摘要：為了研究某電控液驅(qū)車輛改裝后的懸架對(duì)行駛穩(wěn)定性的影響，通過數(shù)學(xué)模型和仿真分析，研究了不同車速和不同懸架剛度下的車身垂直加速度、俯仰角和側(cè)傾角的變化特點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明車速對(duì)電控液驅(qū)車輛垂直加速度影響最大，對(duì)車輛俯仰角的變化影響較小，對(duì)車輛側(cè)傾角變化幾乎不影響；懸架剛度越大，在崎嶇路面時(shí)能夠明顯降低車身垂直加速度和車身俯仰角變化的峰值，對(duì)于側(cè)傾角變化影響較??；但是對(duì)于比較平緩的路面，較高的懸架剛度增加了車身垂直加速度、車身側(cè)傾角和車輛俯仰角變化的峰值。

引言

某電控液驅(qū)車是根據(jù)傳統(tǒng)車輛進(jìn)行改裝的，用液壓傳動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)，由于液壓馬達(dá)的安裝，使得簧下質(zhì)量增加，車輛質(zhì)心位置改變，車輛整體參數(shù)發(fā)生了變化。

為提高車輛的行駛穩(wěn)定性和舒適性，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)車輛的被動(dòng)懸架做了大量研究，王秀梅等采用混合算法優(yōu)化了車輛被動(dòng)懸架參數(shù)，并進(jìn)行了仿真研究。鄭睿等以懸架減振器阻尼和板簧剛度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)某重型越野車平順性和操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了協(xié)同優(yōu)化。李潔等人基于MATLAB進(jìn)行了汽車懸架系統(tǒng)仿真研究。Ganesh D. Shelke進(jìn)行了四分之一車非線性被動(dòng)車輛懸架系統(tǒng)仿真分析模型的驗(yàn)證。安宗權(quán)等和范政武等基于改進(jìn)粒子群算法對(duì)車輛的被動(dòng)懸架進(jìn)行了優(yōu)化與仿真研究，提高了車輛行駛的穩(wěn)定性，改善駕駛員乘坐的舒適度。胡文等為協(xié)調(diào)越野車輛抗側(cè)傾性能和通過性能，研究一種新型動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)消扭懸架系統(tǒng)，提高了車輛抗側(cè)傾能力，消除車身的扭轉(zhuǎn)，增強(qiáng)車輪接地性，提高越野穩(wěn)定性和安全性。何鋒等基于遺傳算法對(duì)車輛的側(cè)傾進(jìn)行了研究，提出的算法有效提高了車輛的穩(wěn)定性。王秀梅等采用混合算法優(yōu)化車輛被動(dòng)懸架系統(tǒng)參數(shù)，抑制了車輛行駛受路面激勵(lì)的干擾，提高了車輛行駛的穩(wěn)定性和舒適度。

對(duì)懸架的研究多數(shù)基于單個(gè)懸架進(jìn)行，忽略了整車的俯仰運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，因此本文針對(duì)電控液驅(qū)車輛，通過Carsim仿真軟件對(duì)懸架剛度對(duì)整車性能的影響進(jìn)行研究，對(duì)電控液驅(qū)車輛的懸架參數(shù)選取具有重要的借鑒意義。

1  動(dòng)力學(xué)分析

由車輛的單個(gè)懸架可以簡單分析車輛的懸架的性能特點(diǎn)，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)中整車的特性分析需要建立整車的懸架模型，研究懸架對(duì)于車輛運(yùn)動(dòng)過程中的俯仰運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾特性的分析。本文通過建立四分之一車輛懸架的數(shù)學(xué)模型分析車輛的垂直加速度變化，分別建立橫向和縱向的二分之一車輛數(shù)學(xué)模型研究車輛的俯仰運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。


圖1 車輛懸架數(shù)學(xué)模型

單個(gè)懸架在穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性可以通過牛頓第二定律對(duì)懸掛和非懸掛質(zhì)量列方程得到，得到微分方程如下：



式中：M為懸掛質(zhì)量，m為簧下質(zhì)量，Z為懸掛質(zhì)量的位移，Zu為非懸掛質(zhì)量的位移，Zr為路面的位移輸入，F(xiàn)b為作用于懸掛質(zhì)量上的力，F(xiàn)w為作用于非懸掛質(zhì)量上的力。

車身俯仰運(yùn)動(dòng)微分方程為：


式中：Iy為車身繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θ為車身的俯仰角，a為車輛質(zhì)心到前懸架的距離，b為車輛車輛質(zhì)心到后懸架的距離，z11為車身后部垂直位移，z12為車身前部垂直位移。

車身側(cè)傾運(yùn)動(dòng)微分方程為：



式中：Ix為車身繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，φ為車身的側(cè)傾角，h為質(zhì)心高度，c為車輛質(zhì)心到左側(cè)懸架的距離，d為車輛車輛質(zhì)心到右側(cè)懸架的距離，z21為車身右側(cè)垂直位移，z22為車身左側(cè)垂直位移。

因此，本文基于Carsim車輛仿真軟件分析懸架參數(shù)對(duì)于電控液驅(qū)車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響，并采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法選取最優(yōu)懸架參數(shù)，提高電控液驅(qū)車輛的穩(wěn)定性，對(duì)電控液驅(qū)車輛的研究具有重要的意義。

