某电控液驱车悬架参数对行驶稳定性的影响研究

摘要：为了研究某电控液驱车辆改装后的悬架对行驶稳定性的影响，通过数学模型和仿真分析，研究了不同车速和不同悬架刚度下的车身垂直加速度、俯仰角和侧倾角的变化特点。仿真实验结果表明车速对电控液驱车辆垂直加速度影响最大，对车辆俯仰角的变化影响较小，对车辆侧倾角变化几乎不影响；悬架刚度越大，在崎岖路面时能够明显降低车身垂直加速度和车身俯仰角变化的峰值，对于侧倾角变化影响较小；但是对于比较平缓的路面，较高的悬架刚度增加了车身垂直加速度、车身侧倾角和车辆俯仰角变化的峰值。

引言

某电控液驱车是根据传统车辆进行改装的，用液压传动代替传统的机械传动，由于液压马达的安装，使得簧下质量增加，车辆质心位置改变，车辆整体参数发生了变化。

为提高车辆的行驶稳定性和舒适性，许多学者已经对车辆的被动悬架做了大量研究，王秀梅等采用混合算法优化了车辆被动悬架参数，并进行了仿真研究。郑睿等以悬架减振器阻尼和板簧刚度为设计变量，对某重型越野车平顺性和操纵稳定性进行了协同优化。李洁等人基于MATLAB进行了汽车悬架系统仿真研究。Ganesh D. Shelke进行了四分之一车非线性被动车辆悬架系统仿真分析模型的验证。安宗权等和范政武等基于改进粒子群算法对车辆的被动悬架进行了优化与仿真研究，提高了车辆行驶的稳定性，改善驾驶员乘坐的舒适度。胡文等为协调越野车辆抗侧倾性能和通过性能，研究一种新型动态调节消扭悬架系统，提高了车辆抗侧倾能力，消除车身的扭转，增强车轮接地性，提高越野稳定性和安全性。何锋等基于遗传算法对车辆的侧倾进行了研究，提出的算法有效提高了车辆的稳定性。王秀梅等采用混合算法优化车辆被动悬架系统参数，抑制了车辆行驶受路面激励的干扰，提高了车辆行驶的稳定性和舒适度。

对悬架的研究多数基于单个悬架进行，忽略了整车的俯仰运动和侧倾运动，因此本文针对电控液驱车辆，通过Carsim仿真软件对悬架刚度对整车性能的影响进行研究，对电控液驱车辆的悬架参数选取具有重要的借鉴意义。

1  动力学分析

由车辆的单个悬架可以简单分析车辆的悬架的性能特点，但是对于运动中整车的特性分析需要建立整车的悬架模型，研究悬架对于车辆运动过程中的俯仰运动和侧倾特性的分析。本文通过建立四分之一车辆悬架的数学模型分析车辆的垂直加速度变化，分别建立横向和纵向的二分之一车辆数学模型研究车辆的俯仰运动和侧倾运动。


图1 车辆悬架数学模型

单个悬架在稳态振动时的动态特性可以通过牛顿第二定律对悬挂和非悬挂质量列方程得到，得到微分方程如下：



式中：M为悬挂质量，m为簧下质量，Z为悬挂质量的位移，Zu为非悬挂质量的位移，Zr为路面的位移输入，Fb为作用于悬挂质量上的力，Fw为作用于非悬挂质量上的力。

车身俯仰运动微分方程为：


式中：Iy为车身绕y轴的转动惯量，θ为车身的俯仰角，a为车辆质心到前悬架的距离，b为车辆车辆质心到后悬架的距离，z11为车身后部垂直位移，z12为车身前部垂直位移。

车身侧倾运动微分方程为：



式中：Ix为车身绕x轴的转动惯量，φ为车身的侧倾角，h为质心高度，c为车辆质心到左侧悬架的距离，d为车辆车辆质心到右侧悬架的距离，z21为车身右侧垂直位移，z22为车身左侧垂直位移。

因此，本文基于Carsim车辆仿真软件分析悬架参数对于电控液驱车辆运动稳定性的影响，并采用多目标优化的方法选取最优悬架参数，提高电控液驱车辆的稳定性，对电控液驱车辆的研究具有重要的意义。

