汽車懸架性能優(yōu)化與操縱穩(wěn)定性分析

郭衛(wèi)衛(wèi)

摘 要：在汽車懸架設(shè)計優(yōu)化中，懸架性能參數(shù)直接影響著車輛的操縱穩(wěn)定性，關(guān)系著車輛的行駛安全。懸架設(shè)計想要滿足汽車對穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便、行駛安全等的需求，在懸架設(shè)計中，應(yīng)重視車輪的外傾角與前束角，注重主銷后傾角與內(nèi)傾角，對懸架性能進行優(yōu)化，以此保障汽車安全性、可靠性，提高汽車的可操作性。

關(guān)鍵詞：汽車懸架;性能優(yōu)化;操縱穩(wěn)定性

1 引言

在汽車設(shè)計中，操縱穩(wěn)定性汽車不可或缺的一項性能，不僅關(guān)系著汽車的操縱便利性，還關(guān)系著汽車行駛安全性。然而，在汽車設(shè)計中，懸架幾何特性、整車質(zhì)心所在位置、輪胎的力學(xué)特征等，都影響著汽車的操縱穩(wěn)定性。目前，傳統(tǒng)設(shè)計操縱穩(wěn)定性的方式已經(jīng)無法滿足需求，且耗費成本較高，部分極限工況無法實現(xiàn)[1]。計算機網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，滿足操縱穩(wěn)定性需求的同時，節(jié)省了成本，提高了效率?；诖?，文章基于該技術(shù)探討了汽車懸架的性能優(yōu)化以及操縱穩(wěn)定性。

2 汽車虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1 虛擬樣機的建模。虛擬樣機作為一種新技術(shù)，是計算機的新概念，當(dāng)前，我國在虛擬樣機技術(shù)的研究上仍處于發(fā)展階段。在樣機建模前，因?qū)δＰ徒Y(jié)構(gòu)進行明確，同時，掌握各個構(gòu)件間的約束關(guān)系，將真實實物的模型簡化，以此得到真實的模型參數(shù)。之后，相關(guān)人員可利用適當(dāng)?shù)能浖归_建模工作。其中，虛擬樣機的模型建立過程如圖1所示。

2.2 模型建立的具體步驟。在汽車模型建立中，因ADAMS軟件具有強大的分析能力、求解能力，且能夠與便捷的用戶界面有機結(jié)合，對此，文章模型建立選擇該軟件。首先，對汽車各子系統(tǒng)建立template模板文件，并依照模板文件建立subsystem子系統(tǒng)文件。其次，將各個子系統(tǒng)進行裝配，構(gòu)成整車模型，并建立文件assembly。最后，在不同研究中，編寫不同控制文件，對整車的仿真計算進行有效控制。

ADAMS軟件的應(yīng)用，為用戶提供了以服務(wù)能夠建立并修改模版的界面，模版身為子系統(tǒng)基礎(chǔ)，模版模式過程如下：（1）對物理模型進行簡化。因為，實車的部件處于相對運動關(guān)系，在模型簡化中，僅需要確定部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將不存在相對運動關(guān)系的構(gòu)件作為一個部件。（2）硬點確定。硬點主要是指部件布置、部件連接的幾何定點，硬點確定直接影響著部件構(gòu)成。（3）動力學(xué)的參數(shù)確定。在利用部件構(gòu)成整車模型時，掌握各個部件動力參數(shù)，有利于提高模型構(gòu)建的質(zhì)量，對此，計算部件質(zhì)心、繞質(zhì)心、質(zhì)量等坐標(biāo)軸在坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動慣量，保障模型的懸架性能。（4）幾何體的創(chuàng)建。主要是以硬點作為基礎(chǔ)，在其上建立部件幾何體。（5）對約束進行定義，工作人員可依照部件間的運動關(guān)系，對約束類型進行確定，為子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建提供幫助。（6）對模版的參數(shù)變量與制動器進行定義。在子系統(tǒng)中，運動、位置、幾何尺寸等的修改非常常見，對此，對參數(shù)的變量進行定義，對于標(biāo)準(zhǔn)界面的調(diào)整非常重要。制動器主要用來對子系統(tǒng)內(nèi)的各個部件間的力與運動傳遞進行定義。（7）通訊器的定義與測試[2]。

3 前懸架的模型與優(yōu)化

基于參考車型的懸架參數(shù)，通過對模板的幾何參數(shù)、力學(xué)特性、物理參數(shù)等合理調(diào)整，建設(shè)雙橫臂的前獨立懸架。添加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及試驗臺的子系統(tǒng)，構(gòu)成前懸架的仿真系統(tǒng)，具體如圖2所示。

在對前懸架模型進行仿真試驗中，應(yīng)將懸架裝配相應(yīng)參數(shù)輸入其中，保障仿真試驗的順利展開，裝配參數(shù)具體包含有：輪胎模型參數(shù)、簧載質(zhì)量參數(shù)、輪距、驅(qū)動力參數(shù)、制動力分配、質(zhì)心高度等。據(jù)仿真結(jié)果可知，模型前輪的前束角已經(jīng)超出合理范圍，應(yīng)對該部分優(yōu)化，提高懸架性能質(zhì)量，增強汽車的操縱穩(wěn)定性[3]。對前懸架模型的靈敏度進行分析，發(fā)現(xiàn)11個坐標(biāo)值影響較大，通過對坐標(biāo)值調(diào)整、優(yōu)化，并利用優(yōu)化之后的硬點坐標(biāo)值，第二次展開仿真試驗，對優(yōu)化前與優(yōu)化后的參數(shù)構(gòu)成曲線進行對比，如圖3-6所示，在圖中，實線為參數(shù)未優(yōu)化的曲線，虛線是優(yōu)化后參數(shù)構(gòu)成的曲線。

