提高车辆性能的越野车悬架优化外文翻译资料

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提高车辆性能的越野车悬架优化

摘要：车辆悬架设计包括一系列的妥协，以提供良好的稳定性和乘坐舒适性。越野汽车悬架系统的优化是一种最有效的方法，可以大大提高车辆的稳定性和操控性。本文中，用ADAMS软件对一个越野车悬架系统模型进行了全面的优化。利用遗传算法对悬架系统的几何参数进行了优化，使汽车的乘坐舒适性、操纵性和稳定性得到改善。用ADAMS得到了悬架系统优化后的结果和由于路面的粗糙度和不同的转向角度引起的几何参数变化，并将优化后的和传统的悬架系统在各种驾驶试验中的结果进行了比较。仿真结果表明，优化后的悬架系统外倾角的变化减少，从而提高了操控性和乘坐舒适性。

关键词:优化悬架系统;稳定性;乘坐舒适性;车辆;双横臂悬架系统模型

1引言

车辆平顺性和操纵稳定性是现代越野车的主要性能指标。当车辆处于运动中时，路面的振动会对行驶平顺性、操纵稳定性和汽车行驶速度产生不利的影响，从而损坏车辆零部件。车辆悬架系统的目的是将车辆从路面传递给轮胎的不舒适的振动中隔离开，并将控制力传递给轮胎，以便驾驶员能够保持对车辆的控制。操控性可以表示为车辆对驾驶员通过方向盘给出的输入的响应。通过研究车辆参数，如滑动角、横向加速度、车辆的瞬态和稳态转弯速度等，进行车辆经过不同路径的行驶平顺性分析。悬架系统的几何结构可以显著地改变侧倾中心高度，外倾角和前束角的数值，从而影响乘坐舒适性和操控性。因此，车辆模型，包括悬架几何模型被用来研究车辆动态。Jansen和Oosten就悬架系统的几何形状和连接点采用了一个36自由度的模型。Thoresson评价说，数学优化算法在汽车悬架系统优化的中的使用，使乘坐舒适性以及操控性得到显着的改善。唐和郭开发了一套五自由度的半车身车辆悬架系统，并将路面粗糙度的强度模拟为一个过滤后的白噪声随机过程。遗传算法和神经网络控制被用来控制悬架系统。他们还使用ADAMS模拟和分析了五自由度半车身车辆悬架系统的机械动力学模型。BA等人基于先进高效的功能虚拟样机（FVP）技术和软件ADAMS，改进了森林消防巡逻车悬架的双横臂悬架系统（DW）的性能。结果表明，通过优化悬架系统，可以改善关键参数和悬架整体性能。康等人研究了利用目标级联法改善车辆动态性能（乘坐舒适性、操纵稳定性）的悬架系统稳健设计优化方法。结果表明，该悬架系统的设计方法是有效的，系统的。宁等利用ADAMS分析了悬架平顺性的运动学和动力学对不同车辆的适应性。UYS等人研究发现确定的弹性元件和阻尼器的设置将确保一辆越野车在不同路面和不同速度具有最佳的乘坐舒适性。一个陆虎卫士的全三维模型在ADAMS中被开发出来。ELS等人的研究显示悬架分别需要良好的平顺性和操控性。他们专注于那些既要求有良好的道路操控性，又要求有良好的越野平顺性的车辆。庞等人建立了一个基于动力学软件ADAMS的8x4重型车辆的时域虚拟样机模型，用来匹配悬架刚度，实现车辆平顺性的优化。

运动控制、稳定性维护和乘坐舒适性是越野车设计中的重要问题。越野车不同于乘用车把舒适性放在第一位，悬架系统设计的主要目标是稳定性维护，提高在剧烈颠簸道路上的操控性和乘坐舒适性。在以往的研究中，只考虑乘坐舒适性的改善，或是采用直接转矩和主动转向系统等控制系统来提高车辆的稳定性和操控性。此外，也没有考虑悬挂系统的几何结构和类型对稳定性和乘坐舒适性的影响。Afkar等人在ADAMS中模拟了双横臂悬架系统，并通过研究各种车辆试验中颠簸和侧倾输入下的车轮和悬挂系统的几何参数和角度，优化了悬架的机械和几何结构。他们发现，通过优化悬架系统的几何参数，车辆可以以最小偏差遵循目标路径，并实现稳定性维护和乘坐舒适性条件的改善。

