裝有液壓互聯(lián)懸架的某型SUV車輛動(dòng)力學(xué)分析及路試驗(yàn)證

彭　鵬　張邦基　章　杰　鄭敏毅,2　張　農(nóng),2

1. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，4100822.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230000

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裝有液壓互聯(lián)懸架的某型SUV車輛動(dòng)力學(xué)分析及路試驗(yàn)證

彭鵬1張邦基1章杰1鄭敏毅1,2張農(nóng)1,2

1. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，4100822.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230000

提出一種新型油氣互聯(lián)懸架，用于替代傳統(tǒng)車輛所使用的穩(wěn)定桿，在基本不影響車輛其他性能的前提下有助于提高抗側(cè)翻性能。為研究該懸架對(duì)某型SUV車輛操縱穩(wěn)定性的影響，搭建了基于CarSim/Simulink/AMESim的聯(lián)合仿真平臺(tái)，建立了液壓互聯(lián)懸架的整車機(jī)液耦合的多體動(dòng)力學(xué)模型。仿真結(jié)果表明，裝有液壓互聯(lián)懸架的整車在操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中得分較高。為了驗(yàn)證該仿真平臺(tái)的正確性和進(jìn)一步研究該油氣互聯(lián)懸架對(duì)車輛性能的影響，基于某型SUV車輛開發(fā)了整套油氣互聯(lián)懸架樣車，并進(jìn)行了路試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的正確性，為后續(xù)該類懸架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一種新的計(jì)算機(jī)仿真方法。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，在不影響車輛舒適性的前提下，液壓互聯(lián)懸架能提供較大的側(cè)傾剛度，增強(qiáng)高速轉(zhuǎn)彎時(shí)車輛的安全性，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

操縱穩(wěn)定性；液壓互聯(lián)懸架；抗側(cè)翻；聯(lián)合仿真

0　引言

車輛側(cè)翻對(duì)駕駛員和乘客來(lái)說(shuō)是危害性極大的事故。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)提供的數(shù)據(jù)表明，車輛側(cè)翻事故的發(fā)生率并不高，但導(dǎo)致的死亡人數(shù)卻很高[1]。近年來(lái)，我國(guó)的交通運(yùn)輸事業(yè)正在迅猛發(fā)展，車速越來(lái)越高，導(dǎo)致車輛側(cè)翻事故頻繁發(fā)生。特別是在我國(guó)西南地區(qū)，山區(qū)公路較多，絕大部分重特大事故都為車輛側(cè)翻事故[2]，這就對(duì)車輛抗側(cè)傾能力提出了更高要求。

為了解決上述問題，本文提出了一種新型油氣互聯(lián)懸架系統(tǒng)，該互聯(lián)懸架系統(tǒng)能夠顯著地提高車輛的側(cè)傾剛度，且對(duì)車輛垂向剛度基本沒有影響，在提高車輛穩(wěn)定性的同時(shí)保證車輛平順性基本不受影響，因此在越野車輛(sports utility vehicle,SUV)中有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。最早的互聯(lián)懸架是機(jī)械式互聯(lián)懸架[3]，后來(lái)陸續(xù)提出了以空氣[4]、油氣[5-7]、油液[8]為傳遞介質(zhì)的互聯(lián)懸架。液壓互聯(lián)懸架(hydraulically interconnected suspension,HIS)能實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的解耦，且可以對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，這是傳統(tǒng)懸架無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓互聯(lián)懸架的研究日益增多。Smith等[9]提出了被動(dòng)互聯(lián)懸架理論；Wilde等[10]研究了油氣互聯(lián)懸架對(duì)越野車動(dòng)態(tài)性能的影響，并試驗(yàn)分析了油氣互聯(lián)懸架的力學(xué)特性；Zhang等[11]利用傳遞阻抗法建立了液壓互聯(lián)懸架與車輛模型耦合的頻域模型，通過(guò)頻響函數(shù)研究了液壓互聯(lián)懸架的性能，建立了液壓互聯(lián)懸架與車輛模型耦合的時(shí)域模型。我國(guó)許多學(xué)者也對(duì)油氣懸架基本原理、建模與仿真及其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了大量研究[12-15]，但極少使用商業(yè)軟件以聯(lián)合仿真的形式來(lái)研究液壓互聯(lián)懸架對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響。本文主要研究液壓互聯(lián)懸架對(duì)SUV操縱穩(wěn)定性的影響，聯(lián)合仿真和樣車實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，液壓互聯(lián)懸架能夠顯著地增大SUV的側(cè)傾剛度，提高車輛穩(wěn)定性，從而降低SUV側(cè)翻的可能性，同時(shí)對(duì)原車的平順性影響非常小。

