探討轉向工況下如何提升車輛ISD懸架性能

曹成欣

摘 要：在轉向工況下，分析車輛ISD 的形式性能問題，建立整車動力學模型，通過遺傳算法求解車輛ISD 懸架參數(shù)。通過前輪轉向角躍對車輛的轉向性能指標進行分析。車身垂直加速度均方根減小16.5%左右，側傾角減小24.1%，仰角減小了18.2%。因此應用車輛ISD懸架，能夠明顯提升轉向工況下汽車的行駛性能，包括車身垂直加速度、俯仰擺動、側傾擺動以及橫擺等問題，還能夠明顯改善汽車行駛安全性。

關鍵詞：轉向工況;車輛ISD懸架性能;提升策略

慣容器在提出之后，該設備的隔震潛力已經(jīng)在火車懸架和車輛懸架上得以驗證。通過新型機械隔振網(wǎng)絡元件已經(jīng)被廣泛應用到被動車輛懸架結構當中，并且多數(shù)學者都比較關注慣容器、彈簧和阻尼器的組成問題。車輛ISD 懸架結構的出現(xiàn)，有效彌補了主動懸架和半主動懸架成本高以及能源消耗大的問題，有助于提升車輛被動懸架的性能。然而當前研究成果主要局限于1/4車輛懸架模型和半車模型當中，很少涉及到全車模型。對于轉向工況的整車模型研究比較少。所以，此次研究選取4個元件所組成的車輛ISD 懸架，建立基于轉向工礦的整車動力模型，并且通過遺傳優(yōu)化算法獲取車輛懸架的元件參數(shù)，并且基于 前輪轉向躍角輸入情況下，對整車動態(tài)系統(tǒng)進行分析。

1 建立基于轉向工況下的整車動力學模型

建立包含轉向工況的動力學模型時，必須做好簡化處理工作。首先不考慮轉向系數(shù)的影響，將前輪轉角作為輸入。不考慮汽車行駛過程中滾動阻力和空氣阻力的影響，各懸架彈簧和阻尼均為線性關系。將車輛前進方向設置為X軸，質心指向設置為Z軸，駕駛員左側為Y軸。建立整車轉向模型圖，如圖1，圖2所示。

其中：m表示整車質量;Ix、Iy、Iz分別表示側傾、俯仰、橫擺轉動慣量;v表示行駛車速;β表示質心側偏角，表示車身橫擺角速度;表示俯視角;表示后輪至質心的距離。

圖3表示懸架結構采用四個元件所組成的車輛ISD懸架，可以看出，車輛ISD懸架包括k1主彈簧、k2副彈簧、b慣容器，c阻尼器組成。副彈簧并聯(lián)于阻尼器，之后串聯(lián)與慣容器，并聯(lián)到主彈簧中。

2 轉向工況下車輛ISD懸架性能參數(shù)優(yōu)化

為了確保車輛ISD 懸架參數(shù)滿足實際應用需求，需要通過遺傳優(yōu)化算法求解。在求解期間，可以將一般車型參數(shù)作為模型參數(shù)，具體見表1。

將遺傳優(yōu)化算法的種群設置為45，進化代數(shù)設置為98，將優(yōu)化設計變量設置為慣質系數(shù)、主彈簧剛度、阻尼系數(shù)、副彈簧剛度，按照懸架適用性條件、元件屬性，對不同優(yōu)化變量的參數(shù)進行規(guī)定：其中，主彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;副彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;慣質系數(shù)為100kg/1000kg;阻尼系數(shù)為1000N/m-1-3000N/m-1。

為了防止在優(yōu)化期間，車輛行駛概況對懸架撞擊限位產(chǎn)生限制性影響，必須約束懸架動撓度、車輪動載荷。針對懸架動撓度約束，懸架動撓度標準差應當小于或者等于車輪跳動的限位行程。提示懸架動撓度大于限位行程的發(fā)生率在0.3%左右，所以車輪跳動的限位行程取值為8cm。針對車輪動荷載約束，車輪動荷載的三倍均方根值應當小于或者等于車輛靜載。此次研究所選取的車輛靜載為4500N，所以車輪跳離地面的發(fā)生率為0.3%左右。

將汽車的行駛速度控制在每秒20m，在平整路面上行駛。路面輸入模型采用積分白噪聲時域模型，則有：

其中：Q（t）表示車輛的路面位移;v表示行駛速度;表示下截止頻率;G0表示路面粗糙系數(shù);W（t）表示積分白噪聲。

在Matlab中編寫程序時，利用群遺傳算法獲得優(yōu)化懸架結構，表2為優(yōu)化參數(shù)結果。

3 轉向工況下車輛ISD懸架性能仿真分析

在仿真期間，確保汽車直線行駛和路面輸入模型不變，給原有輪轉表輸入π/12的角階躍，以此獲得汽車車身俯視角。

為了全面展現(xiàn)出車輛ISD 懸架有助于提升轉向工況下的汽車性能。需要在仿真工況下，比較分析車輛傳統(tǒng)懸架、ISD 懸架的性能指標。

車輛ISD懸架的車身垂直加速度減小16.5%，峰值減小約1.4%。表明車輛ISD懸架能夠對車身垂向振動起到抑制效果。車身俯仰角的均方根值減小18.2%，峰值減小28.2%，表明車輛ISD懸架能夠對車身俯仰振動起到抑制效果。車身側傾角的均方根值減24.2%，峰值減小0.1%，表明車輛ISD懸架能夠對車身側傾振動起到抑制效果。車身橫擺角速度的均方根值減小1.9%，峰值減小-1.5%，表明車輛ISD懸架能夠對車身橫擺起到抑制效果。從上述分析能夠看出，通過應用車輛ISD懸架，可以明顯提升轉向工況下，汽車的各項性能，包括車身垂直加速度、俯仰擺動、側傾擺動以及橫擺等問題，還能夠明顯改善汽車行駛安全性。

4 結論

綜上所述，此次研究基于轉向工況下，建立了汽車整車動力學模型。通過對前輪轉向角階躍輸入情況下的汽車動態(tài)性能進行分析，能夠得到以下結論：（1）按照懸架適用性條件、元件屬性，對不同優(yōu)化變量的參數(shù)進行規(guī)定：其中，主彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;副彈簧系數(shù)的參數(shù)范圍為1×104-4×104N/m-1;慣質系數(shù)為100kg/1000kg;阻尼系數(shù)為1000N/m-1-3000N/m-1。（2）在轉向工況下，通過應用車輛ISD懸架，可以明顯改善汽車的行駛性能，車身俯仰角的均方根值減小18.2%，峰值減小28.2%;車身垂直加速度減小16.5%，峰值減小約1.4%;側傾角的均方根值減24.2%，峰值減小0.1%;車身橫擺角速度的均方根值減小1.9%，峰值減小-1.5%。提示汽車在轉向工況下，可以減小垂直加速度、側傾擺動、橫擺以及俯仰擺動等，應用效果比較顯著。希望通過此次研究分析，可以為相關人員起到一定的參考價值。

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