汽车悬架性能优化与操纵稳定性分析

郭卫卫

郑州宇通客车股份有限公司 河南省郑州市 450000

1 引言

在汽车设计中，操纵稳定性汽车不可或缺的一项性能，不仅关系着汽车的操纵便利性，还关系着汽车行驶安全性。然而，在汽车设计中，悬架几何特性、整车质心所在位置、轮胎的力学特征等，都影响着汽车的操纵稳定性。目前，传统设计操纵稳定性的方式已经无法满足需求，且耗费成本较高，部分极限工况无法实现[1]。计算机网络的普及，基于网络的虚拟仿真技术一经出现，满足操纵稳定性需求的同时，节省了成本，提高了效率。基于此，文章基于该技术探讨了汽车悬架的性能优化以及操纵稳定性。

2 汽车虚拟仿真技术的应用

2.1 虚拟样机的建模。虚拟样机作为一种新技术，是计算机的新概念，当前，我国在虚拟样机技术的研究上仍处于发展阶段。在样机建模前，因对模型结构进行明确，同时，掌握各个构件间的约束关系，将真实实物的模型简化，以此得到真实的模型参数。之后，相关人员可利用适当的软件展开建模工作。其中，虚拟样机的模型建立过程如图1所示。

2.2 模型建立的具体步骤。在汽车模型建立中，因ADAMS软件具有强大的分析能力、求解能力，且能够与便捷的用户界面有机结合，对此，文章模型建立选择该软件。首先，对汽车各子系统建立template模板文件，并依照模板文件建立subsystem子系统文件。其次，将各个子系统进行装配，构成整车模型，并建立文件assembly。最后，在不同研究中，编写不同控制文件，对整车的仿真计算进行有效控制。

图1 虚拟样机模型建设流程图

ADAMS软件的应用，为用户提供了以服务能够建立并修改模版的界面，模版身为子系统基础，模版模式过程如下：（1）对物理模型进行简化。因为，实车的部件处于相对运动关系，在模型简化中，仅需要确定部件拓扑结构，将不存在相对运动关系的构件作为一个部件。（2）硬点确定。硬点主要是指部件布置、部件连接的几何定点，硬点确定直接影响着部件构成。（3）动力学的参数确定。在利用部件构成整车模型时，掌握各个部件动力参数，有利于提高模型构建的质量，对此，计算部件质心、绕质心、质量等坐标轴在坐标系中的转动惯量，保障模型的悬架性能。（4）几何体的创建。主要是以硬点作为基础，在其上建立部件几何体。（5）对约束进行定义，工作人员可依照部件间的运动关系，对约束类型进行确定，为子系统的结构模型构建提供帮助。（6）对模版的参数变量与制动器进行定义。在子系统中，运动、位置、几何尺寸等的修改非常常见，对此，对参数的变量进行定义，对于标准界面的调整非常重要。制动器主要用来对子系统内的各个部件间的力与运动传递进行定义。（7）通讯器的定义与测试[2]。

3 前悬架的模型与优化

基于参考车型的悬架参数，通过对模板的几何参数、力学特性、物理参数等合理调整，建设双横臂的前独立悬架。添加转向系统以及试验台的子系统，构成前悬架的仿真系统，具体如图2所示。

在对前悬架模型进行仿真试验中，应将悬架装配相应参数输入其中，保障仿真试验的顺利展开，装配参数具体包含有：轮胎模型参数、簧载质量参数、轮距、驱动力参数、制动力分配、质心高度等。据仿真结果可知，模型前轮的前束角已经超出合理范围，应对该部分优化，提高悬架性能质量，增强汽车的操纵稳定性[3]。对前悬架模型的灵敏度进行分析，发现11个坐标值影响较大，通过对坐标值调整、优化，并利用优化之后的硬点坐标值，第二次展开仿真试验，对优化前与优化后的参数构成曲线进行对比，如图3-6所示，在图中，实线为参数未优化的曲线，虚线是优化后参数构成的曲线。