1　車輛穩(wěn)定性分析

懸架系統(tǒng)對(duì)車輛的安全性和穩(wěn)定性起著非常重要的作用，然而車輛舒適性和操縱穩(wěn)定性卻是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。目前懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多是為提供較好的舒適性而犧牲一定的操縱穩(wěn)定性，SUV也不例外。為了滿足SUV的越野性和通過(guò)性，SUV車輛的質(zhì)心(center of gravity,CG)往往較高，懸架剛度設(shè)計(jì)得較軟，使得SUV車輛更加容易側(cè)翻。NHTSA提供的評(píng)估車輛抗側(cè)翻能力的指標(biāo)是靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)(SSF)，其計(jì)算公式如下[16]：

RSSF=T/H

(1)

式中，T為輪距；H為車輛的質(zhì)心的高度。

RSSF越大，車輛側(cè)翻的可能性越小。

NHTSA提供的方法只是一種比較簡(jiǎn)單的預(yù)判方法。根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)，當(dāng)車輛高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，在車輛質(zhì)心處會(huì)作用一個(gè)橫向加速度，產(chǎn)生一個(gè)如圖1所示的離心力。外側(cè)車輪和內(nèi)側(cè)車輪的輪胎垂直力可按如下公式計(jì)算：

(2)

Fy=Fyi+Fyo

(3)

式中，F(xiàn)zi、Fzo分別為來(lái)自內(nèi)外側(cè)車輪的輪胎垂直力；Fy為離心力；Fyi、Fyo分別為來(lái)自內(nèi)外側(cè)車輪的輪胎側(cè)向力；hr為側(cè)傾中心高度； d為輪距；Kφ為懸架側(cè)傾剛度；φ為側(cè)傾角。

圖1　急轉(zhuǎn)彎車輛的受力情況

式(2)右側(cè)由兩部分組成，第一部分是由離心力導(dǎo)致的，可以通過(guò)增大車輪軸向?qū)挾然蚪档唾|(zhì)心高度來(lái)減少內(nèi)外輪胎的載荷轉(zhuǎn)移，一般來(lái)說(shuō)輪距和質(zhì)心高度是很難改變的；第二部分是由于車身的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)造成的，可以通過(guò)減小側(cè)傾角來(lái)減少內(nèi)外輪胎的載荷轉(zhuǎn)移，從而減小車輛側(cè)翻的可能性。一般來(lái)說(shuō),通過(guò)增大側(cè)傾剛度可減小側(cè)傾角，從而減少輪胎載荷的轉(zhuǎn)移，但此時(shí)車輪在非線性垂直力和側(cè)向力的共同作用下，會(huì)使車輛由極限側(cè)翻狀態(tài)傾向于側(cè)滑狀態(tài)[17]，這可能也不利于車輛的行駛穩(wěn)定性,但比車輛側(cè)翻要安全一些。

