探討轉(zhuǎn)向工況下如何提升車(chē)輛ISD懸架性能

曹成欣

摘 要：在轉(zhuǎn)向工況下，分析車(chē)輛ISD 的形式性能問(wèn)題，建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)遺傳算法求解車(chē)輛ISD 懸架參數(shù)。通過(guò)前輪轉(zhuǎn)向角躍對(duì)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)進(jìn)行分析。車(chē)身垂直加速度均方根減小16.5%左右，側(cè)傾角減小24.1%，仰角減小了18.2%。因此應(yīng)用車(chē)輛ISD懸架，能夠明顯提升轉(zhuǎn)向工況下汽車(chē)的行駛性能，包括車(chē)身垂直加速度、俯仰擺動(dòng)、側(cè)傾擺動(dòng)以及橫擺等問(wèn)題，還能夠明顯改善汽車(chē)行駛安全性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向工況;車(chē)輛ISD懸架性能;提升策略

慣容器在提出之后，該設(shè)備的隔震潛力已經(jīng)在火車(chē)懸架和車(chē)輛懸架上得以驗(yàn)證。通過(guò)新型機(jī)械隔振網(wǎng)絡(luò)元件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到被動(dòng)車(chē)輛懸架結(jié)構(gòu)當(dāng)中，并且多數(shù)學(xué)者都比較關(guān)注慣容器、彈簧和阻尼器的組成問(wèn)題。車(chē)輛ISD 懸架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，有效彌補(bǔ)了主動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架成本高以及能源消耗大的問(wèn)題，有助于提升車(chē)輛被動(dòng)懸架的性能。然而當(dāng)前研究成果主要局限于1/4車(chē)輛懸架模型和半車(chē)模型當(dāng)中，很少涉及到全車(chē)模型。對(duì)于轉(zhuǎn)向工況的整車(chē)模型研究比較少。所以，此次研究選取4個(gè)元件所組成的車(chē)輛ISD 懸架，建立基于轉(zhuǎn)向工礦的整車(chē)動(dòng)力模型，并且通過(guò)遺傳優(yōu)化算法獲取車(chē)輛懸架的元件參數(shù)，并且基于 前輪轉(zhuǎn)向躍角輸入情況下，對(duì)整車(chē)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 建立基于轉(zhuǎn)向工況下的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

建立包含轉(zhuǎn)向工況的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，必須做好簡(jiǎn)化處理工作。首先不考慮轉(zhuǎn)向系數(shù)的影響，將前輪轉(zhuǎn)角作為輸入。不考慮汽車(chē)行駛過(guò)程中滾動(dòng)阻力和空氣阻力的影響，各懸架彈簧和阻尼均為線性關(guān)系。將車(chē)輛前進(jìn)方向設(shè)置為X軸，質(zhì)心指向設(shè)置為Z軸，駕駛員左側(cè)為Y軸。建立整車(chē)轉(zhuǎn)向模型圖，如圖1，圖2所示。

其中：m表示整車(chē)質(zhì)量;Ix、Iy、Iz分別表示側(cè)傾、俯仰、橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;v表示行駛車(chē)速;β表示質(zhì)心側(cè)偏角，表示車(chē)身橫擺角速度;表示俯視角;表示后輪至質(zhì)心的距離。

圖3表示懸架結(jié)構(gòu)采用四個(gè)元件所組成的車(chē)輛ISD懸架，可以看出，車(chē)輛ISD懸架包括k1主彈簧、k2副彈簧、b慣容器，c阻尼器組成。副彈簧并聯(lián)于阻尼器，之后串聯(lián)與慣容器，并聯(lián)到主彈簧中。

2 轉(zhuǎn)向工況下車(chē)輛ISD懸架性能參數(shù)優(yōu)化

為了確保車(chē)輛ISD 懸架參數(shù)滿足實(shí)際應(yīng)用需求，需要通過(guò)遺傳優(yōu)化算法求解。在求解期間，可以將一般車(chē)型參數(shù)作為模型參數(shù)，具體見(jiàn)表1。

將遺傳優(yōu)化算法的種群設(shè)置為45，進(jìn)化代數(shù)設(shè)置為98，將優(yōu)化設(shè)計(jì)變量設(shè)置為慣質(zhì)系數(shù)、主彈簧剛度、阻尼系數(shù)、副彈簧剛度，按照懸架適用性條件、元件屬性，對(duì)不同優(yōu)化變量的參數(shù)進(jìn)行規(guī)定：其中，主彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;副彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;慣質(zhì)系數(shù)為100kg/1000kg;阻尼系數(shù)為1000N/m-1-3000N/m-1。

