越野車復(fù)合型懸架平順性的研究*

孫 文，李晨陽，王軍年，錢灝喆，張文通

（1.常州工學(xué)院汽車工程學(xué)院，常州 213001；2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；3.常州大學(xué)機械與軌道交通學(xué)院，常州 213164）

前言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車由生產(chǎn)力工具逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛭磥淼纳願蕵饭ぞ?，人們對于整車操作穩(wěn)定性和通過性要求提高的同時，更加注重車輛行駛的平順性。而以現(xiàn)代車輛中越野車為例，往往行駛在顛簸、泥濘等惡劣環(huán)境中，極大降低了車輛的舒適性和駕乘人員的駕乘感受。懸架系統(tǒng)作為車輛的重要組成部分之一，使車輪與車身實現(xiàn)了彈性連接，可有效地傳遞車輪與車身之間的力矩，緩沖路面對車身的沖擊和振動，進而確保車輛具有良好的平順性。近年來，很多學(xué)者為了進一步提升車輛運行品質(zhì)，對懸架動力學(xué)進行了全面的研究和分析，以懸架特性參數(shù)合理匹配為研究重點，以改善汽車性能為目的，在路面激勵的作用下，對整車的平順性進行優(yōu)化。

目前，對于車輛駕駛的操縱穩(wěn)定性和平順性提升的研究，主要是對其懸架系統(tǒng)進行優(yōu)化。懸架系統(tǒng)分為被動懸架系統(tǒng)和可調(diào)式懸架系統(tǒng)。目前大多數(shù)汽車所裝的傳統(tǒng)懸架是被動懸架，其剛度和阻尼系數(shù)一經(jīng)確定就無法改變，限制了車輛性能的提高。剛度和阻尼系數(shù)可調(diào)的懸架稱為可調(diào)式懸架系統(tǒng)，其中半主動懸架因具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高且剛度阻尼系數(shù)可變的優(yōu)點，成為國內(nèi)外許多學(xué)者的研究對象。

在變阻尼懸架系統(tǒng)方面，章一鳴等在對傳統(tǒng)可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化時，通過臺架試驗驗證了可調(diào)減振器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。李幼德等研制開發(fā)了可調(diào)阻尼半主動懸架控制器，通過硬件在環(huán)模擬仿真和臺架試驗，驗證了控制器的實用性。郭孔輝等從相頻的角度分析了經(jīng)典的開關(guān)型天棚控制和加速度阻尼控制的不足，提出了一種改進的加速度阻尼控制器，并將其應(yīng)用在實際車輛上。但是上述文獻中懸架系統(tǒng)在對阻尼進行調(diào)節(jié)的過程中產(chǎn)生的激勵，對系統(tǒng)產(chǎn)生了不良影響。國外則多以磁流變減振器為研究主體，比如美國馬里蘭大學(xué)航空工程系開發(fā)了充氣補償結(jié)構(gòu)的汽車磁流變阻尼器。Choi 等設(shè)計了一種應(yīng)用于乘用車輛的單出桿雙筒磁流變減振器，通過分析Bingham、Bouc-Wen 和Biviscous 3 種模型，建立了該減振器的多項式模型，并通過減振器的特性試驗，驗證了模型的正確性。Wang 等設(shè)計了一種新型的磁流變減振器控制方案，利用最優(yōu)選擇準(zhǔn)則對懸架系統(tǒng)應(yīng)用進行控制，提高了乘客的舒適性。由此可見，磁流變減振器在避免對懸架系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響的情況下，在實際的變工況環(huán)境中體現(xiàn)出了良好的減振效果。