为了提高车辆的平顺性和操控性水平，在各种试验中进行了双横臂悬架系统和麦弗逊悬架系统之间的比较研究。由于比麦弗逊系统有更多理想的优点，双横臂悬架被选择了。此外，通过遗传算法优化几何参数，先后研究了双横臂悬架系统几何参数对越野车操控稳定性和行驶舒适性的影响。最后，用ADAMS对车辆综合建模，进行车辆调头和变更车道试验过程中的动态行为仿真。

2悬架系统几何结构

相比其他悬架系统如麦弗逊和摆系统，双横臂悬架系统中的悬架系统几何结构，对车辆的操控性和驾乘舒适性有显著影响。因此，我们研究了主要用于越野车的双横臂悬架系统的几何参数对操控性和乘坐舒适性的影响。影响悬架系统几何参数和车辆性能的另一个重要因素是悬架系统的类型。为了研究悬架系统类型对车辆的乘坐舒适性和操纵性的影响，我们对传统的双横臂悬架系统和麦弗逊悬架系统的性能进行了比较。图1所示为所研究的悬架系统。

图 1双横臂悬架系统和麦弗逊悬架系统的机械结构

这两种悬架设计中麦弗逊系统更简单，因此，这类悬架较少出现故障。另外，麦弗逊系统占用更少的空间，它允许更多的空间来让前驱动桥通过车辆前部，也允许更多的车厢空间。相比其他类型的独立悬架，麦弗逊系统也相对便宜。麦弗逊设计的另一大优势是降低了簧下质量，这不仅降低了汽车的总质量，对加速性的影响也比降低车身质量更大。虽然因为它的简单性和低制造成本，这是一个流行的选择，但此设计在车辆乘驾质量和操控性上有一些缺点。几何分析表明，它不允许没有一定程度的外倾角变化或横向运动的车轮做垂直运动。通常认为它不能像双横臂悬架系统那样给予良好的操控性，因为它给工程师较小的余地来自由选择外倾角变化和侧倾中心。另一个缺点是，它往往将噪声和振动从道路直接传递到壳体，相比双横臂悬架有较高的噪声水平和乘驾生硬感，这要求制造商增加额外的降噪措施或消除和隔离机制。

双横臂悬架设计有相当多的优势。首先，由于上、下横臂的长度，悬架垂直运动的结果是负外倾角增加。这意味着，在转弯时，外侧轮胎能更好的接触道路，因为随着车身侧倾而出现的外倾角增益，有助于确保轮胎与路面的接触面尽可能大。同时，这让车辆在任何条件下（除了转弯时内侧的轮胎，但因为他们比外侧轮胎提供较少的侧偏力，权衡之后的综合结果还是有益于操控性）与路面都保持一个较大的接触面（上、下臂的具体长度确定有多少外倾增益）。因为外倾角随着悬架垂直运动而变化，在转弯时可能有适当的、与车辆直线行驶时不同数值的外倾角。而对其他系统，即使车辆直线行驶，你也必须设定一个数值确定的永远存在的负外倾角，这将导致轮胎磨损加剧。同时，系统的刚度防止了车辆在急转弯是发生偏移，这使转向和车轮定位即使在高负载下也保持恒定。因此，在本文中，我们对双横臂悬架系统和优化后的双横臂悬架系统有关几何参数和车辆动态变量的性能进行了比较。

影响车辆指向性的一个主要运动学因素是外倾角。外倾角是由车辆的车轮产生的。具体而言，它是从前往后看时，转向轮的垂直轴与车辆垂直轴之间的角度。它被用于转向和悬架的设计。如果车轮的顶部比底部远（即远离轴），外倾角为正；如果车轮的底部比顶部远，外倾角为负。外倾角改变了特定悬架设计的操控质量。尤其是，负外倾角可以提高转弯时的抓地力。这是因为它把轮胎设定在一个更好的角度，通过轮胎的垂直平面传递力，而不是通过一个穿过轮胎的剪切力。使用双横臂悬架的汽车，车轮外倾角可以是固定的或可调的，但在麦弗逊悬架中通常是固定的。