2　結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓互聯(lián)懸架[18]一般由雙作用油缸、阻尼閥、蓄能器、油管、接頭和固定件等組成。油腔通過(guò)油管相互連接，可以根據(jù)懸架系統(tǒng)的需要來(lái)選擇合適的布置方式。本文主要是研究抗側(cè)傾布置模式下液壓互聯(lián)懸架對(duì)車輛性能的影響，抗側(cè)傾布置策略如圖2所示。圖2中4個(gè)雙作用油缸分別安裝在原車減振器處，左側(cè)油缸上腔與右側(cè)油缸下腔相連，并通過(guò)蓄能器形成一個(gè)回路；同理，右側(cè)油缸上腔與左側(cè)油缸下腔相連，并通過(guò)蓄能器形成另一個(gè)回路。在整個(gè)液壓互聯(lián)懸架的系統(tǒng)中，懸架行程的變化導(dǎo)致活塞桿與油缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，油液在回路中流入或流出蓄能器，從而導(dǎo)致油缸上下腔產(chǎn)生壓力差。

圖2　液壓互聯(lián)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在車輛側(cè)傾模態(tài)下， 即車輛懸架處于一側(cè)壓縮狀態(tài)而另一側(cè)處于拉伸狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)回路的大量油液流入蓄能器，與此同時(shí)，另一個(gè)回路的大量油液從蓄能器中流出，這種狀態(tài)下，液壓互聯(lián)懸架將會(huì)提供很大的力矩來(lái)阻止車輛繼續(xù)側(cè)傾。在車輛垂向模態(tài)下，即車輛懸架處于同時(shí)壓縮或同時(shí)拉伸狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致回路中有部分油液同時(shí)流入或流出蓄能器，由于流入或流出的油液較少，因此對(duì)垂向模態(tài)的影響較小。在車輛俯仰模態(tài)下，即車輛懸架一端處于壓縮狀態(tài)而另一端處于拉伸狀態(tài)，在回路中基本沒有油液流進(jìn)或流出蓄能器，對(duì)俯仰模態(tài)基本沒有影響。因此液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)模態(tài)的獨(dú)立控制。

假設(shè)兩回路中蓄能器氣囊的預(yù)充氣體壓力和體積分別為p0和V0，而蓄能器在預(yù)設(shè)的工作壓力下氣囊的氣體壓力和體積分別為pw和Vw，當(dāng)系統(tǒng)在工作壓力下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由理想氣體狀態(tài)方程可得

p0V0=pwVw

假設(shè)車輛在前進(jìn)方向處于左側(cè)側(cè)傾狀態(tài)，此時(shí)，油缸1和油缸3處于壓縮狀態(tài)，活塞往上移動(dòng)，相反，油缸2和油缸4處于拉伸狀態(tài)，活塞往下移動(dòng)，從而導(dǎo)致油缸1和油缸3的上腔油液以及油缸2和油缸4的下腔油液流入蓄能器1中，使油路1(虛線)中的油壓升高，而蓄能器2中的油液流出至油缸1和油缸3中的下腔以及油缸2和油缸4的上腔，使油路2(實(shí)線)的油壓降低。根據(jù)側(cè)傾角的變化可以計(jì)算得到油路1和油路2的體積變化量ΔV1、ΔV2，考慮液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱，可知ΔV1=ΔV2，從而可得到蓄能器1和蓄能器2的氣體體積V1、V2：

V1=Vw-ΔV1

V2=Vw+ΔV2

然后根據(jù)理想氣體多變狀態(tài)規(guī)律得

式中，γ為氣體多變指數(shù)，取值為1.4；p1、p2分別為油路1、2中的液體壓力。

計(jì)算4個(gè)油缸提供的液壓力F1、F2、F3、F4，由于油缸設(shè)計(jì)的對(duì)稱性，得

F1=F3=p1At-p2Ab

F2=F4=p2At-p1Ab

從而可以得到液壓互聯(lián)懸架提供的側(cè)傾力矩為

Mh=(p1-p2)(At+Ab)(lf+lr)

