越野车悬架系统的优化设计外文翻译资料

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越野车悬架系统的优化设计

摘要

汽车悬架设计需要考虑许多方面，以使汽车有良好的操纵稳定性和乘坐舒适性。显著提高越野车的稳定性和可控性最有效的方法之一即是对悬架系统进行优化。本文运用软件ADAMS对越野车悬架系统模型进行综合优化。为改善车辆的乘坐舒适性、操纵性和稳定性，本文使用遗传算法优化悬架系统的几何参数。然后基于ADAMS，通过改变路面不平度和转向角，分析优化后悬架系统的状况及其几何参数的变化，并比较在各种驾驶操作期间优化后悬架系统与优化前悬架系统的区别。仿真结果表明，优化后的悬架系统使车轮外倾角变化减小，可以改善汽车操纵性和乘坐舒适性。

关键词：悬架系统优化；稳定性；行驶平顺性；车辆；双横臂悬架系统模型

1. 引言

汽车的行驶平顺性和操纵稳定性是现代越野车辆的两种主要性能。当汽车行驶时，来自路面的振动会对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和车速产生不利影响，从而也可能损坏车辆零部件。悬架系统的作用是将路面通过轮胎传递到车身的令人不舒适的振动隔离，并将控制力传递回轮胎，使得驾驶员能够保证车辆处于控制之中。操纵性可以用驾驶员通过方向盘输入时车辆的响应状况来表示。本文通过研究车辆在瞬态与稳态工况下的侧偏角、侧向加速度和横摆角速度等参数的变化，对不同路面下的汽车平顺性进行了分析。悬架系统几何形状的不同会导致侧倾中心高度、车轮外倾角以及车轮前束的区别，从而影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性。因此，常将悬架系统模型置于整车模型上研究汽车动力学。在参考文献[2]中，JANSEN和OOSTEN考虑到悬架系统的几何结构特点以及各零部件的连接关系建立了一个具有36个自由度的悬架系统模型。文献[3]中，THORESSON使用数学优化算法对悬架系统进行优化，使得行驶平顺性和操纵稳定性得到提高。文献[4]中，TANG和GUO建立了一个具有五个自由度的半车身的悬架系统，并将路面不平度建模作为经过滤的白噪声随机过程，最后运用ADAMS对此模型进行仿真分析。文献[5]中，BA等人基于先进和高效的功能虚拟原型（FVP）技术和软件ADMAS，提高了森林消防巡逻车辆双横臂悬架的性能。这表明，可以通过修改关键参数和悬架系统总特性来改进悬架系统。文献[6]中，KANG等人利用目标级联方法研究悬架系统的坚稳设计优化过程，以改善车辆动态性能（行驶平顺性，操纵稳定性）。结果表明，文中所提出的设计方法是有效且系统的。文献[7]中，NING等人利用ADAMS分析悬架运动学和动力学对不同车型的适应性。文献[8]中，UYS等人在ADAMS中建立一个路虎防御者三维模型，并设计合适的弹性元件和减振器，以保证此越野车在不同路况与不同车速下有最佳的行驶平顺性。文献[9]中，ELS等人研究良好的乘坐舒适性与良好的操纵性分别对悬架系统的要求，以便研究出乘坐舒适性和操纵性均良好的越野车。文献[10]中，PANG等人基于软件ADAMS建立某8times;4重型车的时域虚拟样机模型，以匹配悬架刚度并实现汽车行驶平顺性的优化。

操纵稳定性和行驶平顺性是越野车设计过程中应重点考虑的问题。越野车与以考虑乘坐舒适性为首的乘用车不同，越野车悬架系统设计应主要考虑稳定性，在高度颠簸的道路则应考虑同时改善其操纵性和乘坐舒适性。在过去的研究中，越野车的设计只考虑改善乘坐舒适性，或使用控制系统如应用直接转矩和主动转向系统来改善车辆的稳定性。除此之外，没有考虑悬架系统的几何形状和类型对汽车稳定性和行驶平顺性的影响。文献[14]中，AFKAR等人利用ADAMS建立双横臂悬架系统，然后通过研究汽车在颠簸路面上行驶进行不同操纵时车轮和悬架系统的几何参数和角度的变化情况来优化悬架系统的结构和几何形状。他们发现，通过优化悬架系统的几何参数，汽车可以在遵循具有最小偏差的目标路径上稳定行驶条件下，改善行驶平顺性。