2  仿真模型的建立

電控液驅(qū)車輛的基本參數(shù)如表1所示：

表1 電控液驅(qū)車輛參數(shù)


基于電控液驅(qū)車輛的各參數(shù)建立車輛的整車模型如圖2所示。


圖2 整車模型

通過軟件建立正弦變化道路模型，其三維圖如圖3所示：


圖3 道路模型

3  仿真分析

為研究不同車速下對(duì)懸架性能的影響，設(shè)置車輛以35km/h、45km/h和55km/h的速度經(jīng)過路面，得到車輛車身垂直加速度、車身側(cè)傾角和車輛俯仰角變化的情況如圖所示。


圖4 不同車速下垂直加速度變化


圖5 不同車速下側(cè)傾角變化


圖6 不同車速下俯仰角變化

在速度不同輸入條件下，對(duì)車輛的垂直加速度影響最大，速度越大，垂直加速度越大，垂直加速度峰值在35km/h、45km/h、55km/h分別為0.15g、0.30g、0.35g(g為重力加速度)；車速對(duì)車輛俯仰角的變化影響較小，俯仰角峰值在35km/h、45km/h、55km/h分別為0.85°、1.17°、1.24°，俯仰角峰值在35km/h最小，在45km/h和55km/h時(shí)峰值變化不大；車速對(duì)車輛側(cè)傾角變化影響最小，側(cè)傾角峰值在35km/h、45km/h、55km/h分別為7.40°、7.71°、7.55°，側(cè)傾角峰值在不同速度下趨于一致。

為研究懸架剛度對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響，設(shè)置了不同的懸架剛度參數(shù)：50N/mm、60N/mm和70N/mm，在三種不同剛度下進(jìn)行模擬仿真，設(shè)置車速為35km/h，路面附著系數(shù)為0.8，得到車輛行駛穩(wěn)定性參數(shù)相關(guān)變化情況。


圖7 不同懸架剛度下垂直加速度變化


圖8 不同懸架剛度下垂直加速度變化局部放大圖

由車輛的垂直加速度變化情況圖7和圖8可以看出，剛度越高的懸架在路面較顛簸時(shí)的垂直加速度峰值越小，垂直加速度峰值在懸架剛度為50N/mm、60N/mm、70N/mm時(shí)分別為0.35g、0.26g、0.21g，由數(shù)據(jù)可以看出峰值變化明顯；在平緩路面時(shí)則相反，剛度越高的懸架車身的垂直加速度反而越大。



圖9 不同懸架剛度下俯仰角變化

由俯仰角變化圖圖9得出，50N/mm的懸架的車身峰值俯仰角為1.24°，60N/mm的懸架的車身峰值俯仰角為0.98°，70N/mm的懸架的車身峰值俯仰角為0.79°。高剛度的懸架能夠降低車輛在較崎嶇的路面時(shí)的車身俯仰角峰值；在較平緩的路面，高剛度的懸架提高了車輛車身俯仰角峰值。因此，在合理范圍內(nèi)，較高的剛度有利于提升車輛的穩(wěn)定性，不利于行駛的平順性。


圖10 不同懸架剛度下側(cè)傾角變化


圖11 不同懸架剛度下垂直加速度變化局部放大

由圖10和圖11可以看出，側(cè)傾角峰值在懸架剛度為50N/mm、60N/mm、70N/mm時(shí)分別為7.54°、7.20°、6.90°。懸架剛度在較顛簸路面時(shí)對(duì)車輛的側(cè)傾角影響較??；在平緩路面對(duì)側(cè)傾角的影響較大，懸架剛度越大，車身側(cè)傾角越大。較高的懸架剛度對(duì)平緩路面行駛車輛的平順性和舒適性影響較大。

正弦路面仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，懸架剛度越大，在崎嶇的路面時(shí)，能夠明顯降低車身垂直加速度和車輛俯仰角變化的峰值，對(duì)于側(cè)傾角變化影響較??；但是對(duì)于比較平緩的路面，較高的懸架剛度增加了車身垂直加速度、車身側(cè)傾角和車輛俯仰角變化的峰值，不利于車輛的平順性和穩(wěn)定性。因此，電控液驅(qū)車輛的懸架彈簧剛度需要根據(jù)車輛的實(shí)際需求來確定最合理的參數(shù)。

4  結(jié)論

本文基于電控液驅(qū)車輛，研究了懸架參數(shù)對(duì)車輛行駛穩(wěn)定性的影響，建立了車輛垂直加速度、側(cè)傾角和俯仰角變化的數(shù)學(xué)模型，使用Carsim進(jìn)行了整車仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
（1）車速對(duì)電控液驅(qū)車輛垂直加速度影響最大，速度越大，垂直加速度越大；車速對(duì)車輛俯仰角的變化影響較小，俯仰角在35km/h最小，在45km/h和55km/h時(shí)峰值變化不大；車速對(duì)車輛側(cè)傾角變化影響最小，不同車速下車輛側(cè)傾角幾乎趨于一致。
（2）在崎嶇的路面時(shí)，懸架剛度越大，越能夠明顯降低車身垂直加速度和車輛俯仰角變化的峰值，但是對(duì)于側(cè)傾角變化影響較?。粚?duì)于比較平緩的路面，較高的懸架剛度增加了車身垂直加速度、車身側(cè)傾角和車輛俯仰角變化的峰值，不利于車輛的平順性和穩(wěn)定性。