式中，At、Ab分別為油缸的活塞面積和活塞環(huán)面積；lf、lr分別為前后懸架的液壓缸安裝位置到車輛縱向?qū)ΨQ面的距離。

通過(guò)液壓回路的設(shè)計(jì)，可以使得液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)提供較大的側(cè)傾力矩，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。同理，可得到垂向模態(tài)的垂向力，但由于流進(jìn)流出蓄能器的油液較少，故對(duì)垂向模態(tài)的影響較小。

3　 模型

3.1整車模型

CarSim是一種基于數(shù)學(xué)模型的面向特性參數(shù)化建模的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，該整車模型包含七大子系統(tǒng)(車體、輪胎、轉(zhuǎn)向系、懸架、制動(dòng)系、傳動(dòng)系和空氣動(dòng)力學(xué))，共27個(gè)自由度[19]。建模過(guò)程不需要各部件的具體結(jié)構(gòu)形式，只需要定義體現(xiàn)各部件性能的具體參數(shù)或特性曲線。CarSim主要包括整車模型數(shù)據(jù)庫(kù)、控制輸入數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)，整車模型如圖3 所示。

圖3　CarSim中整車模型

本文主要利用整車模型數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)整車實(shí)際結(jié)構(gòu)提取的參數(shù)建立整車模型，利用該軟件提供的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。本文主要考慮液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)對(duì)車輛側(cè)傾性能影響，因此建模過(guò)程中車輛模型中傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系及其制動(dòng)系均為軟件自帶模型。為了驗(yàn)證液壓互聯(lián)懸架能夠提高車輛側(cè)傾剛度，本文建立兩種整車模型(原車的整車模型、去除橫向穩(wěn)定桿(ARB)后安裝液壓互聯(lián)懸架(HIS)的整車模型)進(jìn)行對(duì)比分析。本文建立SUV車輛模型的參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，具體參數(shù)如表1所示。

表1　整車模型主要參數(shù)

3.2液壓互聯(lián)懸架模型

AMESim是系統(tǒng)工程高級(jí)建模與仿真平臺(tái)，該軟件模型庫(kù)豐富，涵蓋了機(jī)械、液壓、控制、液壓元件設(shè)計(jì)、液力液阻等領(lǐng)域[20]。本文充分利用AMESim液壓元件建模與仿真的能力，按照實(shí)物結(jié)構(gòu)提供的參數(shù)搭建了液壓互聯(lián)懸架子系統(tǒng)模型，如圖4 所示。該模型按照上述抗側(cè)傾布置策略進(jìn)行連接，形成兩條閉合液壓回路，分別包含雙作用缸、油管、接頭和蓄能器。液壓子模型具體參數(shù)如表2所示,其中，L1～L20表示連接各雙作用油缸的油管的長(zhǎng)度，其具體位置如圖4所示。

圖4　AMESim中液壓互聯(lián)懸架模型

3.3聯(lián)合仿真模型

為了充分利用CarSim整車建模和AMESim液壓元件建模的優(yōu)勢(shì)，在Simulink中搭建聯(lián)合仿真接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。聯(lián)合仿真原理如圖5所示。首先將CarSim中的整車仿真所提供的4個(gè)車輪懸架動(dòng)撓度和速度，通過(guò)Simulink平臺(tái)輸入到AMESim中作為4個(gè)對(duì)應(yīng)的油缸和活塞，然后將AMESim中液壓缸和活塞處各液壓元件產(chǎn)生的力作為懸架力傳遞給CarSim，通過(guò)這樣的方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

表2　液壓回路參數(shù)

根據(jù)圖5可知，AMESim輸入懸架動(dòng)撓度，輸出互聯(lián)懸架的液壓力；CarSim輸入液壓互聯(lián)懸架的液壓力，輸出懸架動(dòng)撓度；通過(guò)MATLAB/Simulink平臺(tái)，輸出側(cè)傾角、側(cè)向加速度、質(zhì)心處車身垂向加速度和側(cè)傾角加速度等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖5　聯(lián)合仿真原理圖