在變剛度懸架系統(tǒng)方面，郭孔輝等建立了油氣消扭懸架系統(tǒng)的機械和液壓模型，進行了消扭工況仿真，驗證了油氣消扭懸架系統(tǒng)模型的正確性，保證了車輪與地面間良好的附著效果。李仲興等有效地解決傳統(tǒng)單氣室油氣懸架在不同載荷狀態(tài)下的動力學(xué)性能矛盾，進一步提高越野車輛的行駛性能。高曉東等結(jié)合范德瓦爾方程、油氣彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)相關(guān)理論分析了油氣彈簧溫升特性，為車輛油氣彈簧設(shè)計提供參考依據(jù)。Breytenbach等將可開關(guān)控制剛度和阻尼的雙氣室油氣懸架裝備于路虎越野車上并進行道路試驗，驗證了它能通過開關(guān)來調(diào)整懸架剛度和阻尼，改善了車輛的懸架特性。但是由于油氣彈簧懸架密封性要求嚴格、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對油液低溫性能要求較高，所以油氣彈簧懸架應(yīng)用具有局限性，而空氣彈簧懸架在任意載荷下表現(xiàn)出良好的道路友好性，獲得了廣泛的關(guān)注。Li等基于垂向和縱向動力耦合機理建立了輪轂直接驅(qū)動-空氣懸架系統(tǒng)，通過臺架試驗驗證了所提模型的有效性。Nazemian 等對全空氣懸架系統(tǒng)貨車進行了研究分析，設(shè)計建立了基于模糊PID 控制的懸架動力系統(tǒng)，提高了貨車的平順性和穩(wěn)定性。Yuan 等通過兩種不同的計算方式，驗證了基于熱力學(xué)理論建立的空氣懸架模型的精準(zhǔn)性。崔曉利對電控空氣懸架系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了對應(yīng)的PID 控制器，使得空氣懸架能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)剛度和高度。張建文等通過總結(jié)空氣懸架系統(tǒng)的特點，對其結(jié)構(gòu)型式和優(yōu)缺點進行分析，指出了電子控制空氣懸架將是未來的發(fā)展趨勢。但是上述文獻中并未研究空氣彈簧在復(fù)雜路面下的工作損耗。

通過上述文獻可知，目前研究多為獨立使用空氣彈簧替代原有機械彈簧結(jié)構(gòu)，在使用過程中多次調(diào)節(jié)彈簧內(nèi)部氣壓會加快彈性元件的損耗，使得可調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)實用性和普及性降低，尤其是對復(fù)雜路面下越野車行駛的平順性造成影響。為此，本文中首先建立空氣彈簧與螺旋彈簧并聯(lián)結(jié)構(gòu)理論模型，對并聯(lián)結(jié)構(gòu)的剛度特性進行分析；然后將并聯(lián)結(jié)構(gòu)運用到原越野車懸架系統(tǒng)上，設(shè)計出一種新型的復(fù)合型懸架結(jié)構(gòu)；接著提出一種新型工作模式切換控制策略，進一步完善復(fù)合型懸架系統(tǒng)；最后建立了復(fù)雜路面工況，并對傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)與復(fù)合型懸架系統(tǒng)進行仿真對比分析，驗證了所提出的復(fù)合型懸架系統(tǒng)在改善空氣彈簧損耗和提高平順性方面的可行性和有效性。

1 空氣彈簧方案設(shè)計

1.1 空氣彈簧模型的選擇和建立

研究表明，膜式空氣彈簧具有比囊式空氣彈簧更為理想的彈性特性。近年來隨著橡膠品質(zhì)的提升，其在汽車懸架上的應(yīng)用更為廣泛。同時對于本文中所提及的復(fù)合型懸架系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、實用性強的特點符合系統(tǒng)設(shè)計的初衷，因此本文中采用膜式空氣彈簧作為復(fù)合型懸架的彈性元件。

由于膜式空氣彈簧系統(tǒng)是一個非線性、時變、難建模的復(fù)雜系統(tǒng)，所以本文中將空氣彈簧假定為一種活塞缸式模型。這種模型僅考慮氣囊壓力與有效面積的關(guān)系，將空氣彈簧的有效面積等效成一個隨空氣彈簧高度而變化的線性函數(shù)，將其有效容積簡化成與工作高度相關(guān)的一次性函數(shù)，可得空氣彈簧力計算公式：

