汽車懸架性能優化與操縱穩定性分析

郭衛衛

鄭州宇通客車股份有限公司 河南省鄭州市 450000

1 引言

在汽車設計中，操縱穩定性汽車不可或缺的一項性能，不僅關系著汽車的操縱便利性，還關系著汽車行駛安全性。然而，在汽車設計中，懸架幾何特性、整車質心所在位置、輪胎的力學特征等，都影響著汽車的操縱穩定性。目前，傳統設計操縱穩定性的方式已經無法滿足需求，且耗費成本較高，部分極限工況無法實現[1]。計算機網絡的普及，基于網絡的虛擬仿真技術一經出現，滿足操縱穩定性需求的同時，節省了成本，提高了效率。基于此，文章基于該技術探討了汽車懸架的性能優化以及操縱穩定性。

2 汽車虛擬仿真技術的應用

2.1 虛擬樣機的建模。虛擬樣機作為一種新技術，是計算機的新概念，當前，我國在虛擬樣機技術的研究上仍處于發展階段。在樣機建模前，因對模型結構進行明確，同時，掌握各個構件間的約束關系，將真實實物的模型簡化，以此得到真實的模型參數。之后，相關人員可利用適當的軟件展開建模工作。其中，虛擬樣機的模型建立過程如圖1所示。

2.2 模型建立的具體步驟。在汽車模型建立中，因ADAMS軟件具有強大的分析能力、求解能力，且能夠與便捷的用戶界面有機結合，對此，文章模型建立選擇該軟件。首先，對汽車各子系統建立template模板文件，并依照模板文件建立subsystem子系統文件。其次，將各個子系統進行裝配，構成整車模型，并建立文件assembly。最后，在不同研究中，編寫不同控制文件，對整車的仿真計算進行有效控制。

圖1 虛擬樣機模型建設流程圖

ADAMS軟件的應用，為用戶提供了以服務能夠建立并修改模版的界面，模版身為子系統基礎，模版模式過程如下：（1）對物理模型進行簡化。因為，實車的部件處于相對運動關系，在模型簡化中，僅需要確定部件拓撲結構，將不存在相對運動關系的構件作為一個部件。（2）硬點確定。硬點主要是指部件布置、部件連接的幾何定點，硬點確定直接影響著部件構成。（3）動力學的參數確定。在利用部件構成整車模型時，掌握各個部件動力參數，有利于提高模型構建的質量，對此，計算部件質心、繞質心、質量等坐標軸在坐標系中的轉動慣量，保障模型的懸架性能。（4）幾何體的創建。主要是以硬點作為基礎，在其上建立部件幾何體。（5）對約束進行定義，工作人員可依照部件間的運動關系，對約束類型進行確定，為子系統的結構模型構建提供幫助。（6）對模版的參數變量與制動器進行定義。在子系統中，運動、位置、幾何尺寸等的修改非常常見，對此，對參數的變量進行定義，對于標準界面的調整非常重要。制動器主要用來對子系統內的各個部件間的力與運動傳遞進行定義。（7）通訊器的定義與測試[2]。

3 前懸架的模型與優化

基于參考車型的懸架參數，通過對模板的幾何參數、力學特性、物理參數等合理調整，建設雙橫臂的前獨立懸架。添加轉向系統以及試驗臺的子系統，構成前懸架的仿真系統，具體如圖2所示。

在對前懸架模型進行仿真試驗中，應將懸架裝配相應參數輸入其中，保障仿真試驗的順利展開，裝配參數具體包含有：輪胎模型參數、簧載質量參數、輪距、驅動力參數、制動力分配、質心高度等。據仿真結果可知，模型前輪的前束角已經超出合理范圍，應對該部分優化，提高懸架性能質量，增強汽車的操縱穩定性[3]。對前懸架模型的靈敏度進行分析，發現11個坐標值影響較大，通過對坐標值調整、優化，并利用優化之后的硬點坐標值，第二次展開仿真試驗，對優化前與優化后的參數構成曲線進行對比，如圖3-6所示，在圖中，實線為參數未優化的曲線，虛線是優化后參數構成的曲線。