4　聯(lián)合仿真分析

利用上文建立的聯(lián)合仿真模型，根據(jù)GB/T 4970-2009 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法和GB/T6323-2014 汽車平順性試驗(yàn)方法，在CarSim控制輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中建立對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤輸入或路面譜輸入，然后在Simulink平臺(tái)設(shè)置仿真工況參數(shù)來(lái)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，最后將原車與裝有互聯(lián)懸架的車輛仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1蛇形試驗(yàn)

根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，蛇形試驗(yàn)適用于轎車、客車、貨車和越野車。蛇形試驗(yàn)是檢驗(yàn)車輛操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)之一，穩(wěn)定車速以蛇形通過(guò)測(cè)試路段，獲取車輛在不同車速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將側(cè)傾角作為車輛操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，該值越小說(shuō)明車身姿態(tài)越平穩(wěn)，車輛操縱穩(wěn)定性越好。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在CarSim控制輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中建立路面輸入，車輛運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖6　蛇形試驗(yàn)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7　50 km/h時(shí)側(cè)向加速度與側(cè)傾角對(duì)比

圖8　60 km/h時(shí)側(cè)向加速度與側(cè)傾角對(duì)比

圖7、圖8所示為車輛在不同車速下側(cè)向加速度和側(cè)傾角結(jié)果，圖中，ARB表示原SUV車模型，HIS表示去除橫向穩(wěn)定桿后安裝液壓互聯(lián)懸架的整車模型?？梢钥闯觯S著車速的增大，車輛側(cè)向加速度和側(cè)傾角增大。在相同的車速下，裝有橫向穩(wěn)定桿(ARB)的原車與裝有液壓互聯(lián)懸架(HIS)的改裝車的側(cè)向加速度基本一致，表明車身受到的側(cè)向力基本不變；但裝有HIS車輛的側(cè)傾角明顯小于裝有ARB車輛的側(cè)傾角，車身姿態(tài)平穩(wěn)，駕駛員主觀駕駛感受明顯變好，從而提高了車輛行駛穩(wěn)定性。

4.2雙移線試驗(yàn)

根據(jù)ISO 3888-1中雙移線試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在CarSim控制輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中制定了雙移線的運(yùn)動(dòng)路徑，如圖9所示。

圖9　雙移線車輛運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10、圖11所示為車輛在60 km/h時(shí)的側(cè)向加速度和側(cè)傾角結(jié)果。根據(jù)上述雙移線試驗(yàn)仿真結(jié)果可知，在相同的試驗(yàn)條件下，獲得了同樣的側(cè)向加速度；但裝有HIS車輛的車身最大側(cè)傾角由原車的1.7°減小到0.6°，表明裝有HIS的車輛在緊急避障情況下車身姿態(tài)變化較小，有利于改善駕駛員對(duì)車輛的操控性，進(jìn)一步提高車輛在高速行駛中的穩(wěn)定性。

圖10　60 km/h時(shí)側(cè)向加速度對(duì)比

圖11　60 m/h時(shí)車身側(cè)傾角對(duì)比

4.3脈沖試驗(yàn)

為了說(shuō)明該液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)對(duì)SUV車輛舒適性沒有產(chǎn)生負(fù)面影響，根據(jù)GB/T 4970-2009，以脈沖試驗(yàn)作為整車仿真的路面輸入，將車身垂向加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖12～圖14 所示為不同車速下脈沖試驗(yàn)的垂向加速度仿真結(jié)果。可以看出，在相同的路面輸入和相同速度下，與裝有ARB的原車相比，裝有HIS車輛的質(zhì)心處垂向加速度數(shù)值有輕微變大，表明該液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)對(duì)原車的舒適性會(huì)有影響，但影響非常小。

總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，裝有HIS的車輛能夠顯著增大車輛側(cè)傾剛度，減小車身側(cè)傾角，提高車輛的安全性能，而且對(duì)車輛垂向模態(tài)影響較小，對(duì)車輛舒適性影響很小。