为了能在各种操纵状况下提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，需对双横臂悬架系统和麦弗逊式悬架系统进行对比分析，以选择合适类型的悬架系统。选择双横臂悬架系统是因为其相对于麦弗逊式悬架有着更令人满意的优点。此外，利用遗传算法优化双横臂悬架系统几何参数以提高越野车的操纵稳定性和行驶平顺性更方便。最后，使用ADAMS对整车模型进行J形转弯和车道变更操作期间车辆动态特性进行模拟仿真。

1. 悬架系统的几何参数

与其他悬架系统如麦弗逊式和Pendulum悬架系统相比，双横臂悬架系统的几何结构对汽车的操纵性和行驶平顺性有更显著的影响。因此，对于常用双横臂悬架系统的越野车，要研究其操纵性和行驶平顺性需要研究双横臂悬架系统的几何参数对其性能的影响。此外，另一个影响悬架系统几何参数及整车性能的重要因素即是悬架系统的类型。为了研究悬架类型对汽车操纵性和平顺性的影响，需比较双横臂式悬架和麦弗逊式悬架之间的性能区别。两种悬架的结构特点如图1所示。

图1 双横臂悬架系统与麦弗逊式悬架系统的典型机构

麦弗逊式悬架系统设计较双横臂悬架系统设计更简单，因此，麦弗逊式悬架系统可能出现的问题较少。此外，麦弗逊式悬架在水平方向上占据较少的空间，这导致前驱动轴前端有更多空间，可使汽车的乘客舱空间更大。而且，与其他类型独立悬架相比，麦弗逊式悬架的成本较低。麦弗逊式悬架系统的另一个巨大优势是减少了非簧载质量，这不仅使汽车的总质量减少，而且对汽车的加速度有更大的影响。由于其简单性和低制造成本，麦弗逊式悬架系统是一个不错的选择，但其在行驶的质量和操纵性上有几个缺点。几何分析表明，在没有一定程度的外倾角变化或侧向运动时，车轮不能进行垂直运动。因为它限制了工程师对外倾角度的变化范围和侧倾中心位置的选择，一般认为它不具有与双横臂悬架同样好的操作性。另一个缺点是它将噪声和振动从路面直接传输到车身壳体中，与双横臂悬架相比，乘客承受了更大的噪声，令人不舒服的感觉更明显，因此需要制造商增加额外的降低、消除或隔离噪声的机构。

相比于麦弗逊式悬架，双横臂式悬架有许多优点。首先，由于其上下臂长度的关系，悬架上下运动会导致负外倾角增加。这意味着转弯时外侧的轮胎会与路面有更好的接触，因为随着车体侧倾而使得负外倾角增加有助于使轮胎的接地面积尽可能大。此外，这使得汽车在所有条件下（除了转弯时内侧的轮胎之外，但是由于其没有提供与外侧轮胎一样大的侧向力，总体来说，仍然导致操纵性的提高）保持较大的接地面积（外倾角增益的多少取决于上臂和下臂的确切长度）。由于当悬架垂直运动时外倾角的变化，与汽车沿直线行进时的外倾角不同，在转弯期间汽车可能存在适当的负外倾角，对于其他悬架系统，即使汽车直行，负外倾角的大小一直不变，这将导致轮胎磨损的增加。此外，具有合适刚度的悬架系统可以防止汽车在突然转弯期间的偏离，这使得即使在有压力的状态下在转动方向和车轮定位保持恒定。因此，本文将对具有相关几何参数和车辆的动态变量的双横臂悬架优化前和优化后的性能进行比较。

影响车辆行驶方向的主要运动学因素之一是车轮外倾角。外倾角是由汽车车轮产生的角度。具体来讲，当从汽车前方或后方观察时，转向车轮的垂直轴线与汽车的垂直轴线之间的角度即是外倾角。它用于转向系统和悬架系统的设计。 如果两车轮的顶部之间的距离比底部更远（即远离车轴），则称为正外倾角，并且如果车轮的底部之间的距离比顶部更远，则称为负外倾角。外倾角影响特定悬架设计的操纵性。负外倾角在转弯时可改善抓地力。这是因为它使轮胎和路面间有合适的角度，通过轮胎的垂直平面传递力，而不产生剪切力。 在安装双横臂悬架的汽车中，外倾角可以是固定的，也可以是可调的，但在安装麦弗逊式悬架的汽车中，其通常是固定的。