主销后倾角是车辆纵向方向上转向轮悬架垂直轴的角位移。这是轴心线（在汽车中通过上球头中心和下球头中心的一个假想的线）和垂直线之间的夹角。

前束角作为一个具有运动和兼容效应的静态几何函数，是每个车轮与车辆的纵向轴线之间的对称夹角。这可以与转向的反对称角相比，即两边车轮都平行（大致上）指向左或右。正前束角，即内束，是指车轮前端指向车辆中心线。负前束角，即外张，是指车轮前端远离车辆中心线。前束可以以轮胎前端的距离来测量，也可以作为一个角偏转来测量。图2所示为双横臂悬架系统车辆的几何参数。

负主销后倾角

正主销后倾角

外张

内束

行驶方向

正外倾角

负外倾角

图 2双横臂悬架系统车辆的几何参数

改变悬架系统的各参数会对其它参数有影响。当输入阶跃函数时，由转向和外倾角在轮胎上产生的力可能对车辆的稳定性产生不利影响。图3示意性地描述了在三种不同条件下由于车轮振动引起的外倾角变化。

平衡状态

负向位移

正向位移

图 3不同类型的车轮振动引起的外倾角变化

。

3双横臂悬架系统的几何模型

在侧倾平面上车辆的动态运动一般是由一个四自由度模型描述的，如图4所示。侧倾角（Phi;）和垂直位移（z）作为输入。I_eq是和M分别是车辆的惯量和质量。K_eq和C_eq分别是等效刚度和阻尼率，由对双横臂悬架系统进行运动和受力分析得到。在半车模型中，l和r分别表示左和右。此外，t和指s分别代表轮胎和悬架。

图 4半车模型

根据图3，在长短臂式悬架（SLA）中，为了研究几何参数对车辆平顺性的影响，要考虑由于车辆的侧倾和轮胎的垂直偏差（颠簸）引起的外倾角变化。理想的条件是上横臂短于下横臂且外倾角为负。要确定车轮波动时的外倾角，我们应该确定耦合角的变化，作为耦合点C的垂直位移z的函数。悬架几何参数如图5所示。

图 5双横臂悬架系统及其几何参数

图5显示了双横臂悬架系统及其几何参数，其中a，b，c 是双横臂悬架杆件长度，theta;₄，theta;₃，theta;₂指定其方位。同时，是耦合角。根据图5，当初始角度为theta;₄₀，theta;₃₀，theta;₂₀时，悬架系统处于一个动态平衡状态。外倾角（）定义为(theta;₃₀-theta;₃)。根据图5，theta;₃可以基于车轮位移高度得到，

(1)

式中，

(2)

（3） (4)

联立方程式（1）至（4），可得基于车轮几何和悬挂系统的外倾角变化。图6说明了双横臂悬架系统主销后倾角（phi;）和转向角偏差（theta;）。

转向轴

转向轴

主视图

侧视图

图 6轮胎的几何主视图和侧视图

如图6所示，转向轴延长线与轮胎地面接触面交于方程式（5）至（7）所示的点（s_a，s_b，-R_w）。

(5)

(6)

(7)

由此，可基于与外倾角相关的悬架几何规格得到主销后倾角变化、转向角偏差和轮胎侧偏的规律。

4利用遗传算法对双横臂悬架系统几何参数的优化

遗传算法（GA）是一种模拟自然进化过程的启发式搜索算法。这种启发式算法通常用来为优化和搜索问题生成有用的解决方案。遗传算法属于进化算法大类，它利用自然进化所启示的技术，如遗传、变异、选择、交叉等，对优化问题生成解决方法。遗传算法在生物信息学、系统学、计算科学、工程学、经济学、化学、制造、数学、物理等领域均有应用。典型的遗传算法需要一个解决方案域的遗传编码，以及一个合适的函数来评估解决方案域。

遗传算法参数可用以优化双横臂悬挂系统几何参数，如表1所列。为了使用遗传算法进行优化，目标函数、变量和目标函数约束应被定义。由于车轮振荡引起的外倾角变化可以用一种使摩擦减少，且在一个特定高度时最小的方式进行优化。为了达到这个目的，外倾角变化和悬架几何参数的变化范围在遗传算法中分别作为目标函数和约束条件。表2给出了越野车悬架系统几何参数的优化结果。

表 1遗传算法参数

表 2优化后的越野车悬架系统几何参数