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道路车辆悬架设计、动力学及控制
摘要：本文概述了道路车辆悬架设计、动力学和控制方面的最新进展，并结合作者在车辆行驶、操纵和稳定性方面的观点。讨论了道路车辆悬架动力学和设计的一般方面，然后描述了路面粗糙度的激励，特别是路面凹坑。从平面布置和整车布置两方面介绍了被动悬架系统的设计及其对道路车辆动力学和稳定性的影响。同时也回顾和讨论了刚性可调悬架。本文总结了一些潜在的研究课题，特别是与混合动力和电动汽车的发展相关的课题。
关键词:道路车辆悬架系统;悬架设计;车辆/悬架动力学
介绍
悬架设计在过去的几十年中得到了广泛的探索，在很大程度上提高了道路车辆的行驶平顺性、操控性和安全性。下一代道路车辆的主要趋势之一是采用混合动力或全电动的替代动力系统和推进系统，为减少化石燃料消耗和满足更严格的排放和安全标准提供可行的解决方案。这对底盘设计、布局和系统集成提出了重大挑战，从而也对车辆/悬架动力学和悬架设计产生了相当大的影响。此外，在车辆开发中广泛使用的虚拟样机还需要对车辆系统的基本原理(包括车辆/悬架动力学和悬架设计)有更深入的了解。
《车辆系统动力学杂志》关于“未来道路车辆的先进悬架系统和动力学”的特刊汇编了悬架设计、动力学和控制的最新进展，以应对与下一代道路车辆发展相关的挑战。本文提出了编辑的观点，并对现有的道路车辆悬架设计、动力学和控制文献进行了简要的最新调查。本文主要研究的是不同的悬架设计方案，包括滚面、俯仰面和整车，以及相关的车辆动力学和稳定性。摘要广泛使用的四分之一车辆悬架系统，可以看作是假设道路输入相同，左右车轮载荷分布对称的侧倾平面布置的特例。不同类别的道路车辆对每一种平面内悬架布置都有不同的要求，因此对整车悬架系统也有不同的要求，这一点将在本文的后面进形体现和讨论。
一般来说，一个典型的汽车悬架系统有三个基本要素，包括弹簧、阻尼和车轮的位置。前两部分将是本文的重点，后两部分涉及悬架几何、运动学和柔度(Kamp;C)也将进行简要讨论。相比,大量的文献悬架弹性装置和阻尼,只有非常有限的研究出版物的悬架几何和c,和相关的车辆动力学和稳定性,通常要求复杂的分析和验证车辆系统模型和支持从大量的实验数据和/或测试。这些因素妨碍了这方面的技术出版物。因此，从文献上对不同类型的道路车辆独立悬架系统进行全面的技术综述和讨论还比较缺乏。
本文首先对车辆/悬架动力学和悬架设计进行了一般性讨论，并对随机路面粗糙度分布和路面凹坑等路面激励特征进行了表征。然后讨论了无源平面和全轮悬架结构及其相关的性能和动力学。介绍了可控悬架的设计及相关课题，并对其进行了简要概述。考虑了一些潜在的研究课题。
车辆/悬架动力学和悬架设计概述
关于道路车辆悬架设计、动力学和控制的文献表明，尽管在车辆建模中使用的轴系存在一些差异，但在术语上具有良好的一致性。这种多样性也反映在两个标准中对轴系的不同定义上，SAE(汽车工程师协会)J670e[1]和ISO(国际标准化组织)8855[2]。2008年，SAE车辆动力学标准委员会(VDSC)更新并替换了J670e(1976)的旧版本，以适应车辆动力学和悬架设计方面的新技术，并使其定义与目前在[3]领域的使用一致。最新的术语标准(通常称为SAE J670标准)包含了J670e(1976)和ISO 8855(1991)中为车辆/悬架设计和动力分析定义的两个坐标系。但这两种坐标系的共存会给车辆动力学专业人员和实践者进行有效的通信带来一定的不便。因此，SAE和ISO之间的合作在未来是非常可取的，未来的标准只采用两种坐标系统中的一种。
虽然SAE J670(2008)中定义的车辆动力学术语仅适用于两轴轿车和轻型卡车以及拉动单轴拖车的车辆，但其中许多术语可以方便地扩展到重型车辆。ISO 8855(1991)还包括有关多轴和车辆单元的重型商用车的附加术语。SAE J670(2008)不包括与人类感知全身骑行振动有关的术语，这些术语可以在ISO标准ISO 2631[4]等其他文件中找到。值得注意的是，iso2631 -1(1997)建议的频率范围为0.5至80hz，以评估振动对人体整体健康、舒适度及知觉的潜在影响。该范围较车辆动力学研究通常考虑的频率(高达20hz)大得多。因此，当应用ISO 2631-1(1997)基于低阶车辆动力学模型和悬架-座椅-驾驶员模型，对采用备选子系统设计的道路车辆进行平顺性评价时，频域差异是合理的。
