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越野车悬架系统优化与

车辆性能提升

M.Mahmoodi-Kaleibar¹, I. Javanshir², K. Asadi², A. Afkar³, A. Paykani¹

摘要正文：车辆悬架设计中有许多为了提供良好的稳定性和平顺性的折中。越野车辆悬架系统的优化是显著提高车辆操纵稳定性的最有效方法之一。

。本项研究使用ADAMS软件对越野车辆悬架系统模型进行了全面优化。采用遗传算法（GA）对悬架系统的几何参数进行了优化，提高了车辆的平顺性，操纵稳定性。在ADAMS中给出了悬架系统的优化结果以及由于路面不平度和转向角不同引起的悬架几何参数的变化，并对各种行驶工况中优化后的悬架系统和传统悬架系统进行了比较。仿真结果表明，优化后的悬架系统使车轮外倾角变化减小，从而改善了操纵性和平顺性。

关键词：优化后的悬架系统; 稳定性; 平顺性; 车辆; 双横臂悬架系统模型

一 引言车辆的平顺性和操纵稳定性是现代越野车的主要性能指标。当车辆行驶时，来自路面的振动会对平顺性以及操纵稳定性产生负面影响，甚至损坏车辆部件以及连接件。车辆悬架系统的功能是隔离车辆与与路面经轮胎传递的振动，并可将转向力传递给轮胎，以便驾驶员可以控制车辆。操纵可以看做是车辆驾驶员使用方向盘对路面输入做出的响应[1]。通过研究瞬态和稳态滑移角、横向加速度和转向时车速等参数分析不同路况下的车辆平顺性。悬架的几何构型决定侧倾中心高度、车轮外倾角和主销后倾角以及前轮前束，这会影响车辆的行驶和操纵特性。因此，包括悬架几何构型的车辆模型被用于车辆动力学研究。考虑到悬架系统的几何形状和连接，JANSEN和OOSTEN [2]使用了具有36自由度的模型。THORESSON [3]评估了优化车辆悬架系统而提高平顺性和操纵稳定性使用的数学优化算法，可以看到平顺性和操纵性的显著提高。 TANG和GUO [4]开发了一种五自由度半车辆悬架系统，并用滤波后的白噪声随机过程模拟路面不平度。遗传算法和神经网络控制被用于控制悬架系统，他们还使用ADAMS软件对五自由度半车辆悬架系统的机械动力学模型进行了仿真和分析。 BA等[5]基于先进高效的功能虚拟样机技术（FVP）和ADMAS软件，提高了使用双叉臂式悬架系统的森林巡逻消防车的性能，他们的研究表明，通过优化悬架系统，可以提高关键参数和悬架总体性能。KANG等人[6]研究了悬架系统的强度设计优化过程，使用目标级联方法改善车辆动态性能（驾驶平顺性、操纵稳定性），结果表明，给出的悬架系统设计方法是有效和系统的。NING等[7]利用ADAMS进行悬架运动学和动力学分析，以适配不同车型。 UYS等人[8]研究了在不同路面和不同速度下可使越野车辆获得最佳行驶平顺性的弹簧和阻尼器的参数，在ADAMS中建立了Land Rover Defender的全3D模型。ELS等人[9]分别研究了良好的平顺性和操纵性对悬架的要求，他们专注于研究需要良好操纵性和越野驾驶平顺性的车辆。 PANG等[10]基于ADAMS软件建立了8times;4重型车辆的时域虚拟样机模型以匹配悬架刚度，实现车辆平顺性的优化。保持操纵稳定性和平顺性是越野车设计中的重要问题。对于越野车辆而言，不同于平顺性为首要考虑因素的载客车辆，悬架系统设计的主要考虑因素是维持稳定性以及改善高度颠簸道路的操纵性和平顺性。在之前的研究中，仅仅考虑了平顺性方面的改进[11]，或者使用诸如直接转矩控制和主动转向系统等控制系统来改善车辆的稳定性和操纵性[12]，除此之外也没有考虑悬架系统的几何构型对稳定性和平顺性的影响[13]。AFKAR等[14]在ADAMS中模拟了双叉臂式悬架系统，然后通过研究在颠簸和晃动过程中车轮几何参数和定位角以及不同车辆行驶状态下的悬架系统，优化了悬架系统的机械性能和几何构型。他们发现，通过优化悬架系统的几何参数，车辆在保证驾驶平顺性的条件下可以以最小的偏差沿着某一路径保持稳定性并提升平顺性。