式中：表示氣囊內(nèi)的初始氣壓；表示初始大氣壓；表示空氣彈簧內(nèi)初始有效容積；表示任意時刻空氣彈簧氣囊的容積；表示空氣彈簧的有效容積變化率；表示空氣彈簧內(nèi)初始有效截面積；表示空氣彈簧橡膠氣囊內(nèi)有效面積變化率；表示空氣彈簧的高度變化量。

1.2 膜式空氣彈簧性能分析

根據(jù)本文中所建立的復(fù)合型懸架結(jié)構(gòu)，對比空氣彈簧的行程與汽車懸架的空余間隙，結(jié)合原有車輛機械懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，對空氣彈簧關(guān)鍵參數(shù)進行匹配，得到的某車用空氣彈簧具體參數(shù)如表1所示。

表1 空氣彈簧仿真參數(shù)

根據(jù)所建立的空氣懸架模型，選用B 級路面、60 km/h的車速為仿真工況，以某車用空氣彈簧為研究對象，得到如圖1和圖2所示的空氣彈簧剛度特性曲線。

圖1 空氣彈簧F-x特性曲線

圖2 空氣彈簧F-p特性曲線

在圖1 曲線中：空氣彈簧形變量相對位移為正時，表示壓縮；相對位移為負時，表示拉伸?？諝鈴椈傻慕^對彈力是依賴于預(yù)載荷的，當(dāng)空氣彈簧的靜態(tài)載荷增加時，彈簧的剛度會隨之增加。分析圖1可得，當(dāng)空氣彈簧氣囊內(nèi)的氣壓升高時，空氣彈簧絕對彈力的幅值也隨之增加，進而增大了空氣彈簧的剛度。因為本文中所設(shè)計的復(fù)合型懸架采用空氣彈簧與螺旋彈簧并聯(lián)的彈簧系統(tǒng)，為了減小從動工作模式下空氣彈簧對原有懸架剛度的影響，所以本文中選擇0.3 MPa 曲線作為空氣彈簧氣囊的靜態(tài)特性曲線。

空氣彈簧氣囊在工作時，其絕對垂直彈力是正值。圖1仿真所得到的是氣囊的靜態(tài)特性，圖2為靜態(tài)工作下氣囊充放氣下空氣彈簧的彈力。由于空氣彈簧具有非線性、時變性的特點，其動態(tài)特性往往無法通過理論計算和公式推導(dǎo)得出，需要通過具體實驗分析才能得到。所以本文中以靜態(tài)剛度特性-進行分析仿真，以-特性曲線為剛度和充放氣的時間關(guān)系曲線來計算半主動工作模式下電磁閥的通斷時間。

2 復(fù)合型懸架系統(tǒng)的建立

2.1 復(fù)合型懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

通過前面對變剛度懸架系統(tǒng)的調(diào)查分析可得，空氣懸架頻繁工作會影響空氣彈簧的壽命，所以本文中設(shè)計的復(fù)合型懸架采用螺旋彈簧與空氣彈簧系統(tǒng)并聯(lián)的形式，使車輛可以實現(xiàn)從動與半主動兩種工作模式的任意切換。在從動工作模式下，車輛的主要彈性元件為螺旋彈簧，在不影響乘客舒適性的情況下，被動地吸收能量緩和沖擊，將空氣彈簧的損耗量降到最低，以延長其工作壽命；在半主動工作模式下，考慮到螺旋彈簧無法在復(fù)雜工況下持續(xù)保持較好的平順性和操縱穩(wěn)定性，將車輛的主要彈性元件切換為空氣彈簧，由底盤控制單元分析當(dāng)前車輛行駛狀況并發(fā)出指令，控制進排氣閥充放氣來調(diào)整彈簧剛度，使得車輛行駛時擁有良好的平順性。由于復(fù)合型懸架具有兩套相對獨立的彈性元件，所以當(dāng)車輛在半主動工作模式下，空氣彈簧系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以將工作模式切換為從動工作模式，確保車輛懸架系統(tǒng)正常工作的同時，提高車輛的平順性、安全性和穩(wěn)定性。復(fù)合型懸架工作流程如圖3所示。