在过去的几十年里，汽车悬架的研究、开发和设计，特别是客车悬架的研究、开发和设计，都作出了重大的努力。这些改进包括更加先进和复杂的被动悬架，能够在车辆行驶和操控之间提供更好的折中方案，并适应前轮驱动车辆和更低外形、更符合空气动力学的车辆的底盘要求。正如许多出版物所反映的，最近的进展还包括各种有控制的暂停(例如半主动暂停和主动暂停等)。虽然可控悬架具有显著的性能优势，但目前主流的道路车辆悬架系统仍处于被动运行状态。空气弹簧可与共乘高度调平系统集成，以保持几乎恒定的簧载质量固有频率，而不受负载变化的影响。这种空气悬架系统通常被认为是一种被动系统。
随着对整车动力学和稳定性要求的不断提高，以及混合动力和电动乘用车的快速发展，可以推动各种控制悬架系统的实施，并将其整合到乘用车的整车控制中。虽然商用车行业在采用新型悬架技术方面较为保守，但驱动这种适应的因素可能有几个，包括对运行效率、车辆安全和驾驶员舒适度/健康的矛盾需求，扩大市场份额的激励，以及安全与道路友好性的立法。具有平整度的空气弹簧有望得到越来越多的应用。然而，这种悬架系统表明簧载质量固有频率与悬架高度直接耦合，无法在不同负载条件下实现理想的阻尼调谐。更先进的悬架技术，如具有簧载质量固有频率、悬架高度和阻尼独立调谐的自适应空气/气动悬架，可能提供一种可行的解决方案。
与道路车辆和悬架动力学的一般主题相关的出版物综述可在[5-14]中找到。Segel[5]和Crolla[6]提供了道路车辆动力学发展的全面回顾，以及与它们在车辆中的实际实施相关的问题。Crolla很好地强调了悬架对提高车辆性能和安全性的作用。在另一项研究中，Sharp[7]对影响车辆性能和主观感受的车辆动力学研究进行了深入的讨论。这三篇文章提供了更好地回答“什么是车辆动力学?”最近，Ammon[8]和Lutz等人[9]从汽车行业的角度，提出了车辆动力学的发展，强调建模/仿真和相关的充气轮胎建模的挑战。SAE VDSC目前正在开发一些与轮胎建模和测试相关的SAE标准，主要是为了给汽车行业提供更好的指导，使其能够在车辆还处于设计阶段时，使用动态仿真工具，更准确地预测车辆的动态性能。
Gillespie[10]从设计的角度讨论了与重型车辆行驶动力学相关的主题。在最近的一篇文章中，Griffin[11]回顾了人类对车辆振动的感知及其测量、评估和评估。Cebon[12]概述了重型商用车辆对路面荷载的影响，特别是悬架在这方面的作用，并提出了重型车辆悬架的设计准则和建议。温克勒[13]介绍了与重型车辆侧翻动力学相关的基本方面。El-Gindy[14]概述了在北美开发的一套基于安全的性能措施，旨在从设计和监管的角度促进它们在提高重型车辆动力学和安全性方面的使用。
这些文章提出了悬架设计在车辆动态性能、主动安全性和道路友好性方面的重要作用。文献[15-22]对不同车型的悬架设计和调优进行了一般性讨论。Williams[15,16]讨论了道路车辆主动悬架的理论和实践方面。Alexander[17,18]通过提供悬架系统开发的实例，展示了悬架设计的好处。[19-22]中讨论了与重型车辆悬架设计相关的主题。Quaglia和Sorli[23]在尺寸建模和分析的基础上，提出了气动悬架(包括空气悬架)的通用设计方法。Smith和Walker[24]以及Cao等[25,26]讨论了被动悬架在控制道路车辆横摇和俯仰耦合动力学中的作用。后者提出了一种通用方法来设计和调整用于重型车辆的被动互连油气悬架系统，同时该方法也可以应用于其他类别的道路车辆以及越野车辆。
文献[27-29]针对悬架设计中存在的性能指标冲突，探索并提出了基于多目标优化的悬架系统的系统设计流程。它们也为优化过程的鲁棒设计提供了一种方法[28,29]。其他研究[30-32]将公理设计理论[33]应用于悬架设计中，以实现车辆性能特征的增强。研究了半实物仿真技术在悬架开发中的应用，并对替代悬架设计[35]的经济性进行了评价。
在过去的25年里，发表了几篇关于车辆和悬架动力学的调查文章[36-46]。分别在[36]和[37]中对道路车辆的侧倾动力学和道路友好性进行了评述。Palkovics和Fries[38]综述了商用车辆的各种先进底盘系统及其在提高车辆交通安全方面的潜在好处，而Schuette和Waeltermann[39]则对车辆动力学控制开发的半实物仿真进行了调查。每隔几年定期审查悬架设计，特别是受控悬架系统[40(1987)，41(1991)，42(1995)，43(1997)，44(2004)，45(出版)]。在[46]中对重型车辆独立悬架系统进行了综述。
现有的文献表明，在乘用车和商用车的常规车辆动力学和悬架的许多方面都作出了相当大的努力。然而，几乎没有证据表明混合动力和电动汽车的动力相关。到目前为止，它们在很大程度上已被视为具有与传统道路车辆相同的基本特征。一个例外是beker和Vachenauer[47]对不同传动系统架构对车辆底盘设计的影响进行了简要讨论，包括悬架系统和车辆动力学。为有效发展混合动力和电动汽车的底盘/悬架系统、各种车辆控制和动力管理系统，应进一步研究混合动力和电动汽车的基本动力学。