为了提高各种驾驶操作过程中的行驶和操纵性能，对双叉臂式悬架系统和麦弗逊悬架系统进行了比较研究，选择双叉臂式悬架系统是因为它比麦弗逊悬架系统有明显的优势。通过GA优化几何参数，研究了双叉臂式悬架系统几何参数对越野车辆操纵稳定性和平顺性的影响。 最后，利用ADAMS中的车辆综合模块对J字转向和车道变换过程的车辆动力学行为进行了仿真。

二 悬架系统几何参数

与麦弗逊式和摆臂式悬架系统等其他悬架系统相比，双叉臂式悬架系统中的悬架系统几何参数对车辆操控性和平顺性具有显着影响[14]。因此，本文研究了主要用于越野车辆的双叉臂式悬架系统的几何参数对操纵和平顺性的影响。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平顺性和车辆操纵性的影响，比较了传统双叉臂式悬架系统和麦弗逊悬架系统的性能。两种悬架系统如图1所示。

图1 和麦弗逊悬架（a）双叉臂式悬架（b）

麦弗逊悬架系统是这两种悬架系统中设计更简单的，因此，这种类型的悬架可能出现的问题会更少。而且，麦弗逊式悬架系统在水平方向上占用的空间略小，这使得前驱动轴有更多的空间穿过前部，并且允许设计更多的乘客舱空间。与任何其他类型的独立悬架相比，麦弗逊式悬架系统也相对便宜。麦弗逊式悬架系统在设计上的另一大优势是减少了非簧载质量，这不仅降低了汽车的总质量，而且这对加速度的影响大于汽车内部质量造成的影响。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性方面具有一些缺点。几何分析表明，在没有一定程度的车轮外倾角变化或侧向运动的情况下车轮无法在垂直方向上运动。通常不认为它具有与双叉臂式悬架一样好的操控性，因为它允许工程师选择外倾角变化和侧倾中心的自由更少。另一个缺点是它更容易将噪声和振动从路面直接传递到车身外壳，与双叉臂式悬架系统相比，这在行驶时将会带来更大的噪音和刺耳的感觉，这就要求制造商增加额外的降噪或隔离消音的成本。双叉臂式悬架设计有很多优点。首先，由于上臂和下臂的存在，悬架的垂直运动导致车轮负外倾角增加，这意味着转弯时外侧的轮胎可以与道路保持更好的接触，因为在车身发生侧倾时车轮负外倾增益有助于增大轮胎接触面。此外，这允许汽车在所有条件下保持较大的接触面（负外倾增益取决于上臂和下臂的长度），（转弯内侧的轮胎除外，但因为它们不提供与外轮胎一样多的转向力，这种折衷仍然会导致整体处理性能的提高）。因为当悬架垂直运动时外倾角会发生变化，所以在转弯时可能会出现适当的负外倾角，而这个负外倾角与汽车沿直线行驶时的外倾角并不相等，所以对于其他悬架系统而言，必须设计一定量的负外倾角，这使得汽车直行时也会加剧轮胎磨损。此外，系统的刚度可防止其在转弯过程中的偏斜，即使在外力作用下也能保持转向与车轮定位参数不变[15]。因此，本次研究在几何和车辆动力学方面比较了双叉臂式和优化的双叉臂式悬架系统的性能。

影响车辆转向的主要参数之一是车轮外倾角。车轮外倾角是车辆车轮的定位角度。具体而言，它是从前方或后方观察时，转向轮的纵轴与车辆的纵轴之间的夹角，它是一个转向系统和悬架系统的设计参数。如果车轮顶部比底部更远（即远离车轴），则称为正外倾，如果车轮底部比顶部更远，则称为负外倾。外倾角改变了特定的悬架设计的操纵性能。特别的是，车轮负外倾可改善转弯时的抓地力。这是因为它使轮胎与道路之间可保持更好的角度，通过轮胎的垂直平面将力传递而不是通过切平面传递。在使用双叉臂式悬架的汽车中，外倾角可以是固定的或可调节的，但在麦弗逊式悬架中，它通常是固定的。

主销后倾角是在垂直方向上测量的转向轴线的角度。它是枢轴线（在汽车中，穿过上球节中心到下球节中心的假想线）与垂线之间的夹角。

前轮前束是车轮与车辆的纵向轴线所成角度，车轮静态几何参数以及运动参数和柔度等与之有关。转向角与之相比是非对称的，即两个轮平行（大致）指向左或右。正前轮前束或前轮前束内倾是指车轮前部指向车辆中轴线，负前轮前束或称前轮束角外侧是指车轮前的指向背离车辆中轴线[16]。前轮前束可以用线性量度量，比如用轮胎前部位置或轮胎角度偏转来度量。图2示意了双叉臂式悬架系统的车轮定位参数。

