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1介绍
车辆的行驶舒适性和操纵稳定性是现代越野车的主要性能。当车辆行驶时，来自路面的振动会对乘坐舒适性，操纵稳定性和自动车速产生负面影响,并且也会损坏车辆零部件。车辆悬架系统的作用是将车辆与路面传递的振动隔离开，并将控制力传递到车轮，这样，驾驶员就能控制汽车。汽车的操纵性能可以表示为车辆对驾驶员通过方向盘给出的输入的响应。通过研究在瞬态和稳态下的滑移角，横向加速度和车辆转向速度等车辆参数，分析车辆在不同道路上的平顺性。悬挂系统的几何形状能显著地改变旋转中心高度，外倾角，内倾角以及影响行驶和操纵特性的前轮前束和外倾角。因此，包括悬架几何形状的车辆模型被用于研究车辆的动力学。JANSEN和OOSTEN使用了一个具有包括悬架系统几何形状以及连接部件36个自由度的模型。THORESSON使用数学优化算法优化车辆悬架系统的乘坐舒适性和操控性，并这也显著提高了操纵稳定性和行驶舒适性。唐和郭开发了一个由遗传算法和神经网络控制的五自由度半身车辆悬架系统并且模拟道路粗糙度强度作为过滤白噪声随机过程。他们还利用ADAMS对车辆悬架系统五自由度半体的机械动力学模型进行了仿真分析。BA等人基于先进而高效的功能虚拟样机（FVP）技术和ADMAS，改进了巡逻森林火灾车辆中的双横臂（DW）悬架的性能。这些研究成果表明，通过优化悬架系统，可以改善关键参数和总悬架性能。康等人利用目标级联方法研究了提高车辆动态性能（平顺性，操纵稳定性）的悬架系统的稳健设计优化过程。结果表明这种悬架系统设计方法是有效和系统化的。宁等人使用ADAMS对不同车辆悬架平顺性的运动学和动力学进行分析。UYS等研究了正确的弹簧和阻尼器设置将确保越野车辆在不同的道路轮廓和不同的速度下获得最佳的乘坐舒适性。在这项研究中，他们通过ADAMS开发了路虎卫士的全3D模型。ELS等分别研究了良好的乘坐舒适性和良好的操控性对悬架的要求。他们的研究目标为需要良好的路面操控性以及良好的越野行驶舒适性的车辆。 PANG等基于动态软件ADAMS建立了8times;4重型车辆的时域虚拟样机模型，以匹配悬架刚度和实现车辆平顺性的优化。
运动控制，稳定性保持和平顺性是越野车辆设计中的重要问题。与强调乘坐舒适性至关重要的乘用车不同，越野车悬架系统设计的主要目标是维持稳定性，改善高颠簸路面的操控性和乘坐舒适性。在以前的研究中，仅考虑了乘坐舒适性的改善，或者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。并且悬架系统的几何形状和类型对稳定性和乘坐舒适性的影响没有被考虑。AFKAR等在ADAMS中对DW悬架系统进行建模，然后通过研究在不同车辆操纵过程中车轮和悬架系统的几何参数和角度来优化悬架系统的机构和几何结构。他们发现，通过优化悬架系统的几何参数，车辆能够以最小的偏差沿着目标路径,并且保持稳定性和改善乘坐舒适性。
研究DW和麦弗逊悬架系统之间的比较，以提高各种操作策略中的行驶和操纵水平。选择DW系统是因为它比麦弗逊系统具有的优势。本文通过遗传算法优化几何参数，研究DW悬架系统的几何参数对越野车辆操纵稳定性和乘坐舒适性的影响。最后，利用ADAMS中的车辆综合建模，进行车辆在J转弯和车道变换机动过程中的动态行为仿真。
2悬挂系统几何形状
与其他系统如麦弗逊和摆系统相比DW系统中的悬挂系统几何对车辆操纵和乘坐舒适性有显着影响。因此，本文研究了主要用于越野车辆的DW悬架系统的几何参数对处理和平顺性的影响。影响悬架系统几何参数和汽车行驶的另一个重要因素是悬架系统类型。为了研究悬架系统类型对乘坐舒适性和车辆操纵性的影响，比较了传统DW和麦弗逊悬架系统的性能。图1显示了研究的悬架系统。
麦弗逊系统是两种悬架设计中较简单的一种，因此，这种类型的悬架可能会出现问题的情况较少。另外，麦弗逊系统水平占用的空间稍小一些，这为前驱动桥提供了更多的空间
图1双横臂式与麦弗逊式悬架机械结构