2  仿真模型的建立

电控液驱车辆的基本参数如表1所示：

表1 电控液驱车辆参数


基于电控液驱车辆的各参数建立车辆的整车模型如图2所示。


图2 整车模型

通过软件建立正弦变化道路模型，其三维图如图3所示：


图3 道路模型

3  仿真分析

为研究不同车速下对悬架性能的影响，设置车辆以35km/h、45km/h和55km/h的速度经过路面，得到车辆车身垂直加速度、车身侧倾角和车辆俯仰角变化的情况如图所示。


图4 不同车速下垂直加速度变化


图5 不同车速下侧倾角变化


图6 不同车速下俯仰角变化

在速度不同输入条件下，对车辆的垂直加速度影响最大，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分别为0.15g、0.30g、0.35g(g为重力加速度)；车速对车辆俯仰角的变化影响较小，俯仰角峰值在35km/h、45km/h、55km/h分别为0.85°、1.17°、1.24°，俯仰角峰值在35km/h最小，在45km/h和55km/h时峰值变化不大；车速对车辆侧倾角变化影响最小，侧倾角峰值在35km/h、45km/h、55km/h分别为7.40°、7.71°、7.55°，侧倾角峰值在不同速度下趋于一致。

为研究悬架刚度对车辆行驶稳定性的影响，设置了不同的悬架刚度参数：50N/mm、60N/mm和70N/mm，在三种不同刚度下进行模拟仿真，设置车速为35km/h，路面附着系数为0.8，得到车辆行驶稳定性参数相关变化情况。


图7 不同悬架刚度下垂直加速度变化


图8 不同悬架刚度下垂直加速度变化局部放大图

由车辆的垂直加速度变化情况图7和图8可以看出，刚度越高的悬架在路面较颠簸时的垂直加速度峰值越小，垂直加速度峰值在悬架刚度为50N/mm、60N/mm、70N/mm时分别为0.35g、0.26g、0.21g，由数据可以看出峰值变化明显；在平缓路面时则相反，刚度越高的悬架车身的垂直加速度反而越大。



图9 不同悬架刚度下俯仰角变化

由俯仰角变化图图9得出，50N/mm的悬架的车身峰值俯仰角为1.24°，60N/mm的悬架的车身峰值俯仰角为0.98°，70N/mm的悬架的车身峰值俯仰角为0.79°。高刚度的悬架能够降低车辆在较崎岖的路面时的车身俯仰角峰值；在较平缓的路面，高刚度的悬架提高了车辆车身俯仰角峰值。因此，在合理范围内，较高的刚度有利于提升车辆的稳定性，不利于行驶的平顺性。


图10 不同悬架刚度下侧倾角变化


图11 不同悬架刚度下垂直加速度变化局部放大

由图10和图11可以看出，侧倾角峰值在悬架刚度为50N/mm、60N/mm、70N/mm时分别为7.54°、7.20°、6.90°。悬架刚度在较颠簸路面时对车辆的侧倾角影响较小；在平缓路面对侧倾角的影响较大，悬架刚度越大，车身侧倾角越大。较高的悬架刚度对平缓路面行驶车辆的平顺性和舒适性影响较大。

正弦路面仿真实验结果表明，悬架刚度越大，在崎岖的路面时，能够明显降低车身垂直加速度和车辆俯仰角变化的峰值，对于侧倾角变化影响较小；但是对于比较平缓的路面，较高的悬架刚度增加了车身垂直加速度、车身侧倾角和车辆俯仰角变化的峰值，不利于车辆的平顺性和稳定性。因此，电控液驱车辆的悬架弹簧刚度需要根据车辆的实际需求来确定最合理的参数。

4  结论

本文基于电控液驱车辆，研究了悬架参数对车辆行驶稳定性的影响，建立了车辆垂直加速度、侧倾角和俯仰角变化的数学模型，使用Carsim进行了整车仿真实验，实验结果表明：
（1）车速对电控液驱车辆垂直加速度影响最大，速度越大，垂直加速度越大；车速对车辆俯仰角的变化影响较小，俯仰角在35km/h最小，在45km/h和55km/h时峰值变化不大；车速对车辆侧倾角变化影响最小，不同车速下车辆侧倾角几乎趋于一致。
（2）在崎岖的路面时，悬架刚度越大，越能够明显降低车身垂直加速度和车辆俯仰角变化的峰值，但是对于侧倾角变化影响较小；对于比较平缓的路面，较高的悬架刚度增加了车身垂直加速度、车身侧倾角和车辆俯仰角变化的峰值，不利于车辆的平顺性和稳定性。