圖2 前懸架的仿真系統

由下述四個曲線圖可知，在優化之前，車輪跳動范圍在-100mm到100mm之間時，前輪的外傾斜角發生變化，變化范圍在-2.8°到1.3°，在（-2°——0.5°）/50mm這一適應的變化范圍內。在同樣的車輪跳動范圍內，主銷的內傾角在8.3°到13°之間變化，通常，選取的范圍多在7°-13°之間，而在同樣車輪跳動范圍，主銷的后傾角由5.4°逐漸達到5.8°，變化范圍不大，符合車輪跳動要求。在車輪跳動范圍0-100mm過程中，前輪的前束角在-1.7°到0°變化，超過了規定的變化范圍-1°-0°，不符合規范。

圖3 前輪的外傾角曲線

圖4 主銷的內傾角曲線

圖5 主銷的后傾角曲線

圖6 前輪的前束角曲線

在優化之后，車輪跳動范圍在-100mm到100mm之間時，前輪的外傾斜角發生變化，變化范圍在-2.4°到1.2°，趨勢平緩。在同樣的車輪跳動范圍內，主銷的內傾角在7.2°到11.5°之間變化，變化范圍相應降低，而在同樣車輪跳動范圍，主銷的后傾角處于靜平衡，由5.4°減小到4.7°，角度的減小，優化后模型較優化前模型更合理。在車輪跳動范圍0-100mm過程中，前輪的前束角變為弱負前束角，在-1.1°到0°變化，整體變化的趨勢平緩，與規定要求基本相符。

4 汽車操縱穩定性的仿真試驗

4.1 穩態回轉試驗。對穩態回轉實驗過程中，首先將轉向盤的轉角進行固定并開動汽車，以最低速度緩慢行駛，縱向加速度低于0.25m/s2，直至側向加速度到達6.5m/s2，停止汽車，以此掌握前后軸的側偏角差，了解側傾角隨著側向加速度變化時發生的變化。最終試驗得知，當汽車的側向加速度低于2m/s2，則側偏角的差值和側向加速度呈現出線性關系；當汽車的側向加速度高于2m/s2，著曲線的斜率增大，輪胎的側偏特性將進入非線性區域。中性轉向點的側向加速度超過10m/s2，超過標準值5m/s2，而轉向值不足3°/（m/s2），表明車轉向特性具有明顯不足。在該試驗中，雖然轉向特性存在明顯不足，但是，其的穩態回轉具有良好性能，滿足當下汽車設計的要求[4]。

4.2 轉向回正試驗。在轉向回證試驗過程中，試驗速度選擇低速擋與高速擋為宜，試驗圓周的半徑為15m，速度分別為40km/h、120km/h，試驗過程中，汽車側向加速度應達到0.4g、0.2g，待試驗汽車行駛一段時間，進入穩定狀態后，得出：在低速試驗中，殘留橫擺角的速度時2.5°/s；在高速試驗中，殘留的橫擺角保持在0.2°/s的速度。結果表明，汽車回正的速度較快，轉向回正的性能良好。

4.3 轉向輕便性試驗。依照駕駛員在控制文件上的要求，汽車車速控制在10km/h，在規定軌跡下試驗，汽車行駛穩定后，得出轉向盤的轉角、轉矩，顯示了汽車轉向輕便且性能良好。

4.4 蛇形試驗。在汽車的操作穩定性試驗中，蛇形試驗主要用來評估車輛的側傾穩定性、過渡響應。試驗參數如下：標樁間距30mm，基準車速65km/h，偏移距1.5m，方仿真時間35s。在蛇形試驗過程中，應保持車速的穩定性，且汽車不能碰撞標桿，服轉向盤的轉角，車身的側傾角，側向的加速度，車身的橫擺角速度等計算，最終結果顯示，車輛具有較強的抗側傾能力。

5 結語

總而言之，在汽車設計中，懸架性能與操縱穩定性非常關鍵，直接影響著汽車整體質量，關系著汽車行駛安全。然而，在汽車設計過程中，很少能夠一次保障懸架性能達標。而傳統的試驗方式很難保障試驗結果達標。對此，積極引進虛擬仿真試驗，對懸架性能進行優化，并對汽車操縱穩定性進行仿真試驗，提高汽車從操縱穩定性，全面提高整車質量。