圖3 復(fù)合型懸架工作流程圖

（1）初始工作

當(dāng)車輛正常行駛時，復(fù)合型懸架工作模式調(diào)整為從動工作模式，通過分析當(dāng)前車輛行駛的路面狀況和車身加速度，對比人體舒適度指標(biāo)，在不啟動空氣彈簧系統(tǒng)的情況下，依靠車載螺旋彈簧維持車輛在普通路面下的正常工作。

（2）對比條件與工作模式的切換

復(fù)合型懸架工作模式調(diào)整為從動工作模式后，根據(jù)當(dāng)前的路面狀況和車身加速度，計算車身加速度的均方根值，對比控制器中的人體舒適度指標(biāo)，進行工作模式的保留和切換。

（3）半主動工作模式

當(dāng)懸架系統(tǒng)從動工作模式無法達到人體舒適度指標(biāo)時，將從動工作模式切換為半主動工作模式。此時整個空氣彈簧系統(tǒng)作為當(dāng)前車輛的彈性元件，懸架系統(tǒng)通過進排氣閥對橡膠氣囊進行充放氣來調(diào)整空氣彈簧的剛度，以保持車輛在惡劣路面條件下的正常行駛。同時計算從動工作模式下當(dāng)前路面狀況的評價指標(biāo)，用以對工作模式是否再次切換進行判斷。

（4）結(jié)束條件

當(dāng)車輛處于從動工作模式下，其車身垂向加速度均方根值符合人體舒適度指標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)束工作。

2.2 復(fù)合型懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

懸架的力學(xué)模型是懸架性能分析和控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，其中復(fù)合型懸架作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對它進行檢測和控制首先要了解它的固有特性，作為控制系統(tǒng)的被控對象，復(fù)合型懸架系統(tǒng)具有非線性和時變性的特點。

由于復(fù)合型懸架系統(tǒng)這一被控對象的復(fù)雜性，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時，須在模型簡化和精確度之間進行折衷，本文中采用1/4車輛的單輪懸架系統(tǒng)模型。假設(shè)兩個車身和車軸是剛體，輪胎等效為只有剛度沒有阻尼力的線性彈簧。此時，單輪模型系統(tǒng)只有垂向振動，可以描述車輛平順性性能的主要特征。為了簡化問題，暫不考慮輪胎的彈性作用及高度閥的控制作用，同時采用控制系統(tǒng)作為空氣彈簧充放氣時的變力系統(tǒng)。兩種工作模式的簡化模型如圖4 所示，其中圖4（a）為從動工作模式模型圖，圖4（b）在圖4（a）的基礎(chǔ)上加裝了變剛度空氣彈簧系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘胫鲃庸ぷ髂Ｊ健?/p>

圖4 復(fù)合型懸架模型圖

車輛的靜力平衡位置分別選擇各自的坐標(biāo)原點。從動工作模式系統(tǒng)振動微分方程可表示為

為了仿真與分析的方便，將可變剛度部分用一定范圍內(nèi)可變力代替。半主動工作模式系統(tǒng)振動微分方程可表示為

式中：m表示車輛的簧載質(zhì)量；表示車輛的非簧載質(zhì)量；k表示彈簧剛度；表示輪胎剛度；表示阻尼系數(shù)；x表示簧載質(zhì)量位移；表示非簧載質(zhì)量位移；表示路面垂向位移；表示系統(tǒng)可變力。

2.3 復(fù)合型懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的建立

為了確定復(fù)合型懸架實體參數(shù)，本文在ADAMS軟件中建立了如圖5所示的1/4 整車雙橫臂式前獨立復(fù)合型懸架實體模型。模型的具體結(jié)構(gòu)包括主銷、上橫臂、下橫臂、拉臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、車身、測試平臺和并聯(lián)彈簧系統(tǒng)等，其中約束副包括4個固定副，4個球副，2個旋轉(zhuǎn)副，1個移動副，1個點面副。