主销后倾角是在纵向方向上测量的汽车转向车轮处悬架的垂直轴的角位移。 它是主销轴线（在汽车中，穿过上球节中心到下球节中心的假想线）和地面垂直线之间的角度。

图2 双横臂悬架系统的几何参数

车轮前束是汽车前轮或后轮与车辆的纵向轴线形成的对称角，可利用静态几何学和运动学推导出来。这可以与汽车转向时，即两转向轮基本平行地指向左或右进行对比，而前束两轮偏转方向不同。正前束是指车轮的前端指向车辆的中心线。负前束则是指车轮的前端指向远离车辆的中心线。前束可以以线性单位定义，也可用角偏转量来定义。 图2显示了双横臂悬架系统的相关几何参数。

改变悬架系统的每个几何参数都将影响其他参数。以阶跃函数作为输入，分析显示由于转向和外倾角的存在使得轮胎的受力状况可能对车辆的稳定性有不利的影响。图3表明了在三种不同条件下由于车轮摆动引起的外倾角变化。

3.双横臂悬架系统的几何模型

车辆在滚动面中的动态运动通常由如图4所示的4自由度模型描述。车身侧倾角（Phi;）和垂直位移（z）作为是输入。其中Ieq和M分别是汽车惯性和质量。Keq和Ceq分别是根据双横臂悬架系统的运动学和力分析获得的等效弹簧刚度和阻尼系数。l和r分别表示半车模型中的左和右。 此外，t和s分别指轮胎和悬架。

图3 因车轮振动产生不同类型的外倾角 图4 半车模型

为了研究悬架几何参数对车辆平顺性的影响，根据图3，对于两摆臂不等长的双横臂独立悬架，需要考虑由于车身侧倾和轮胎垂直偏转（路面不平时）引起的外倾角的变化。当上臂短于下臂并且外倾角为负时最为合适。 为了确定在车轮运动期间的外倾角大小，我们应该将耦合点角度的变化作为耦合器点C垂直位移z的函数。悬架的几何参数如图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结构及其几何参数，其中a，b和c是双横臂悬架连杆的长度，且theta;₄、theta;₃和theta;₂确定了各连杆的方向。另外，alpha;是耦合点的角度。如图5所示，当悬架各臂之间的角度为初始角度theta;₄₀、theta;₃₀和theta;₂₀时，悬架系统处于动平衡状态。外倾角gamma;可由（theta;₃₀-theta;₃）得到。由图5可知，theta;₃可基于车轮位移高度由下式得到

其中

综合方程 （1）至（4），可分析出车轮几何形状和悬架系统与车轮外倾角的变化状况之间的关系。 图6显示出用于表示主销后倾角（）和主销内倾角（theta;）的双横臂悬架系统的正视图和侧视图。

图6 车轮的正视图和侧视图

如图6所示，转向轴延长线与地面的交点到车轮中心的距离用S_b、S_a和R_w表示。计算公式如下

因此，可以根据与车轮外倾角相关的悬架几何参数分析主销内倾角、主销后倾角和轮胎磨损状况。

4.运用遗传算法优化双横臂悬架系统

遗传算法（GA）是一种模拟自然进化过程的搜索启发式算法。 此启发式算法常用于搜寻问题和生成优化的解决方案。遗传算法属于更大类的进化算法（EA），进化算法是使用由自然进化启发的技术（例如遗传，突变，选择和交叉）产生经过优化的解决方案。遗传算法应用于生物信息学，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通过解域的遗传表示和适应度函数来评估解域。

用于优化双横臂悬架系统几何参数的遗传算法参数，如表1所示。为了使用遗传算法进行优化，应该定义目标函数，变量和约束条件。可以以在指定高度处轮胎磨损最小化为最终目标来优化由于车轮摆动引起的车轮外倾角变化。 为此，外倾角变化与悬架几何参数的变化范围分别作为遗传算法中的目标函数与约束。 越野车悬架系统的几何参数的优化结果如表2所示。

表1 遗传算法参数

表2 越野汽车悬架系统几何参数优化

5.结果与讨论

如图7所示，为了研究经优化设计后的汽车振动状况，在ADAMS中对双横臂悬架系统进行建模。然后，建立了以颠簸路面或车身侧倾为输入使轮胎

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