路面激励
道路车辆动力学通常是在车辆-道路相互作用产生的方向机动和激励下进行评估的，尽管其他激励源的影响，如空气动力学、轮胎/车轮组件、传动系统和发动机，可以为车辆的发展提供证据。由此可知，路面粗糙度引起的激励主要影响车辆的行驶舒适性，而车辆的操纵动力学和横摇/方向稳定性主要在转向和/或制动/牵引机动下进行评估。在确定悬架的振动空间和评估车辆的拦路性能时，路面激励也受到关注。具有讽刺意味的是，路面平整度是车辆设计工程师和驾驶员控制能力最低的输入。因此，改善对道路轮廓特征的理解对于底盘和车辆开发[48]至关重要。虽然路面轮廓的时间历程通常被用作分析车辆模型的输入，但路面粗糙度的一般特征是其功率谱密度(power spectrum density, PSD)[49-52]。文献[49,53]中也讨论了人工生成随机道路的时间历程以及越野路面的粗糙度分布[49,53]。
路面粗糙度分布的PSD通常用垂直位移和/或相对于波数的加速度来表示。路面高程幅值随着波数的增加而减小，而波数的增加使得路面平整度加速度幅值增大[10,54]。对于滚面车辆动力学而言，左右两个轨道上的激励相干性也是一个重要的影响因素。结果表明，相干性在大波数和小波数下分别趋于零/统一。Cole[20]还指出，在典型的高速公路速度下，簧载质量横摇模态的激发态不如垂直模态，并提出了利用二维俯仰面模型进行重型车辆行驶动力学分析的可行性。
另外,随机路面不平度的辊偏转特性沿左和右跟踪配置文件也可以被描述的PSD roll-displacement比垂直位移,在辊位移是指左和右轮之间的高差,和垂直位移表示的平均海拔(10,49岁,54)。结果表明，在小波数条件下，车辆的横摇位移量远小于垂直位移量;在波数较大时，横摇与垂直PSD比趋于统一，表明横摇模式激励与垂直模式在波数较大时的激励具有可比性[10,49,54]。已有研究表明，典型商用车的横摇模式一般比弹跳模式软，因此在大波数[10]时弹跳模式响应占主导地位。Gillespie[10]将此与美国出版物中对重型车辆行驶平顺性评估中没有侧摇和侧振的情况联系起来。这与Cole提出的将俯仰面模型用于重型车辆行驶动力学分析[20]的建议是一致的。然而，在采用更硬的防滚杆[54]的重型车辆行驶动态评估中，滚振不可忽略。此外，簧载质量的侧倾模态振动对驱动座的横向振动有较大的贡献，其中，根据ISO 2631-1[4]的建议，纵向振动的权重系数为1，而纵向振动的权重系数为1.4。当选择车辆模型来评估重型车辆的行驶振动时，这些因素应该是合理的。
Cao等人在考虑轴距滤波效应的情况下，进一步扩展了对俯角平面随机路面粗糙度剖面的刻画。仿真结果表明，在考虑轴距滤波效应和不考虑轴距滤波效应的情况下，随机路面轮廓的特征存在显著差异。车辆轴距对降低车辆所受垂直模态路面激励具有正向滤波作用，而降低水平受荷载分布的影响较大，荷载分布均匀时垂直模态路面激励降低幅度最大。本文后面将对轴距滤波效果和俯仰面车辆动力学及悬架设计进行更多的讨论。
道路车辆的隔振特性主要是在随机路面轮廓和/或谐波激励下进行评估，而冲击隔振特性通常是在瞬态路面输入(如坑洞)下进行研究。随机道路轮廓通常用PSD来描述，道路车辆的平顺性振动性能通常用PSD响应和均方根值(root-mean-square, rms)来评估。虽然人体全身振动暴露的评价是基于频率加权的rms加速度，但如ISO 2631-1[4]所示，当振动峰值因子小于或等于9时，这种评价方法通常是足够的。ISO 2631-1还指出，对于某些类型的振动，特别是那些包含偶然冲击的振动，即使峰值因子小于9，这种方法也可能低估了不适的严重程度。因此，建议采用运行rms法或第四次功率振动剂量值法(VDV)等其他评价方法。
虽然各种路面坑洞模型已用于道路车辆动力学仿真研究和替代悬架设计概念，但冲击隔离性能通常是根据簧载质量的峰值加速度响应来评估的。虽然不同的冲击激励模型对单自由度(DOF)系统的影响已经用冲击响应谱(SRS)[55]进行了研究，但很少有人研究各种坑洞模型对道路车辆动力学的影响。此外，也有人指出，尽管大家都熟悉道路坑洞，但尚未发展出描述其严重程度的一般方法[48]。
文献中对道路坑洼有不同的定义，包括:
(1)“坑洞可以定义为路面材料的局部损
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资料编号：[920]
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