图2 前悬架的仿真系统

由下述四个曲线图可知，在优化之前，车轮跳动范围在-100mm到100mm之间时，前轮的外倾斜角发生变化，变化范围在-2.8°到1.3°，在（-2°——0.5°）/50mm这一适应的变化范围内。在同样的车轮跳动范围内，主销的内倾角在8.3°到13°之间变化，通常，选取的范围多在7°-13°之间，而在同样车轮跳动范围，主销的后倾角由5.4°逐渐达到5.8°，变化范围不大，符合车轮跳动要求。在车轮跳动范围0-100mm过程中，前轮的前束角在-1.7°到0°变化，超过了规定的变化范围-1°-0°，不符合规范。

图3 前轮的外倾角曲线

图4 主销的内倾角曲线

图5 主销的后倾角曲线

图6 前轮的前束角曲线

在优化之后，车轮跳动范围在-100mm到100mm之间时，前轮的外倾斜角发生变化，变化范围在-2.4°到1.2°，趋势平缓。在同样的车轮跳动范围内，主销的内倾角在7.2°到11.5°之间变化，变化范围相应降低，而在同样车轮跳动范围，主销的后倾角处于静平衡，由5.4°减小到4.7°，角度的减小，优化后模型较优化前模型更合理。在车轮跳动范围0-100mm过程中，前轮的前束角变为弱负前束角，在-1.1°到0°变化，整体变化的趋势平缓，与规定要求基本相符。

4 汽车操纵稳定性的仿真试验

4.1 稳态回转试验。对稳态回转实验过程中，首先将转向盘的转角进行固定并开动汽车，以最低速度缓慢行驶，纵向加速度低于0.25m/s2，直至侧向加速度到达6.5m/s2，停止汽车，以此掌握前后轴的侧偏角差，了解侧倾角随着侧向加速度变化时发生的变化。最终试验得知，当汽车的侧向加速度低于2m/s2，则侧偏角的差值和侧向加速度呈现出线性关系；当汽车的侧向加速度高于2m/s2，着曲线的斜率增大，轮胎的侧偏特性将进入非线性区域。中性转向点的侧向加速度超过10m/s2，超过标准值5m/s2，而转向值不足3°/（m/s2），表明车转向特性具有明显不足。在该试验中，虽然转向特性存在明显不足，但是，其的稳态回转具有良好性能，满足当下汽车设计的要求[4]。

4.2 转向回正试验。在转向回证试验过程中，试验速度选择低速挡与高速挡为宜，试验圆周的半径为15m，速度分别为40km/h、120km/h，试验过程中，汽车侧向加速度应达到0.4g、0.2g，待试验汽车行驶一段时间，进入稳定状态后，得出：在低速试验中，残留横摆角的速度时2.5°/s；在高速试验中，残留的横摆角保持在0.2°/s的速度。结果表明，汽车回正的速度较快，转向回正的性能良好。

4.3 转向轻便性试验。依照驾驶员在控制文件上的要求，汽车车速控制在10km/h，在规定轨迹下试验，汽车行驶稳定后，得出转向盘的转角、转矩，显示了汽车转向轻便且性能良好。

4.4 蛇形试验。在汽车的操作稳定性试验中，蛇形试验主要用来评估车辆的侧倾稳定性、过渡响应。试验参数如下：标桩间距30mm，基准车速65km/h，偏移距1.5m，方仿真时间35s。在蛇形试验过程中，应保持车速的稳定性，且汽车不能碰撞标杆，服转向盘的转角，车身的侧倾角，侧向的加速度，车身的横摆角速度等计算，最终结果显示，车辆具有较强的抗侧倾能力。

5 结语

总而言之，在汽车设计中，悬架性能与操纵稳定性非常关键，直接影响着汽车整体质量，关系着汽车行驶安全。然而，在汽车设计过程中，很少能够一次保障悬架性能达标。而传统的试验方式很难保障试验结果达标。对此，积极引进虚拟仿真试验，对悬架性能进行优化，并对汽车操纵稳定性进行仿真试验，提高汽车从操纵稳定性，全面提高整车质量。