為了降低懸架研究的復(fù)雜性，將圖5 的復(fù)雜系統(tǒng)簡化為一個彈簧阻尼系統(tǒng)，排除橫擺振動、側(cè)傾振動和其他干擾，只研究豎直方向的振動。表2 為某越野車懸架和輪胎部分參數(shù)表，其中現(xiàn)有參數(shù)因為加裝了空氣彈簧使得彈簧剛度不再是一個定值，所以無法提供。

圖5 雙橫臂式前獨立復(fù)合型懸架實體模型

表2 某汽車懸架和輪胎部分參數(shù)

3 復(fù)合懸架系統(tǒng)控制策略

3.1 空氣彈簧控制策略

當(dāng)前空氣彈簧的控制策略研究已較為成熟，包括PID 控制方法、模糊控制方法和滑模變結(jié)構(gòu)方法等。與其它的控制算法相比，PID 控制算法具有算法簡單、可靠性高的優(yōu)點，且對汽車控制資源的占用較少，技術(shù)成熟成本較低易于推廣。故本文中采用PID控制策略，其控制流程如圖6所示。

圖6 空氣彈簧控制流程

首先采集車身垂向加速度和空氣彈簧內(nèi)的壓力，并在一定的采樣時間內(nèi)采用式（4）進行加速度均方根值的計算，同時與給定的目標(biāo)值比較，判斷車身垂向加速度的均方根值是否超過給定的目標(biāo)值。如果超過目標(biāo)值調(diào)用PID 控制程序，控制器根據(jù)控制方法計算輸出量得到理論剛度，接著比較理論剛度和實際剛度來決定空氣彈簧是充氣還是放氣，最后再由剛度和充放氣的時間關(guān)系曲線得到電磁閥的通斷時間，從而調(diào)節(jié)空氣彈簧氣囊內(nèi)的壓力，達到調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度的目的。

式中：表示一定的采樣時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)個數(shù)：X表示一定的采樣時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)。

考慮到不同路面等級下車身垂向加速度的趨勢相同，本文中仿真時采用D 級路面譜，越野車的行駛速度設(shè)定為60 km/h，其控制前后車身垂向加速度曲線如圖7 所示。由圖可見：在未施加控制時，車身垂向加速度均方根值為1.139 m·s；施加PID控制后下降至0.804 m·s，降低了29.41%。所以，本文中所采用的PID 控制策略能夠很好地實現(xiàn)復(fù)合懸架系統(tǒng)的控制目的。

圖7 懸架PID控制前后車身垂向加速度響應(yīng)對比圖

3.2 工作模式控制策略

本文中提出的一種工作模式切換控制方案，相較于分別獨立使用被動懸架系統(tǒng)和空氣懸架系統(tǒng)，在保證良好的平順性和操作穩(wěn)定性的同時提高了空氣彈簧的使用壽命，且可以根據(jù)駕駛員的意愿更改工作模式，滿足了駕駛員在任意道路下的期望。

首先初始化本系統(tǒng)為自動控制模式，在自動控制模式下，通過在一定的采樣時間內(nèi)進行加速度均方根值的計算，將計算結(jié)果與給定的目標(biāo)值比較，判斷車身垂向加速度的均方根值是否超過給定的目標(biāo)值。如果超過目標(biāo)值則工作模式切換為半主動工作模式，通過前面所述的空氣彈簧控制策略調(diào)節(jié)空氣彈簧氣囊內(nèi)壓力的方案，達到在當(dāng)前路面條件下提高車輛平順性和操作穩(wěn)定性的目的。如果均方根值未超過則繼續(xù)采用從動工作模式。

在本系統(tǒng)初始化后，駕駛員也可以將工作模式更改為手動工作模式，根據(jù)駕駛員的自我意識在從動工作模式與半主動工作模式之間自由切換。這種工作模式的切換極大地提高了駕駛員在行車途中的主觀能動性，且在工作模式控制策略中加裝了安全控制，當(dāng)車輛在使用主動工作模式，空氣彈簧發(fā)生故障無法調(diào)節(jié)剛度時，強制切換至從動工作模式，同時關(guān)閉手動模式下的自由切換，保證了車輛在行駛途中的安全性。