穿过前部，并且有更多的乘客舱空间。与任何其他独立悬架类型相比，麦弗逊系统相对便宜。麦弗逊式设计的另一大优势是减少了簧下质量，这不仅减少了汽车的总质量，而且簧下质量对汽车加速度的影响大于车身质量。虽然它是一种流行的选择，但由于其简单性和低制造成本，该设计在乘坐质量和汽车操纵方面存在一些缺点。几何分析表明，如果没有某种程度的外倾角变化，横向移动，轮胎将没有竖直方向的移动。它通常不会像DW悬架那样提供良好的操控性，因为它允许工程师选择外倾角变化和滚转中心的自由度较小。另一个缺点是，与DW相比，它倾向于将来自道路的噪音和振动直接传递到车身外壳，从而产生更高的噪音和糟糕的驾驶体验，这要求制造商增加额外的降噪和隔离机构。
DW悬架设计有很多优点。首先，由于上臂和下臂的长度，垂直的悬架运动会增加负外倾角。这意味着转弯外侧的轮胎与道路保持更好的接触，因为车身侧倾发生的负外倾增益有助于确保轮胎的接地面积尽可能大。此外，这样可以让汽车在所有条件下都能保持较大的接触面积（上臂和下臂长度精确度决定了车身外倾增益的大小）（转弯内侧的轮胎除外， 但因为他们没有提供与外部轮胎一样多的转弯力量，这种折衷仍然导致了驾驶性能性能的整体提供）。因为在有垂直悬架运动时外倾角会发生变化，所以在转弯时可以具有适当的负外倾角，而在汽车沿直线前进时不会有相同的外倾角，而在其他系统中，你将不得不拨动一定量的负外倾角，这些外倾角即使在汽车直行时也会一直存在，这会导致轮胎磨损增加。此外，该系统的刚性可防止在转弯过程中发生偏转，即使在应力作用下，也能保持转向和车轮对中不变。因此，在这篇论文中，比较了原 DW悬架系统和优化后的DW悬架系统几何参数和车辆动态变量的性能。
影响车辆导向的主要运动因素之一是外倾角。外倾角是由车辆车轮决定的角度。具体而言，从前方或后方观察时，用于转向的车轮的垂直轴与车辆的垂直轴之间的角度。它用于转向和悬架的设计。如果车轮顶部比底部远（即远离车轴），则称为正弧度，如果车轮底部比顶部远，则称为负弧度。外倾角改变了特定悬架设计的操纵质量。尤其是，转弯时负弯度会提高抓地力。这是因为它使轮胎与道路成一个更好的角度，通过轮胎的垂直平面传递力，而不是剪切力。在带有DW悬架的汽车中，外倾角可能是固定的或可调整的，但麦弗逊悬架中，它通常是固定的。
后倾角角度是从纵向测量的车辆中转向车轮的悬架的垂直轴线的角位移。它是支点线（在汽车中，一条穿过上部球形接头中心到下部球形接头中心的假想线）与垂直线之间的角度。
内倾角是每个车轮与车辆的纵向轴线所成的对称角度，用来表达静态几何结构，以及运动学和顺应效应。这可以与转向相反，内倾角是一种不对称角度，即两个轮子平行（大致）指向左侧或右侧。正内倾角或车轮内束志向车轮的前部，指向车辆中心线。负内倾角或轮胎外倾指出车轮的前部，指向远离车辆中心线的地方。内倾角可以以用轮胎前方的线性单位或角偏转来测量。图2显示了DW悬架系统的车辆几何参数。
图2双横臂悬架的几何参数
改变悬架系统的每个几何参数都会影响其他参数。 对于阶梯函数输入，由于转向和外倾角在轮胎中产生的力可能对车辆的稳定性产生不利影响[17]。 图3描绘了由三种不同条件的车轮振动而引起的外倾角变化。
3双横臂悬挂系统的几何模型
图3 车轮振动产生不同类型的外倾角 图4 半车模型
如图4所示，车辆在转动平面上的动态运动一般用四自由度模型来描述。滚动角（Phi;）和垂直位移（z）被视为输入。 和M分别是车辆的惯性和质量。 和分别代表双愿骨悬架系统的运动学和力学分析的等效刚度和阻尼率。 r，l指数分别表示半车模型中的左侧和右侧。此外，t和s分别指定轮胎和悬架。
为了研究几何参数对车辆行驶舒适性的影响，根据图3，对于具有短臂悬架（SLA）的DW悬架系统考虑了由于车辆侧倾和轮胎垂直偏转（凸起）引起的外倾角的变化。期望和最佳状态是上臂比下臂短，外倾角为负。为了确定车轮波动期间的外倾角，我们应该确定耦合器角度的变化，作为耦合器点C的垂直运动z的函数。悬架几何参数如图5所示。
图5 双横臂悬架系统和其几何参数
图5显示了双愿骨悬挂系统及其几何参数，其中a，b和c是双愿骨悬挂连杆的长度，并且指定它们的方位位置。另外，是耦合器的角度。根据图5，悬架系统处于动态平衡状态，此时悬架系统的悬臂系统的初始角度为.外倾角()定义为（）。根据图5，可以根据车轮的位移高度获得。
（1）
其中
（2）
（3）
（4）
通过结合等式 （1）至（4），获得了基于车轮几何形状和悬架系统的外倾角变化。 图6显示了用于后倾角角度（）和转向角偏差（）。
图6轮胎几何参数的主视图和侧视图
