汽车悬架系统平顺性分析与优化设计

丁殿龙

摘要：随着我国经济的建设，汽车工业得到了快速的发展，人们对现代汽车的各项使用性能的要求也因此不断提高，汽车悬架系统也得到了越来越多的关注。文章针对汽车悬架系统的平顺性进行了分析，针对汽车悬架系统在开发设计过程中悬架的弹性和阻尼参数的选取等问题将平顺性作为优化的目标，提出多目标优化设计方案。

关键词：汽车悬架系统；平顺性；优化设计；汽车工业；弹性；阻尼参数 文献标识码：A

中图分类号：U463 文章编号：1009-2374（2016）20-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.014

1 汽车悬架系统平顺性不确定性优化

事实上，在汽车制造的过程中往往真实的作业和测量之间存在较大的误差，这些最优化参数在后期加工中具有很强的不确定性。因此，在进行设计的过程中需要考虑到误差的影响，为此可以在设计中采用区间优化模型，对汽车的平顺性进行不确定性优化工作。

1.1 汽车平顺性优化模型

1.1.1 设计变量的选取。由于悬架弹簧和阻尼在汽车悬架系统设计中的作用，可以看出两者之间具有相互抑制的作用，因此为了保证车辆和乘员的安全统一结合就需要进行最优化设计。其中将悬架弹簧的弹性和阻尼参数作为设计的向量X：X=[K，C]其中k代表弹簧的弹性系数，C代表阻尼系数。

1.1.2 确定目标函数。通常情况下，我们将震动的物理量作为汽车行驶的平顺性的评价指标。其中以车身加速度均方根最为常用。当加速度均方根较大时往往会给人带来不舒服甚至是健康受到损坏的影响。为此，我们确立有关的目标函数：

f（X）：

1.1.3 建立约束条件。为了保证能够给驾驶带来良好的平顺性，这就需要轿车的悬架的设置相对较软，将静挠度h设置较大，同时受到结构的限制，需要对其进行合理的控制，因此在对悬架的弹性进行设计的约束为：

式中：m表示相对弹簧的等效悬挂质量；hR、hL分别表示悬架的静挠度的上、下设计极限值。

通常来说，阻尼比ζ能够用来评价震动的衰减速度的。设计区间：

式中：C标示阻尼系数；ζL、ζR分别表示阻尼比ζ的上、下约束。

由于当系统的固有频率so得到降低的时候可以有效地减小车身振动的加速度，有利于建设汽车的舒适性。需要保证固有频率满足：

式中：SOL、SOR分别为固有频率的上、下约束。悬架的限位行程[Dd]受到结构的影响不能够过大，通常维持在7～9cm之间。为了确保悬架撞击有限位块的概率不超过0.3%；同时当车轮相对动载荷大于1时，车轮会出现和地面脱离的状况带来安全隐患。当车轮相对动载较大时就会对地面造成损坏。因此就需要将车轮脱离地面的可能性降低保持在不超过0.15%的范围内。这就需要动挠度均方根和轮胎的相对动载均方根满足：

σDjd≤[Dd]/3；σFjd≤1/3

由此可以将以上公式进行整合建立汽车悬架系统平顺性的优化模型。

1.2 汽车平顺性的区间优化

在工程设计中，人们已经逐渐意识到不确定性优化的重要性。事实上，不确定性研究工作的开展并不顺利，这主要是由于传统模式下的人们主要采用对参数的概率进行分析，这就需要将大量的概率方法应用到不确定问题中，这些概率往往需要大量的随机变量测试进行分析，这就使得测试的工作量巨大成本较高完成的难度较大。此时区间数优化作为一种相对独特的不确定优化方法，只需要进行较少的测试，通过较少的数据信息确定不确定因素的上、下界，有效地实现了经济化和方便地工作完成。

1.3 汽车悬架系统振动模型区间优化的分析

接下来将本文涉及的优化方法应用到二自由度汽车悬架振动模型中进行应用。将车辆的振动模型悬架系统的参数进行设定和取值，当非悬挂物的质量为m1=40.5kg时，对四种本文主要研究的影响参数进行优化。将区间参数的不确定水平都确定为7%左右，设定相应的取值范围，建立汽车平顺性区间优化问题：

在实际运算的过程中，考虑约合的平均值，同时考虑平均值不同的影响情况。综合来看，就需要将参数的不确定性水平的增加控制，因为RPDI值的增加意味着汽车悬架系统设计的困难性增加，这就需要尽量在设计过程中和测量过程中减小测量存在的误差，将参数的不确定性控制在较小的范围内，同样我们还可以根据类似的方法对四自由度和七自由度进行设计。

2 汽车悬架系统平顺性与操纵稳定性多目标优化工作

整车的多目标优化模型的建立过程需要综合考虑到车身的质量因素以及各个轮胎的质量垂直自由度等各个因素。在这个过程中为了确保数据准确，可以利用建立数学模型的方法对此进行设计。根据相应原理列出力矩平衡的公式，并建立如图1所示模型：

在设计的过程中考虑车身的侧向力的作用，绕着侧倾轴线进行倾斜作用，同时建立相应的微分方程。

并根据这个方程建立模型，见图2。

在对整车进行布置的过程中需要通过改变稳定杆的直径来调整横向稳定杆的弹性。当线刚度已知的情况下，就可以根据相应的数值进行计算，得到悬架弹簧的倾斜角的刚度。对实际的转向系统的结构，当转向系统的输入是以角度的形式呈现时，车轮的转向的角度成为了另一个自由度。转向的系统结构设计简图，同时得到相应的公式，加以平衡。其中简图设计如图3所示：

当汽车进行正常的行驶的过程中，倾斜角较小时，角度和力呈线性关系分部。随后对相应的参数进行合理的设计，建立多目标优化模型。事实上，当车身侧倾角过大时会给驾驶员带来一定的安全隐患，因此只有正确选取车身的垂直方向的加速度值才能保证系统的安全稳定。此时，将汽车转向行驶过程中的车身侧倾角作为目标函数，同时建立目标函数：

minf1（X）=σi（X）

minf2（X）=maxφ（X）

缓和冲击和抑制振动恰好是两个对立的关系，这就需要保证汽车在正常运行的前提下，对两者进行调整。对悬架系统的弹簧的弹性和阻尼系数进行配比，保证能够稳定的运作。同时，需要引起注意的是，横向稳定杆的作用，为了防止车身在转弯时出现过大的横向的倾斜，这就需要设立相应的横向稳定杆，增加悬架系统侧倾角的刚度，降低了行驶过程中汽车的倾斜程度。针对各部分因素的不同影响，优化设计变量。

X=[k5，k6，c5，c6，φ1，φ2]

建立相应的约束条件，通过对区间分析对不确定性进行控制，建立相应的系统模型。汽车处于高速稳定下，随着车速的不断增加，侧倾角速度也随之增加，稳定时间更长，汽车更加稳定，更加具有平顺性和操纵稳定性。

3 结语

本文通过利用区间的数学分析法，建立数学模型对不确定性因素加以分析，对参数进行优化和设计，有效地提高了汽车悬架系统的平顺性和操纵稳定性。在实际操作过程中，还需要进行大量的实验进行证实，确保稳定性和安全性，给汽车发展行业带来更广阔的市场和空间。

参考文献

[1] 倪彰，王凯，鹿麟祥，等.纯电动汽车悬架系统设计与平顺性分析[J].科学技术与工程，2015，（12）.

[2] 谢慧超，姜潮，张智罡，等.基于区间分析的汽车平顺性优化[J].汽车工程，2014，（9）.