由下述四個曲線圖可知，在優(yōu)化之前，車輪跳動范圍在-100mm到100mm之間時，前輪的外傾斜角發(fā)生變化，變化范圍在-2.8°到1.3°，在（-2°—0.5°）/50mm這一適應(yīng)的變化范圍內(nèi)。在同樣的車輪跳動范圍內(nèi)，主銷的內(nèi)傾角在8.3°到13°之間變化，通常，選取的范圍多在7°-13°之間，而在同樣車輪跳動范圍，主銷的后傾角由5.4°逐漸達到5.8°，變化范圍不大，符合車輪跳動要求。在車輪跳動范圍0-100mm過程中，前輪的前束角在-1.7°到0°變化，超過了規(guī)定的變化范圍-1°-0°，不符合規(guī)范。

在優(yōu)化之后，車輪跳動范圍在-100mm到100mm之間時，前輪的外傾斜角發(fā)生變化，變化范圍在-2.4°到1.2°，趨勢平緩。在同樣的車輪跳動范圍內(nèi)，主銷的內(nèi)傾角在7.2°到11.5°之間變化，變化范圍相應(yīng)降低，而在同樣車輪跳動范圍，主銷的后傾角處于靜平衡，由5.4°減小到4.7°，角度的減小，優(yōu)化后模型較優(yōu)化前模型更合理。在車輪跳動范圍0-100mm過程中，前輪的前束角變?yōu)槿踟?fù)前束角，在-1.1°到0°變化，整體變化的趨勢平緩，與規(guī)定要求基本相符。

4 汽車操縱穩(wěn)定性的仿真試驗

4.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗。對穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)實驗過程中，首先將轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角進行固定并開動汽車，以最低速度緩慢行駛，縱向加速度低于0.25m/s2，直至側(cè)向加速度到達6.5m/s2，停止汽車，以此掌握前后軸的側(cè)偏角差，了解側(cè)傾角隨著側(cè)向加速度變化時發(fā)生的變化。最終試驗得知，當(dāng)汽車的側(cè)向加速度低于2m/s2，則側(cè)偏角的差值和側(cè)向加速度呈現(xiàn)出線性關(guān)系;當(dāng)汽車的側(cè)向加速度高于2m/s2，著曲線的斜率增大，輪胎的側(cè)偏特性將進入非線性區(qū)域。中性轉(zhuǎn)向點的側(cè)向加速度超過10m/s2，超過標(biāo)準(zhǔn)值5m/s2，而轉(zhuǎn)向值不足3°/（m/s2），表明車轉(zhuǎn)向特性具有明顯不足。在該試驗中，雖然轉(zhuǎn)向特性存在明顯不足，但是，其的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)具有良好性能，滿足當(dāng)下汽車設(shè)計的要求[4]。

4.2 轉(zhuǎn)向回正試驗。在轉(zhuǎn)向回證試驗過程中，試驗速度選擇低速擋與高速擋為宜，試驗圓周的半徑為15m，速度分別為40km/h、120km/h，試驗過程中，汽車側(cè)向加速度應(yīng)達到0.4g、0.2g，待試驗汽車行駛一段時間，進入穩(wěn)定狀態(tài)后，得出：在低速試驗中，殘留橫擺角的速度時2.5°/s;在高速試驗中，殘留的橫擺角保持在0.2°/s的速度。結(jié)果表明，汽車回正的速度較快，轉(zhuǎn)向回正的性能良好。

4.3 轉(zhuǎn)向輕便性試驗。依照駕駛員在控制文件上的要求，汽車車速控制在10km/h，在規(guī)定軌跡下試驗，汽車行駛穩(wěn)定后，得出轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩，顯示了汽車轉(zhuǎn)向輕便且性能良好。

4.4 蛇形試驗。在汽車的操作穩(wěn)定性試驗中，蛇形試驗主要用來評估車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性、過渡響應(yīng)。試驗參數(shù)如下：標(biāo)樁間距30mm，基準(zhǔn)車速65km/h，偏移距1.5m，方仿真時間35s。在蛇形試驗過程中，應(yīng)保持車速的穩(wěn)定性，且汽車不能碰撞標(biāo)桿，服轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角，車身的側(cè)傾角，側(cè)向的加速度，車身的橫擺角速度等計算，最終結(jié)果顯示，車輛具有較強的抗側(cè)傾能力。

5 結(jié)語

總而言之，在汽車設(shè)計中，懸架性能與操縱穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，直接影響著汽車整體質(zhì)量，關(guān)系著汽車行駛安全。然而，在汽車設(shè)計過程中，很少能夠一次保障懸架性能達標(biāo)。而傳統(tǒng)的試驗方式很難保障試驗結(jié)果達標(biāo)。對此，積極引進虛擬仿真試驗，對懸架性能進行優(yōu)化，并對汽車操縱穩(wěn)定性進行仿真試驗，提高汽車從操縱穩(wěn)定性，全面提高整車質(zhì)量。

參考文獻：

[1]李春鵬，孫明磊.汽車懸架性能優(yōu)化及操縱穩(wěn)定性研究[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（10）：106-106.

[2]任成龍，王儉樸，莊慶雨.汽車懸架性能優(yōu)化及操縱穩(wěn)定性研究[J].現(xiàn)代制造工程，2015（11）：34-38.

[3]王銳，蘇小平，王衛(wèi).汽車操縱穩(wěn)定性中懸架特性分析與優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造， 2015（5）：96-99.

[4]姚實聰，萬里翔，王波，等.汽車懸架性能評價研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017（21）：313-323.