圖12　40 km/h時(shí)質(zhì)心處垂向加速度

圖14　60 km/h時(shí)質(zhì)心處垂直加速度

5　整車試驗(yàn)

為了驗(yàn)證液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)對(duì)整車性能的影響，將該液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)成功安裝在某SUV上，并在定遠(yuǎn)國(guó)家試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行整車性能測(cè)試。為了進(jìn)行整車性能對(duì)比分析，參考操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和平順性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)原車和安裝HIS的SUV進(jìn)行性能試驗(yàn)。結(jié)合第3節(jié)仿真結(jié)果，進(jìn)行了一系列的路面試驗(yàn)(包括雙移線試驗(yàn)、蛇形試驗(yàn)和隨機(jī)路面試驗(yàn))，最后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)的信號(hào)采集系統(tǒng)主要包含NI采集板卡、裝有LabView的筆記本電腦、6個(gè)傳感器和電源箱。傳感器主要是一個(gè)低頻加速度傳感器，安裝在質(zhì)心處，用來(lái)測(cè)量側(cè)向加速度；4個(gè)位移傳感器(LVDT),安裝在減振器上，用來(lái)測(cè)量懸架動(dòng)行程，然后轉(zhuǎn)化為車身側(cè)傾角；1個(gè)高頻加速度傳感器安裝在質(zhì)心處，用來(lái)測(cè)量質(zhì)心處垂直方向的加速度。

試驗(yàn)包含車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和車輛平順性試驗(yàn)，應(yīng)用蛇形試驗(yàn)和雙移線試驗(yàn)來(lái)對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以側(cè)傾角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，側(cè)傾角越小車身姿態(tài)越平穩(wěn)，越有利于舒緩駕駛員緊張情緒。隨機(jī)路面試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)車輛的平順性，以垂向加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，加速度值越小平順性越好。

5.1仿真與試驗(yàn)對(duì)比

按照雙移線試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別做了原車與裝有HIS試驗(yàn)車的雙移線試驗(yàn)，并與上述仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由圖15可知，試驗(yàn)與仿真獲得的側(cè)向加速度基本一致，從而可知仿真實(shí)驗(yàn)的輸入與實(shí)車實(shí)際輸入基本相同。由圖16可知，車身側(cè)傾角試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合。由上述分析可以看出，仿真平臺(tái)結(jié)果能夠與試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)較好地吻合，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的正確性。

圖15　60 km/h時(shí)試驗(yàn)與仿真?zhèn)认蚣铀俣葘?duì)比

圖16　60 km/h時(shí)試驗(yàn)與仿真?zhèn)葍A角對(duì)比

5.2原車與裝有HIS車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

本文通過(guò)一系列的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和平順性試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。該試驗(yàn)在定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，通過(guò)位移傳感器測(cè)量懸架的動(dòng)變形，經(jīng)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為車身側(cè)傾角，作為評(píng)價(jià)車輛操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，角度越小表明車身姿態(tài)越平穩(wěn)；用加速度傳感器測(cè)量車身質(zhì)心處的側(cè)向加速度和垂向加速度，分別用來(lái)評(píng)價(jià)操縱穩(wěn)定性和平順性，車身垂直加速度越小表明車身受到的沖擊越小，乘車舒適性越好。

5.2.1蛇形試驗(yàn)

參考GB/T 6323-2014進(jìn)行蛇形試驗(yàn)，結(jié)果如圖17～圖20所示。由圖17、圖19可以看出，兩種試驗(yàn)車型的側(cè)向加速度基本一致，表明原車與裝有HIS的SUV在做蛇形試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入基本相同，保證了試驗(yàn)具有可對(duì)比性。由18、圖20可以看出，裝有HIS的試驗(yàn)車輛在不同車速下的側(cè)傾角都要明顯小于裝有ARB的原車的側(cè)傾角，在50 km/h時(shí)，最大側(cè)傾角由原車的2°減小到約0.6°，在60 km/h時(shí)，最大側(cè)傾角由原車的2.8°減小到0.9°。由上述試驗(yàn)結(jié)果表明，該液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)能顯著增大車輛的側(cè)傾剛度，從而提高車輛的穩(wěn)定性。