如图6所示，方向轴沿着方向切割车轮与地面的接触面（sa ，sb，-Rw），如方程（5）至（7）所示。
（5）
（6）
（7）
因此，可以基于与外倾角有关的悬架几何规格来获得后倾角变化，转向角偏差和轮胎滑移。
4利用GA优化DW悬架系统的几何参数
遗传算法（GA）是一种模仿自然进化过程的搜索启发式算法。这种启发式方法通常用于生成优化和搜索问题的有用解。遗传算法属于更大类的进化算法（EA），它使用受自然进化启发的技术（如遗传，变异，选择和交叉）产生优化问题的解决方案。遗传算法可用于生物信息学，系统发生学，计算科学，工程学，经济学，化学，制造，数学，物理学等领域。典型的遗传算法需要求解域的遗传表示和求解域的适应度函数。考虑用于优化DW悬架系统几何参数的GA参数，如表1所列。为了使用GA进行优化，应该定义目标函数，变量和目标函数约束。由于车轮振动引起的外倾角变化可以通过减少摩擦并在特定高度将其最小化来优化。为此，分别将外倾角辩护和悬架几何参数的曲率变化范围分别视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 表2
5结果和讨论
为了研究设计优化/振动系统的性能，如图7所示，在ADAMS中对DW悬挂系统进行建模。然后，图8描绘了悬架系统的等效机构，其具有用于轮胎垂直偏转40mm和滚动的凸起和滚动输入，以便有效地测量优化的悬架系统在车辆行驶和操纵上的几何参数。
图7 双横臂悬架的模型 图8 ADAMS中DW悬挂系统的等效机构：（a）凸起; （b）滚动输入
优化外倾角的变化如图9所示。很明显，当车轮在通过颠簸时变高或者滚动角增加时，外倾角为负值，这表明车轮趋向车外并且其不稳定性。可以看出，与道路车辆相比，越野车辆的外倾角变化较低，这表明具有优化的DW悬挂系统的车辆的更好的操纵性和稳定性。
图9 由于凸起（a）和车辆侧倾（b）引起的外倾角变化
如图9所示，外倾角变化与坐标轴部分对称。此外，很明显，随着隆起高度或侧倾角的增加，外倾角增大，这导致车轮向外倾斜并且其不稳定性。这里提出的优化方法导致了外倾响应的轻微增加，对车辆的行驶和操控产生了有益的影响。另外，由于最佳悬架外倾角范围的减小，轮胎力的变化减小。因此，车辆可控性提高并且轮胎磨损减少。
由于颠簸和车辆滚动输入变化导致的悬架系统控制臂的变化和灵敏度表示在图10和11中。
图10颠簸过程中下控制臂沿三个方向的位移 图11由于滚动，上控制臂沿三个方向的位移
在图10中，在x方向和y方向上比较撞击输入期间DW悬架上部（PART-2）和下部（PART-4）臂的运动。在这种情况下，显然下臂在y方向上没有位移.
由于滚动输入，DW悬架的上臂和下臂沿x，y和z方向移动。图11显示，在滚动条件下，x方向上的上臂和下臂保持固定。图12描绘了基于前左和右侧悬架的车辆纵向动力学（加速和制动）的不同车辆横摇的外倾角变化。换句话说，它分别显示了由于侧倾输入引起的外倾角变化的影响，在加速或制动状态下，车辆分别在纵向俯仰。在车辆低的情况下，左侧和右侧悬架的外倾角分别具有最小量和最大量。此外，可以观察到，通过增加侧倾角或隆起高度，左侧和右侧悬架的外倾角变化以相同的速率增加，并且通过增加纵向动力学中的车辆俯仰角，外倾角增加但其变化保持恒定。如图12所示，所有俯冲角度的外倾角与侧倾角的变化大致为线性。
图12由于滚动和纵向动态引起的外倾角变化
在本节中，对车辆动力学进行仿真在两种策略中进行响应。在第二阶段，通过在ADAMS中对整车进行建模，模拟结果显示，在干道内初始纵向速度为30 m / s时，车道偏离目标车道时的横向偏离，加速度，横向和转向速度（偏航速率）如图13所示，用并且GA，试错法和未修改的悬架系统进行优化。
图13 J转弯和换道机动情况下的干负荷模拟结果：（a）J转机动路径; （b）J转机动时车辆横向偏差变化; （c）J转机动时的横向速度变化; （d）J型转弯机动时的横向加速度变化; （e）在J型转弯机动中转动速度变化
显然，具有未改变的悬架系统的车辆导致较高的横向速度和加速度，这导致行驶期间存在不稳定性和相当大的误差。然而，通过改进悬架系统并通过遗传算法进行优化，车辆横向动力学得到改善，并
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