為了防止在優(yōu)化期間，車(chē)輛行駛概況對(duì)懸架撞擊限位產(chǎn)生限制性影響，必須約束懸架動(dòng)撓度、車(chē)輪動(dòng)載荷。針對(duì)懸架動(dòng)撓度約束，懸架動(dòng)撓度標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)當(dāng)小于或者等于車(chē)輪跳動(dòng)的限位行程。提示懸架動(dòng)撓度大于限位行程的發(fā)生率在0.3%左右，所以車(chē)輪跳動(dòng)的限位行程取值為8cm。針對(duì)車(chē)輪動(dòng)荷載約束，車(chē)輪動(dòng)荷載的三倍均方根值應(yīng)當(dāng)小于或者等于車(chē)輛靜載。此次研究所選取的車(chē)輛靜載為4500N，所以車(chē)輪跳離地面的發(fā)生率為0.3%左右。

將汽車(chē)的行駛速度控制在每秒20m，在平整路面上行駛。路面輸入模型采用積分白噪聲時(shí)域模型，則有：

其中：Q（t）表示車(chē)輛的路面位移;v表示行駛速度;表示下截止頻率;G0表示路面粗糙系數(shù);W（t）表示積分白噪聲。

在Matlab中編寫(xiě)程序時(shí)，利用群遺傳算法獲得優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)，表2為優(yōu)化參數(shù)結(jié)果。

3 轉(zhuǎn)向工況下車(chē)輛ISD懸架性能仿真分析

在仿真期間，確保汽車(chē)直線行駛和路面輸入模型不變，給原有輪轉(zhuǎn)表輸入π/12的角階躍，以此獲得汽車(chē)車(chē)身俯視角。

為了全面展現(xiàn)出車(chē)輛ISD 懸架有助于提升轉(zhuǎn)向工況下的汽車(chē)性能。需要在仿真工況下，比較分析車(chē)輛傳統(tǒng)懸架、ISD 懸架的性能指標(biāo)。

車(chē)輛ISD懸架的車(chē)身垂直加速度減小16.5%，峰值減小約1.4%。表明車(chē)輛ISD懸架能夠?qū)?chē)身垂向振動(dòng)起到抑制效果。車(chē)身俯仰角的均方根值減小18.2%，峰值減小28.2%，表明車(chē)輛ISD懸架能夠?qū)?chē)身俯仰振動(dòng)起到抑制效果。車(chē)身側(cè)傾角的均方根值減24.2%，峰值減小0.1%，表明車(chē)輛ISD懸架能夠?qū)?chē)身側(cè)傾振動(dòng)起到抑制效果。車(chē)身橫擺角速度的均方根值減小1.9%，峰值減小-1.5%，表明車(chē)輛ISD懸架能夠?qū)?chē)身橫擺起到抑制效果。從上述分析能夠看出，通過(guò)應(yīng)用車(chē)輛ISD懸架，可以明顯提升轉(zhuǎn)向工況下，汽車(chē)的各項(xiàng)性能，包括車(chē)身垂直加速度、俯仰擺動(dòng)、側(cè)傾擺動(dòng)以及橫擺等問(wèn)題，還能夠明顯改善汽車(chē)行駛安全性。

4 結(jié)論

綜上所述，此次研究基于轉(zhuǎn)向工況下，建立了汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角階躍輸入情況下的汽車(chē)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，能夠得到以下結(jié)論：（1）按照懸架適用性條件、元件屬性，對(duì)不同優(yōu)化變量的參數(shù)進(jìn)行規(guī)定：其中，主彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;副彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;慣質(zhì)系數(shù)為100kg/1000kg;阻尼系數(shù)為1000N/m-1-3000N/m-1。（2）在轉(zhuǎn)向工況下，通過(guò)應(yīng)用車(chē)輛ISD懸架，可以明顯改善汽車(chē)的行駛性能，車(chē)身俯仰角的均方根值減小18.2%，峰值減小28.2%;車(chē)身垂直加速度減小16.5%，峰值減小約1.4%;側(cè)傾角的均方根值減24.2%，峰值減小0.1%;車(chē)身橫擺角速度的均方根值減小1.9%，峰值減小-1.5%。提示汽車(chē)在轉(zhuǎn)向工況下，可以減小垂直加速度、側(cè)傾擺動(dòng)、橫擺以及俯仰擺動(dòng)等，應(yīng)用效果比較顯著。希望通過(guò)此次研究分析，可以為相關(guān)人員起到一定的參考價(jià)值。

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