某電控液驅(qū)車懸架參數(shù)對行駛穩(wěn)定性的影響研究

朱曉基，王強(qiáng)，何曉暉，杜毛強(qiáng)

某電控液驅(qū)車懸架參數(shù)對行駛穩(wěn)定性的影響研究

朱曉基，王強(qiáng)，何曉暉，杜毛強(qiáng)

（陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心，江蘇 南京 210007）

為了研究某電控液驅(qū)車輛改裝后的懸架對行駛穩(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)果表明車速對電控液驅(qū)車輛垂直加速度影響最大，對車輛俯仰角的變化影響較小，對車輛側(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，對于側(cè)傾角變化影響較小；但是對于比較平緩的路面，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。

懸架；穩(wěn)定性；垂直加速度；俯仰角；側(cè)傾角

前言

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)對車輛的被動(dòng)懸架做了大量研究，王秀梅等[1]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[2]以懸架減振器阻尼和板簧剛度為設(shè)計(jì)變量，對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[3]人基于MATLAB進(jìn)行了汽車懸架系統(tǒng)仿真研究。Ganesh D. Shelke[4]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[5]和范政武等[6]基于改進(jìn)粒子群算法對車輛的被動(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[7]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[8]基于遺傳算法對車輛的側(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[9]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)，因此本文針對電控液驅(qū)車輛，通過Carsim仿真軟件對懸架剛度對整車性能的影響進(jìn)行研究，對電控液驅(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懸掛和非懸掛質(zhì)量列方程得到，得到微分方程如下：

式中：為懸掛質(zhì)量，為簧下質(zhì)量，為懸掛質(zhì)量的位移，Z為非懸掛質(zhì)量的位移，Z為路面的位移輸入，F為作用于懸掛質(zhì)量上的力，F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：I為車身繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為車身的俯仰角，為車輛質(zhì)心到前懸架的距離，為車輛質(zhì)心到后懸架的距離，z為車身后部垂直位移，z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：I為車身繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為車身的側(cè)傾角，為質(zhì)心高度，為車輛質(zhì)心到左側(cè)懸架的距離，為車輛質(zhì)心到右側(cè)懸架的距離，z為車身右側(cè)垂直位移，z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。

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)對車輛的側(cè)傾角影響較小；在平緩路面對側(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，對于側(cè)傾角變化影響較小；但是對于比較平緩的路面，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：

車速對電控液驅(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。

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，但是對于側(cè)傾角變化影響較小；對于比較平緩的路面，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。

[1] 王秀梅,張慶濤,王雨.采用混合算法優(yōu)化車輛被動(dòng)懸架參數(shù)及仿真[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào),2019,17(01):24-28.

[2] 鄭睿,祝安定.某重型越野車平順性和操縱穩(wěn)定性協(xié)同優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2018,56(12):52-55.

[3] 李潔,劉耿碩.基于MATLAB的汽車懸架系統(tǒng)仿真研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2019,36(02):97-100.

[4] Ganesh D. Shelke,Anirban C. Mitra, Vinay R. Varude. Validation of Simulation and Analytical Model of Nonlinear Passive Vehicle Suspension System for Quarter Car[J]Materials Today: Proceedings 5 (2018) 19294-19302.

[5] 安宗權(quán),王勻.基于改進(jìn)粒子群算法的車輛被動(dòng)懸架優(yōu)化與仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程,2018(01):63-68.

[6] 范政武,王鐵,王永紅,石晉宏.基于改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法的商用車懸架系統(tǒng)優(yōu)化[J].振動(dòng)與沖擊,2018,37(15):216-224.

[7] 胡文,吳洋,陳盛釗,張邦基,張農(nóng),盛企豪.面向性能需求的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)消扭懸架參數(shù)匹配與動(dòng)力學(xué)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2018,37(24): 172-180+200.

[8] 何鋒,馮子航,吳清.基于懸架解耦遺傳控制的車輛側(cè)傾研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2019,38(09):122-127.

[9] 王秀梅,張慶濤,王雨.采用混合算法優(yōu)化車輛被動(dòng)懸架參數(shù)及仿真[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào),2019,17(01):24-28.

Research on the Influence of Suspension Parameters on Driving Stability of an Electronically Controlled Hydraulic Drive

Zhu Xiaoji, Wang Qiang, He Xiaohui, Du Maoqiang

( College of Field Engineering, PLA Army Engineering University, Jiangsu Nanjing 210007 )

In order to study the influence of a modified suspension of an electronically controlled liquid-drive vehicle on driving stability, the mathematical model and simulation analysis were used to study the characteristics of vertical acceleration, pitch angle, and roll angle of the vehicle under different vehicle speeds and different suspension stiffness.The results of simulation experiments show that the vehicle speed has the greatest effect on the vertical acceleration of the electronically controlled liquid-drive vehicle, and has a small effect on the change of the vehicle's pitch angle, and has little effect on the change of the vehicle's roll angle. The peak changes in acceleration and body pitch angle have little effect on roll angle changes; but for relatively smooth roads, higher suspension stiffness increases the peak values of body vertical acceleration, body roll angle, and vehicle pitch angle.

Suspension; Stability; Vertical acceleration; Pitch angle; Roll angle

A

1671-7988(2020)24-101-04

U461.6

A

1671-7988(2020)24-101-04

朱曉基，就職于陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心，主要從事機(jī)械工程、液壓傳動(dòng)方面的研究

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.034

CLC NO.: U461.6