探讨转向工况下如何提升车辆ISD悬架性能

曹成欣

摘 要：在轉向工况下，分析车辆ISD 的形式性能问题，建立整车动力学模型，通过遗传算法求解车辆ISD 悬架参数。通过前轮转向角跃对车辆的转向性能指标进行分析。车身垂直加速度均方根减小16.5%左右，侧倾角减小24.1%，仰角减小了18.2%。因此应用车辆ISD悬架，能够明显提升转向工况下汽车的行驶性能，包括车身垂直加速度、俯仰摆动、侧倾摆动以及横摆等问题，还能够明显改善汽车行驶安全性。

关键词：转向工况;车辆ISD悬架性能;提升策略

惯容器在提出之后，该设备的隔震潜力已经在火车悬架和车辆悬架上得以验证。通过新型机械隔振网络元件已经被广泛应用到被动车辆悬架结构当中，并且多数学者都比较关注惯容器、弹簧和阻尼器的组成问题。车辆ISD 悬架结构的出现，有效弥补了主动悬架和半主动悬架成本高以及能源消耗大的问题，有助于提升车辆被动悬架的性能。然而当前研究成果主要局限于1/4车辆悬架模型和半车模型当中，很少涉及到全车模型。对于转向工况的整车模型研究比较少。所以，此次研究选取4个元件所组成的车辆ISD 悬架，建立基于转向工矿的整车动力模型，并且通过遗传优化算法获取车辆悬架的元件参数，并且基于 前轮转向跃角输入情况下，对整车动态系统进行分析。

1 建立基于转向工况下的整车动力学模型

建立包含转向工况的动力学模型时，必须做好简化处理工作。首先不考虑转向系数的影响，将前轮转角作为输入。不考虑汽车行驶过程中滚动阻力和空气阻力的影响，各悬架弹簧和阻尼均为线性关系。将车辆前进方向设置为X轴，质心指向设置为Z轴，驾驶员左侧为Y轴。建立整车转向模型图，如图1，图2所示。

其中：m表示整车质量;Ix、Iy、Iz分别表示侧倾、俯仰、横摆转动惯量;v表示行驶车速;β表示质心侧偏角，表示车身横摆角速度;表示俯视角;表示后轮至质心的距离。

图3表示悬架结构采用四个元件所组成的车辆ISD悬架，可以看出，车辆ISD悬架包括k1主弹簧、k2副弹簧、b惯容器，c阻尼器组成。副弹簧并联于阻尼器，之后串联与惯容器，并联到主弹簧中。

2 转向工况下车辆ISD悬架性能参数优化

为了确保车辆ISD 悬架参数满足实际应用需求，需要通过遗传优化算法求解。在求解期间，可以将一般车型参数作为模型参数，具体见表1。

将遗传优化算法的种群设置为45，进化代数设置为98，将优化设计变量设置为惯质系数、主弹簧刚度、阻尼系数、副弹簧刚度，按照悬架适用性条件、元件属性，对不同优化变量的参数进行规定：其中，主弹簧系数的参数范围为1×104-4×104N/m-1;副弹簧系数的参数范围为1×104-4×104N/m-1;惯质系数为100kg/1000kg;阻尼系数为1000N/m-1-3000N/m-1。

为了防止在优化期间，车辆行驶概况对悬架撞击限位产生限制性影响，必须约束悬架动挠度、车轮动载荷。针对悬架动挠度约束，悬架动挠度标准差应当小于或者等于车轮跳动的限位行程。提示悬架动挠度大于限位行程的发生率在0.3%左右，所以车轮跳动的限位行程取值为8cm。针对车轮动荷载约束，车轮动荷载的三倍均方根值应当小于或者等于车辆静载。此次研究所选取的车辆静载为4500N，所以车轮跳离地面的发生率为0.3%左右。

将汽车的行驶速度控制在每秒20m，在平整路面上行驶。路面输入模型采用积分白噪声时域模型，则有：

其中：Q（t）表示车辆的路面位移;v表示行驶速度;表示下截止频率;G0表示路面粗糙系数;W（t）表示积分白噪声。

在Matlab中编写程序时，利用群遗传算法获得优化悬架结构，表2为优化参数结果。

3 转向工况下车辆ISD悬架性能仿真分析

在仿真期间，确保汽车直线行驶和路面输入模型不变，给原有轮转表输入π/12的角阶跃，以此获得汽车车身俯视角。

为了全面展现出车辆ISD 悬架有助于提升转向工况下的汽车性能。需要在仿真工况下，比较分析车辆传统悬架、ISD 悬架的性能指标。

车辆ISD悬架的车身垂直加速度减小16.5%，峰值减小约1.4%。表明车辆ISD悬架能够对车身垂向振动起到抑制效果。车身俯仰角的均方根值减小18.2%，峰值减小28.2%，表明车辆ISD悬架能够对车身俯仰振动起到抑制效果。车身侧倾角的均方根值减24.2%，峰值减小0.1%，表明车辆ISD悬架能够对车身侧倾振动起到抑制效果。车身横摆角速度的均方根值减小1.9%，峰值减小-1.5%，表明车辆ISD悬架能够对车身横摆起到抑制效果。从上述分析能够看出，通过应用车辆ISD悬架，可以明显提升转向工况下，汽车的各项性能，包括车身垂直加速度、俯仰摆动、侧倾摆动以及横摆等问题，还能够明显改善汽车行驶安全性。

4 结论

综上所述，此次研究基于转向工况下，建立了汽车整车动力学模型。通过对前轮转向角阶跃输入情况下的汽车动态性能进行分析，能够得到以下结论：（1）按照悬架适用性条件、元件属性，对不同优化变量的参数进行规定：其中，主弹簧系数的参数范围为1×104-4×104N/m-1;副弹簧系数的参数范围为1×104-4×104N/m-1;惯质系数为100kg/1000kg;阻尼系数为1000N/m-1-3000N/m-1。（2）在转向工况下，通过应用车辆ISD悬架，可以明显改善汽车的行驶性能，车身俯仰角的均方根值减小18.2%，峰值减小28.2%;车身垂直加速度减小16.5%，峰值减小约1.4%;侧倾角的均方根值减24.2%，峰值减小0.1%;车身横摆角速度的均方根值减小1.9%，峰值减小-1.5%。提示汽车在转向工况下，可以减小垂直加速度、侧倾摆动、横摆以及俯仰摆动等，应用效果比较显著。希望通过此次研究分析，可以为相关人员起到一定的参考价值。

参考文献：

[1]杨晓峰，胡健滨，刘雁玲，等.基于惯质耦合振动作用的车辆ISD悬架性能研究[J].振动与冲击，2017，36（24）：256-260.

[2]聂佳梅，张孝良，陈国涛.车辆ISD悬架系统网络综合及性能分析[J].振动与冲击，2016，35（24）：115-119.

[3]杨晓峰，杜毅，刘雁玲，等.惯质系数对车辆ISD悬架系统频率特性的影响研究[J].振动与冲击，2018，37（7）：240-246.

[4]江苏大学.一种基于单神经元PID控制的车辆ISD悬架主动控制方法：CN201811091503.9[P].2019-02-15.