圖17　50 km/h時(shí)原車與HIS車側(cè)向加速度對(duì)比(蛇形試驗(yàn))

圖18　50 km/h時(shí)原車與HIS車側(cè)傾角對(duì)比(蛇形試驗(yàn))

圖19　60 km/h時(shí)原車與HIS車側(cè)向加速度對(duì)比(蛇形試驗(yàn))

圖20　60 km/h時(shí)原車與HIS車側(cè)傾角對(duì)比(蛇形試驗(yàn))

5.2.2雙移線試驗(yàn)

雙移線試驗(yàn)是國(guó)際上慣用的一種測(cè)試車輛避險(xiǎn)能力的試驗(yàn)項(xiàng)目，主要模擬高速下車輛的緊急避讓性能。參考ISO3888-1進(jìn)行雙移線試驗(yàn)，利用前述的位移傳感器測(cè)量車輛懸架的動(dòng)擾度，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為車身側(cè)傾角，用來(lái)評(píng)價(jià)車輛的操縱穩(wěn)定性；通過(guò)車身質(zhì)心處的加速度傳感器來(lái)測(cè)量質(zhì)心的側(cè)向加速度，用來(lái)評(píng)判兩種車輛的轉(zhuǎn)角輸入是否相同。由圖21、圖22可知，在進(jìn)行60 km/h雙移線試驗(yàn)時(shí)，裝有ARB的原車與裝有HIS車輛獲得的側(cè)向加速度相同，表明兩種試驗(yàn)車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入基本相同；然而對(duì)比車身側(cè)傾角，裝有HIS的車輛的側(cè)傾角由原車的2°減小到0.6°左右，大約減小30%，表明裝有HIS車輛的避險(xiǎn)能力明顯比原車要好。由上述結(jié)果可以看出，液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)提供了更大的側(cè)傾剛度，使得車身姿態(tài)更加平穩(wěn)，有利于緩解駕駛員疲勞感，使車輛行駛更加安全。

圖21　60 km/h時(shí)原車與HIS車側(cè)向加速度對(duì)比(雙移線試驗(yàn))

圖22　60 km/h時(shí)原車與HIS車側(cè)傾角對(duì)比(雙移線試驗(yàn))

5.2.3隨機(jī)路面試驗(yàn)

隨機(jī)路面輸入試驗(yàn)用來(lái)考察車輛的平順性，主要通過(guò)質(zhì)心處的垂直車身加速度傳感器來(lái)測(cè)量質(zhì)心處的加速度值，作為評(píng)價(jià)車輛舒適性的指標(biāo)，加速度值越小，說(shuō)明振動(dòng)越小，車輛更加平穩(wěn)。為了防止車輛和人員的干擾以及保證車速測(cè)量的穩(wěn)定性，本次試驗(yàn)選擇在實(shí)驗(yàn)室外較偏僻的公路上進(jìn)行，此路面狀況較好，可基本判斷為C級(jí)路面。為了研究脈沖輸入的影響，本試驗(yàn)還刻意通過(guò)了一個(gè)井蓋，這在車身質(zhì)心處垂直加速度的時(shí)域圖中可得到體現(xiàn)。圖23～圖25分別為時(shí)速30 km/h、40 km/h和50 km/h下的車身垂向加速度時(shí)域圖，可知，裝有HIS的車輛在質(zhì)心處垂向加速度只比原車略大一點(diǎn)，基本上不會(huì)影響原車舒適性。