本文中設(shè)置仿真條件為D 級路面譜，越野車行駛速度設(shè)定為60 km/h，其控制前后車身垂向加速度曲線如圖8 所示。由圖可見：在未施加控制時，車身垂向加速度均方根值為1.165 m·s；施加工作模式控制后下降至0.733 m·s，降低了37.08%。因此，本文中所采用的工作模式控制策略能夠很好地實現(xiàn)復(fù)合型懸架系統(tǒng)的控制目的。

圖8 懸架工作模式控制前后車身垂向加速度響應(yīng)對比圖

4 聯(lián)合仿真和結(jié)果分析

4.1 聯(lián)合仿真工況的建立

為了有效驗證本文中所設(shè)計的復(fù)合型懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性，采用MATLAB 和ADAMS 的聯(lián)合仿真分析。表3 為國標(biāo)GB/T 4970—2009 中給出的懸架總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系。由表可知，當(dāng)加權(quán)加速度均方根值達到0.8時，人體出現(xiàn)不舒適的感覺，影響駕駛員的主觀感受。因此本文中在仿真分析時，設(shè)定加權(quán)加速度均方根值0.8 為舒適均方根值。當(dāng)加權(quán)加速度均方根值小于舒適均方根值時，采用從動工作模式；當(dāng)加權(quán)加速度均方根值大于舒適均方根值時，采用半主動工作模式。通過減少空氣彈簧在常規(guī)工況下的使用，可有效解決空氣彈簧的損耗問題，在提高懸架系統(tǒng)總體性能的同時，起到延長空氣彈簧壽命的作用。

表3 人體主觀感受表

表4 為40、60 和80 km/h 3 種車速不同路面等級下加權(quán)加速度均方根值對比，由表可見，在相同路面等級下，車速的提高使得加權(quán)加速度均方根值不斷提高，人體的主觀感受越來越差。

表4 不同路面等級下均方根值對比表

分析表4 可得，相同車速下的加權(quán)加速度均方根值會隨著路面等級的提高而降低，當(dāng)路面等級在C 級以上時加權(quán)加速度均方根值小于舒適均方根值0.8，而當(dāng)路面等級在D 級以下時加權(quán)加速度均方根值大于舒適均方根值0.8。因此，本文后續(xù)的仿真為了有效提升車輛的行駛平順性，將重點對D 級和E級路面（表5）進行優(yōu)化。

表5 路面不平度系數(shù)表 10-6 m3

為了更好地模擬出復(fù)合懸架系統(tǒng)的實際工況，體現(xiàn)復(fù)合懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性，本文中根據(jù)GB 7031—86《車輛振動輸入路面平度表示方法》中規(guī)定的路面功率譜密度的擬合表達式建立隨機路面激勵模型。采用1 階濾波帶限白噪聲的方法建立隨機路面激勵模型：

設(shè)定仿真車速為40、60 和80 km/h，建立聯(lián)合仿真的全路面等級激勵信號如圖9所示，其中0～10 s為A 級路面，10～20 s 為B 級路面，20～30 s 為C 級路面，30～40 s為D級路面，40～50 s為E級路面。

圖9 3種車速下全路面激勵信號

另外，為了體現(xiàn)本文中所設(shè)計的復(fù)合型懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性，截取C、D 和E 3 種路面等級激勵信號作為本文的仿真工況，如圖10所示。

圖10 3種車速下路面激勵信號

4.2 仿真結(jié)果分析

本文中在相同工況下分別對復(fù)合型懸架和傳統(tǒng)懸架進行仿真分析，對比同一平順性評價指標(biāo)下復(fù)合型懸架和傳統(tǒng)懸架的參數(shù)，得到如圖11～圖13 所示的平順性指標(biāo)對比圖。

