電動自駕車平台懸吊設計需求分析

摘要：近年因少子化與疫情影響，大眾運輸與商業物流朝智慧化、電動化與自駕化發展，車輛載具系統架構將因此產生極大變化，而同時具備了動力、轉向、懸吊、剎車功能的獨立輪模組，即是因應未來電動自駕載具發展之一大利器。本文將自整車使用情境與整車設計規格出發，針對應用了獨立輪模組之車輛底盤懸吊機構，進行動態參數項目索引與參數範圍標定。並依照懸吊機構概念設計、分析流程，使用Adams/Car與Insight對獨立輪模組懸吊機構概念進行分析與設計優化。最終以整車多體動力學模型搭配模擬情境，如5 cm壕溝路面、5 cm單邊坑洞、ISO lane change以及步階轉向，比較應用了獨立輪模組懸吊機構之電動自駕車平台在懸吊機構優化設計前後之動態性能。
Abstract：Due to the declining birthrate and the impact of the epidemic in recent years, commercial transportation has become intelligent, electrified and autonomous. As a result, the vehicle system architecture will change dramatically. The independent wheel module, which integrates power, steering, suspension and braking functions is one of the great tools for the development of electric autonomous vehicles in the future. This article will start from the vehicle usage scenario and vehicle design specifications. For the suspension mechanism of the vehicle chassis with independent wheel module, the dynamic parameter item index and parameter range definition are carried out. Then, according to the concept design and analysis process of the suspension mechanism, Adams/Car and Insight were used to analyze and optimize the concept of the suspension mechanism of the independent wheel module. Finally, the multi-body dynamic model of the whole vehicle was combined with the simulation scenarios, such as 5 cm trench pavement, 5 cm unilateral pothole, ISO lane change and step steering, and the dynamic performance of the electric autonomous vehicle platform using the independent wheel module suspension mechanism before and after the optimization design and analysis of the suspension mechanism was compared.

關鍵詞：自駕車、獨立輪模組、懸吊機構
Keywords：Autonomous vehicle, Independent wheel module, Suspension mechanism

前言
響應全球2050淨零碳排倡議，各國政府為達成碳排目標，加速推動載具電動化。同時，近年因少子化造成的人口減少使得職業駕駛招募不易，又因COVID-19疫情蔓延全球，為減少接觸風險，針對大眾運輸與商業物流的自駕載具也開始興起。相較於傳統燃油車或目前的主流電動車，在線控系統技術愈發成熟的今日，量產型電動車的動力系統已從早期的前驅或後驅單電機，如Nissan Leaf，發展為如Tesla Model S的前後雙電機的四驅系統，甚至是前單後雙電機(Tesla Model S Plaid)或者四輪輪邊/輪轂電機的系統架構(Rivain R1T或Lord Stown Endurance)，更甚者如GMC Hummer EV搭配前後輪轉向功能，這使得車輛的操控自由度與運動可行性得到大幅提升，但同時也提高了車輛操作的複雜度。然而自動駕駛AI的出現，則使得多自由度的駕駛操作得以實現。
在此系統概念下，整合了動力電機、轉向EPS、線控剎車以及懸吊系統的獨立輪模組與滑板(Skateboard)底盤開始出現，如英國Protean Electric與以色列REE Auto。四輪獨立的動力與轉向功能使得車輛移動不再受限於阿克曼轉向幾何(Ackermann steering geometry)，原地迴轉、蟹行等更加靈活的操控模式得以實現，甚至可以不再有車頭車尾之分。高度集成與模組化的獨立輪模組將原本分散於底盤各處的零組件集中於各個輪區，底盤使用空間得以更加平整。同時，不同級距的模組化輪組設計，更可使車型與軸距的調整極富彈性，改善未來新車型底盤開發時程與成本。
相較於傳統車輛之底盤以及懸吊的設計，Skateboard底盤之懸吊設計需求、參數目標、動態特性都會有相當差異。本文將自整車使用情境與整車設計規格出發，針對應用了獨立輪模組之車輛底盤懸吊機構，進行動態參數項目索引與參數範圍標定。並依照懸吊機構概念設計、分析流程，使用Adams/Car與Insight對獨立輪模組懸吊機構概念進行分析與設計優化。最終以整車多體動力學模型，比較在不同模擬路況下，如5 cm壕溝路面、5 cm單邊坑洞、ISO lane change以及步階轉向(Step Steer)，電動自駕車平台在懸吊機構優化設計前後之車輛動態性能。
電動自駕車平台懸吊設計需求分析
本文分成以下四個部分，第一部分車輛規格與使用情境說明，簡述應用了獨立輪模組之電動自駕車平台與傳統底盤車輛之差異。第二部分為懸吊動態分析參數之項目與數值範圍標定，說明懸吊設計與分析時所需關注的各項參數與參考數值範圍。第三部分說明懸吊機構之概念設計與使用Adams/Car以及Insight進行懸吊設計優化分析之流程。第四部份則是使用整車多體動力學模型分析，針對應用了獨立輪模組懸吊機構之電動自駕車平台，比較其懸吊機構在優化設計前後，在不同路況下之動態性能表現。
1.車輛規格與使用情境說明
本文以一般市區常見的12 m低底盤電動巴士作為基礎車種，如圖1(a)所示，進行車輛規格與使用情境之比對與分析。使用情境的部分，一般大巴士因用於載客，車長、軸距、前後懸長都較大，因而迴轉半徑大，操作上較不靈活，最小路緣至路緣轉彎半徑(Curb-to-curb Turning Radius)約為8.76公尺，最小牆到牆轉彎半徑(Wall-to-wall Turning Radius)可達10.7公尺，而且需要較長的變道距離來完成路邊停靠的動作。另外，車內使用空間的部分，底盤後懸段因配置動力馬達、傳動軸、高壓動力電池、電系部品等大體積物件，造成地板抬升，不利於乘客站立使用。同時，考量駕駛視野，駕駛座與前車門間之空間無法提供乘客使用，不利於車內空間利用。

(a) (b)
圖1車輛尺寸與轉彎半徑 (a) 12 m低底盤電動巴士 (b)電動自駕車平台

然而，在應用了獨立輪模組的電動自駕車平台底盤設計上，除了減少駕駛座空間占用，高度集成與模組化的獨立輪模組，亦將原本分散於底盤前懸與後懸段的零組件集中於各個輪區，車內使用空間將更加平整，提升車室內空間利用率，如圖1(b)。本文的電動自駕平台設計，在車寬、車高、軸距、空車重、全積載將比照12 m低底盤電動巴士之設計，以維持車內主要使用空間容積，如表1。同時，移除駕駛座與後懸電系部品區域而減少的前、後懸長度，使車輛操控上更加靈活。此外，得利於獨立輪模組的獨立動力與轉向功能，電動自駕平台路緣至路緣轉彎半徑得以大幅下降至5.9 m，而蟹行功能則是可大幅減少變道與路邊停靠所需的距離，提升車輛操控性。再者，四輪獨立懸吊相較於傳統大巴士的非獨立懸吊系統，可以提升車輛在通過崎嶇路面時的舒適性。