圖23　30 km/h時(shí)原車與HIS車垂向加速度對(duì)比

圖25　50 km/h時(shí)原車與HIS車垂向加速度對(duì)比

圖26～圖28所示分別為隨機(jī)路面試驗(yàn)30 km/h、40 km/h和50 km/h車速下的車身垂直加速度功率譜曲線，考慮人體對(duì)振動(dòng)的敏感性，重點(diǎn)關(guān)注25Hz以內(nèi)的振動(dòng)。由圖26～圖28可知，車身質(zhì)心處的振動(dòng)主要處于5Hz以內(nèi)，在三種速度下，在某些頻率處，裝有HIS車輛的加速度功率譜的數(shù)值略大于原車的加速度功率譜，但在某些頻率處，裝有HIS車輛的加速度功率譜的數(shù)值略小于原車的加速度功率譜，說(shuō)明HIS對(duì)車輛舒適性有輕微影響，這是因?yàn)檠b有液壓互聯(lián)懸架以后，會(huì)略微增大車輛的垂向剛度，此影響可以通過(guò)后續(xù)調(diào)較原車彈簧和減振器予以消除。

圖26　30 km/h時(shí)原車與HIS車功率譜對(duì)比

圖27　40 km/h時(shí)原車與HIS車功率譜對(duì)比

圖28　50 km/h時(shí)原車與HIS車功率譜對(duì)比

6　結(jié)語(yǔ)

本文分析了車輛側(cè)翻的機(jī)理，提出一種新型油氣互聯(lián)懸架系統(tǒng)以提高車輛抗側(cè)傾性能。利用AMESim、CarSim和MATLAB的建模優(yōu)勢(shì)，搭建了機(jī)液耦合的多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真平臺(tái)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者吻合較好，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)的正確性，從而為研究液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)對(duì)整車性能影響提供了一種新方法。該新型油氣互聯(lián)懸架系統(tǒng)能夠顯著增大車輛的側(cè)傾剛度，因而提高了車輛的行使穩(wěn)定性，同時(shí)更為重要的是基本不犧牲車輛的平順性，這是傳統(tǒng)懸架無(wú)法解決的矛盾，因?yàn)閭鹘y(tǒng)懸架要提高車輛側(cè)傾剛度相應(yīng)地要增加懸架剛度，這樣必然會(huì)導(dǎo)致較差的乘車舒適性。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Vehicle Dynamics Analysis and Road Rest of a Sports Utility Vehicle Equipped with Hydraulically Interconnected Suspension

Peng Peng1Zhang Bangji1Zhang Jie1Zheng Minyi1,2Zhang Nong1,2

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University, Changsha，410082 2.Hefei University of Technology,Hefei,230000

A new type of hydro-pneumatic interconnection suspension was proposed herein, which would contribute to improve the ability of rollover resistance without affecting other performances. In order to study the hydraulically interconnected suspension’s impaction on the vehicle steering stability, based on CarSim/Simulink/AMESim cosimulation platform, a vehicle multi-body dynamics model coupled fluid system with hydraulically interconnected suspension systems was employed and the relevant handling stability and ride experimental simulation studies were made. The simulation results show that the vehicle fitted with hydraulically interconnected suspension systems may obtain the higher scores in the handling stability evaluation. In order to verify the accuracy of the cosimulation platform and ongoing study the influences of hydraulically interconnected suspension of vehicles, a hydraulically interconnected suspension was designed for a sports utility vehicle, and a series of road tests were carried out. The experimental results are good agreement with the simulation ones. It illustrates that the cosimulation model is correct, and provides a new computer simulation method for follow-up design and optimization in this kind of suspension. Experimental and simulation results show that hydraulically interconnected suspension may offer larger roll stiffness, enhance the safety of vehicle when cornering at high speeds, and improve the handling stability of vehicles without affecting the ride comfort.

handling stability; hydraulically interconnected suspension; rollover resistance; cosimulation

2015-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1234208)

U463.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.021

彭鵬，男，1990年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院碩士研究生。研究方向車輛懸架系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試分析。張邦基(通信作者)，男，1967年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院副教授。章杰，男，1988年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生。鄭敏毅，男，1983年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院講師。張農(nóng)，男，1959年生。湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。