圖11 40 km/h下平順性評價指標(biāo)

圖12 60 km/h下平順性評價指標(biāo)

圖13 80 km/h下平順性評價指標(biāo)

由圖11～圖13 可見，在中低車速、路面輸入為C、D、E情況下，復(fù)合型懸架在車身垂向加速度、懸架動行程和輪胎動變形3 方面的評價指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)懸架。

對比圖11～圖13中的（a）圖還可以看出，車身加速度振動幅值隨車速的增加而有明顯增加，其車身垂向加速度的振動峰值也在一定程度上有所增大。但相比于傳統(tǒng)懸架，復(fù)合型懸架車身垂向加速度的振動峰值上升幅值較小。同理對比圖11～圖13中的（b）圖和（c）圖可以看出，復(fù)合型懸架在車速提升的情況下，其振動峰值的上升幅度也明顯小于傳統(tǒng)懸架的上升幅度。

綜上所述，對比圖11～圖13，復(fù)合型懸架相比于傳統(tǒng)懸架，在車身垂向加速度、懸架動行程和輪胎動變形方面均有顯著優(yōu)勢。本文中提取了圖11～圖13的關(guān)鍵參數(shù)，列于表6中。

從表6可以看出：

表6 3種工況下兩種懸架系統(tǒng)平順性能對比

（1）復(fù)合懸架系統(tǒng)能有效改善車身垂向加速度、懸架動行程、輪胎動變形，其性能改善率分別為39.84%、49.06%、40.8%（3 種速度平均）。仿真實驗結(jié)果表明，復(fù)合懸架優(yōu)于傳統(tǒng)懸架。

（2）在不同的速度下復(fù)合懸架對于車身垂向加速度、懸架動行程、輪胎動變形性能改善率略有不同。

綜上所述，在車身垂直加速度、懸架動行程和輪胎動變形方面，復(fù)合型懸架均優(yōu)于傳統(tǒng)懸架，進而使得加裝了復(fù)合型懸架的越野車在復(fù)雜路況下保持良好的操縱穩(wěn)定性和可靠性，改善了越野車行駛的平順性。因此本文中提出的復(fù)合型懸架系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)具有更好的行駛指標(biāo)。

5 結(jié)論

本文中采用MATLAB 和ADAMS 仿真軟件，對傳統(tǒng)懸架和復(fù)合型懸架進行平順性分析，進而得出了3種車速下兩種懸架系統(tǒng)的差異，得出如下結(jié)論：

（1）對空氣彈簧結(jié)構(gòu)進行分析，設(shè)計出了一種空氣彈簧與螺旋彈簧并聯(lián)的復(fù)合型懸架系統(tǒng)，以并聯(lián)式彈簧結(jié)構(gòu)替代原有的單一彈簧結(jié)構(gòu)，延長了空氣彈簧的使用壽命，解決了空氣彈簧在復(fù)雜工況工作下的損耗問題。

（2）通過對復(fù)合型懸架系統(tǒng)進行理想化分析，得到了復(fù)合型懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將PID 控制策略和工作模式切換策略相結(jié)合，以完善復(fù)合型懸架的控制系統(tǒng)，通過對復(fù)雜工況進行仿真分析，得出了復(fù)合型懸架系統(tǒng)的平順性指標(biāo)。

（3）經(jīng)對比仿真實驗分析，驗證了所提出的優(yōu)化方案在提高復(fù)雜工況下越野車的整車平順性方面優(yōu)于傳統(tǒng)懸架方案，復(fù)合懸架優(yōu)化方案可行。

（4）在研究的過程中也發(fā)現(xiàn)，由于越野車懸架模型采用單一獨立懸架模型，故目前僅對理想化模型進行仿真分析。今后本文研究團隊將進一步對越野車復(fù)合型懸架系統(tǒng)進行深度研究，提高模型的精度和復(fù)雜程度，進而從參數(shù)匹配和控制等方面提高越野車行駛特性的準(zhǔn)確性與典型性。