，以抑制電驅動總成的翻轉、滾動趨勢；根據其布置特點，前后懸置同時起抗扭作用，左或右懸置主要起約束剛體模態(tài)的作用。經過分析，兩種布置形式對電驅動總成姿態(tài)的控制能力基本相當，且明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的扭矩軸布置形式。



3）圖9同樣為三點重心布置形式，相比于圖7、圖8所示布置形式，其特點為電驅動總成質心位于三個懸置點所構成的三角形的中心位置，且抗扭懸置數(shù)量由2個增加至3個；通過懸置點位置的優(yōu)化調整，可使得3個抗扭懸置所承載的扭矩載荷基本相近。因此，基于對電驅動總成運動趨勢控制、抗扭能力及懸置受力均勻性考慮，圖9所示布置形式較優(yōu)。

綜上分析，電驅動總成懸置通常采用三點或四點重心布置形式，即在俯視圖上電驅動總成的重心落在各懸置彈性中心點所形成的三角形或四邊形區(qū)域內，并通過懸置點布置位置的優(yōu)化，使各懸置受力趨向均勻，以采用剛度相對較小的懸置軟墊設計，在控制電驅動總成姿態(tài)變化的同時獲得更好的整車駕乘感受。

3.3  懸架桿系布置

懸架桿系布置其實就是懸架硬點的設計與優(yōu)化過程。根據整車架構尺寸、布置邊界、懸架行程等初步設定懸架零部件的基本尺寸和關鍵硬點，并采用參數(shù)化建模的方式建立多體動力學仿真模型?；趧恿W模型，通過DOE方法進行懸架運動學靈敏度分析，確定對懸架運動學特性影響較大的懸架硬點并進行位置優(yōu)化，以滿足整車動力學性能目標。懸架硬點的優(yōu)化調整需滿足周邊布置間隙要求，需基于懸架系統(tǒng)DMU分析，對輪胎、驅動軸、穩(wěn)定桿等關鍵零部件的運動包絡進行校核，檢查零部件布置的合理性。圖10所示為優(yōu)化后的H臂多連桿懸架結構。



基于模塊化電驅動后橋架構的H臂懸架主要布置特點與要求如下。

1）H型控制臂內側前后兩個安裝點通過橡膠襯套與副車架連接，外側的后安裝點通過球銷與轉向節(jié)連接，外側的前安裝點通過橋接桿與轉向節(jié)連接，根據布置空間，橋接桿可以布置在H臂的上方或者下方。

2）H臂的Y向長度和布置方向決定懸架的側傾中心高度和縱傾中心高度，通常根據懸架運動學特性來優(yōu)化調整確定。在滿足布置邊界的條件下，H臂的Y向越長，車輪跳動時彈簧受力越小，有利于減小彈簧剛度。實際布置過程中，H臂Y向長度還受輪距及電驅總成尺寸制約，如果搭載更大的電驅動總成，其輪距也需相應增大。

3）上控制臂的長度和布置方向同樣根據懸架運動學特性來優(yōu)化調整，并結合車身后地板縱梁邊界、減振器位置和驅動軸運動包絡來綜合確定。

4）前束拉桿通常布置在H臂懸架的最前端，H臂的上方或者下方，其長度和和布置方向根據懸架的不足轉向特性優(yōu)化結果，并結合車身后地板縱梁高度、懸架離地間隙來綜合確定。

5）減振器和彈簧采用分開布置，根據H臂懸架桿系的縱向分布特點，減振器和彈簧分別布置在上控制臂的前方和后方，同時考慮上控制臂的運動包絡。

4  電驅動后橋模塊化與平臺化設計

4.1  模塊化設計

根據底盤電動化和平臺化發(fā)展的趨勢，電驅動后橋采用模塊化設計。后副車架作為電驅動后橋模塊化設計的載體，采用框式結構設計，其兩側主要連接懸架導向連桿，且需避讓驅動軸運動包絡；除了連接懸架導向連桿之外，后副車架還需連接與支撐整個電驅動總成。

通過模塊化設計，可提高懸架系統(tǒng)整體剛度，獲得精準的懸架運動特性，提升車輛操縱穩(wěn)定性；電驅動后橋模塊通過副車架上的四個橡膠襯套與車身連接，相當于在懸架和車身之間、電驅動總成和車身之間增加了一級緩沖與隔振，減輕了車身的負荷，且通過副車架襯套的二級隔振，可有效降低路面及電驅動總成的高頻振動，提升車輛舒適性。

如圖11所示為模塊化電驅動后橋結構。


4.2  平臺化設計

在模塊化設計的基礎上，電驅動后橋總成具有一定的平臺拓展性與兼容性。拓展性是指通過模塊化設計以匹配不同的輪距和軸距，進而適配平臺內不同尺寸和級別的車輛；兼容性是指通過較小的設計更改以匹配不同結構尺寸的電驅動總成。


圖12、圖13所示為平臺化電驅動后橋副車架常見的兩種工藝結構。基于平臺化設計要求，副車架前后橫梁的前后跨距根據平臺規(guī)劃的電驅動總成布置需求設計；且副車架前后橫梁的中間部位采用鋼管結構或鋁型材焊接結構，以實現(xiàn)一定范圍內的輪距拓展及不同結構尺寸的電驅動總成拓展；在平臺拓展時，可保持懸架連接硬點的相對位置不變。

5  結束語

本文基于某SUV整車平臺電驅動后橋概念布置階段的架構分析、結構選型和集成設計，分析與研究了乘用車電驅動后橋關鍵結構選型與設計原則，并通過后橋模塊化與平臺化設計，實現(xiàn)了不同整車輪距與不同結構尺寸的電驅動總成的拓展，且在平臺拓展時可保持懸架連接硬點的相對位置不變，縮減了懸架系統(tǒng)的開發(fā)調校周期與成本。