改变每个悬架系统的几何参数都会影响其他的参数。当输入阶跃信号时，由于转向和车轮外倾角的存在而在轮胎上产生的力可能会对车辆的稳定性产生不利影响[17]。图3示意了三种不同条件下车轮振动引起的车轮外倾角的变化。

外束

内束

行驶方向

负后倾

正后倾

正外顷

负外倾

图2 双叉臂式悬架系统的几何参数示意图

角度负变化

角度正变化

变化前

图3由车轮振动引起的不同类型的外倾角变化

三 双横臂悬架系统的几何模型

车辆的侧倾运动通常由4自由度模型描述，如图4所示，侧倾角（Phi;）和垂直位移（z）是其反应量。其中Ieq和M分别是车辆惯量和质量。 Keq和Ceq分别是等效弹簧刚度和阻尼系数，它们是从双横臂悬架系统的动力学分析中获得的。 r，l指数分别表示半车模型中的左和右。 此外，t和s指数分别指定轮胎和悬架。

图4 半车动力学模型[18]

为了研究几何参数对车辆平顺性的影响，如图1所示，对于具有短 - 长臂悬架（SLA）的双叉臂式悬架系统，考虑由于车辆侧倾和轮胎垂直偏移（凸起）引起的外倾角的变化，如图3所示。它的理想最佳状态是在当上臂比下臂短并且外倾角为负时[19]。为了确定车轮振动时的外倾角，我们应该确定与C点的垂直运动相关的车钩角的变化。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[20]

图5显示了双横臂悬架系统及其几何参数，其中a，b和c是双横臂悬架连杆的长度，theta;4，theta;3，theta;2标明了它们的位置方向。另外，alpha;是车钩角。根据图5，当双叉臂式悬架系统的臂初始角度为theta;40，theta;30和theta;20时，悬架系统处于动力学平衡状态。外倾角gamma;定义为theta;30-theta;3。根据图5，可以基于车轮高度位移获得theta;3：

（1）

式中：

（2）

(3)

(4)

通过公式（1）至（4），可获得基于车轮与悬架系统几何构型的外倾角的变化。图6为表示了后倾角和转向角偏差 的双叉臂式悬架系统的正视图和侧视图。

侧视图

正视图

图6 双叉臂式悬架系统正视图和侧视图[21]

如图6所示，转向轴轴线在点（sa，sb，-Rw）处与车轮与地面的接触面相交，有公式（5）至（7）：

（5）

（6）

（7）

因此，可以基于与外倾角相关的悬架几何参数获得后倾角变化量、转向角偏差量和轮胎磨擦量。

四 使用GA优化双叉臂式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。这种启发式算方法通常用于生成优化问题和搜索问题的有用解决方案。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（如继承，变异，选择和交叉）生成优化问题的解决方案。遗传算法应用于生物信息学，系统发育学，计算科学，工程学，经济学，化学，制造，数学，物理学和其他领域。典型的遗传算法需要解域的遗传表示和适应度函数来评估解域。

表1表示了用于优化双叉臂式悬架系统几何参数的GA参数。为了使用GA进行优化，应定义目标函数，变量和目标函数约束。由于车轮振动引起的车轮外倾角变化可以通过确定磨损最小时的车轮外倾角的方式进行优化。为此，外倾角变化和悬架几何参数的变化范围分别被认为是GA中的目标函数和约束。表2给出了越野车悬架系统几何参数的优化结果。

10000

单交叉点

自适应变异/0.2%

轮盘赌

成比例

双精度向量

种群函数

进化世代数

标度函数

选择函数

突变

组合交叉

参量类型

表一：GA参量设置

参量

值

值

参数名

参数名

表2：越野车悬架系统的几何参数优化

五 结果与讨论

为了研究、优化如图7所示的系统的振动特性，将双叉臂式悬架系统在ADAMS中建立模型。图8为在垂直偏移40mm的轮胎凸起以及一定侧倾输入下轮胎偏转时的悬架系统的等效机构，通过它可以在车辆行驶和操纵时有效地测量优化的悬架系统的几何参数。

图7 双叉臂式悬架系统模型

图8 ADAMS中双叉臂式悬挂系统的等效模型：（a）轮胎垂直偏移;

（b）侧倾输入

优化后外倾角的变化结果如图9所示。很显然，当车轮垂直偏移或侧倾角增加时，车轮外倾角为负，这表明了车轮具有朝向车辆外部的趋势及其不稳定的特性。可以看出，优化了双叉臂式悬架系统的车辆具有更好的操纵性和稳定性，与道路车辆相比，越野车辆的车轮外倾角变化更小

资料编号：[5004]