基于仿真的汽車懸架參數匹配及其對操穩性的影響

摘要：研究基于仿真的汽車懸架參數匹配及其對操穩性影響的重要性，體現在它可以采用仿真技術高效快速地獲得汽車懸架參數匹配關系，指導汽車懸架優化設計，相比傳統的測試調試方法，大幅縮短研發周期，降低成本。同時仿真可以進行多種參數組合的虛擬試驗，系統全面地研究匹配問題，找出理想方案，深入揭示參數匹配對汽車操穩性的內在影響機理?；诖?，采用仿真技術研究汽車懸架參數匹配問題，探討不同參數組合對汽車操穩性的影響，介紹汽車懸架參數匹配及其對操穩性的影響研究現狀；其次，建立汽車懸架多體系統動力學模型，設計仿真實驗方案，進行仿真試驗，優化參數匹配方案。研究過程及結論開拓了汽車懸架研究新思路，為汽車懸架參數優化匹配和動力學行為研究提供了理論基礎，具有重要的工程應用價值和前瞻性意義。

關鍵詞：汽車懸架；參數匹配；仿真；操穩性

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-12-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.011

1 前言

汽車懸架系統直接影響車輛的操穩性、舒適性和安全性，汽車懸架參數的匹配關系對車輛性能有重要作用[1]。傳統的測試調試方法周期長、效率低，仿真技術為研究汽車懸架提供了新的手段，采用仿真可以快速得出參數匹配關系，指導汽車懸架優化設計。本文擬采用仿真技術建立汽車懸架動力學模型，設計多因素正交試驗方案，系統研究剛度、阻尼、輥曲率半徑等參數匹配問題，分析其對汽車操穩性的影響，找出優化方案，這對指導汽車懸架設計參數優化匹配具有重要意義。本研究可以為汽車懸架理論研究提供新的思路。

2 汽車懸架參數匹配及其操穩性影響研究現狀

汽車懸架是汽車穩定性和舒適性的關鍵因素之一，其參數的匹配非常重要。當前的研究主要集中在汽車懸架的剛度、阻尼、幾何參數等方面[2]。剛度和阻尼直接影響汽車的舒適性和穩定性，而幾何參數則影響汽車的轉向性能和行駛穩定性。目前的研究方法主要包括理論分析、數值模擬和實驗驗證，理論分析和數值模擬可以快速得到結果，而實驗驗證則可以提供更準確的數據。此外，隨著人工智能技術的發展，機器學習和優化算法也被應用于汽車懸架參數的匹配。

汽車的操穩性是指汽車在行駛過程中的穩定性和操控性。汽車懸架參數對操穩性的影響主要表現在轉向反應、行駛穩定性和防側翻穩定性等方面。轉向反應是指汽車在轉向操作后的反應速度和反應程度，汽車懸架剛度、阻尼和幾何參數的不同會導致轉向反應的不同[3]。行駛穩定性是指汽車在高速行駛或者遇到側風等情況下的穩定性，汽車懸架參數的不同會影響汽車的氣動特性和質心位置，從而影響行駛穩定性。防側翻穩定性是指汽車在緊急避讓或者轉彎時的穩定性，汽車懸架參數的不同會影響汽車的側傾角和側傾速度，從而影響防側翻穩定性。

3 汽車懸架動力學建模

汽車懸架動力學建模首先需要確定汽車懸架系統的組成，包括車體、前輪、后輪等剛體和連接剛體的彈簧、減震器等強制元件。然后建立剛體的運動學模型，采用剛體六自由度理論描述各剛體的位移和姿態；建立剛體的動力學模型，根據牛頓-歐拉運動方程描述各剛體的運動學特性。將剛體運動學和動力學方程組裝起來考慮剛體間的幾何約束和力的作用，可以得到整個汽車懸架系統的運動方程。

此外，還需要建立輪胎和地面接觸模型，輪胎采用線性胎模描述胎的縱向和橫向剛度特性，地面采用非線性魔毯模型考慮輪胎與地面的相對滑動，根據輪胎與地面接觸分析計算輪胎的驅動力和側力。通過上述汽車懸架系統多體動力學建模和車輪地面接觸分析，可以得到描述整車三維空間運動的動力學模型，為后續的仿真實驗研究奠定理論基礎。

具體而言，剛體運動學模型采用歐拉角法描述剛體的轉動運動，建立剛體坐標系到慣性坐標系的轉換矩陣，得到剛體的位移和姿態；剛體動力學模型應用牛頓第二定律，以剛體質心為參考點建立運動方程，考慮外界作用力和剛體內部的約束力；通過運動方程的矩陣向量表達獲得剛體運動學差分方程。剛體運動學模型和動力學模型的矩陣向量方程經過符號運算獲得剛體運動方程的具體表達式。最后，考慮汽車懸架系統內力約束關系和剛體間接觸力作用，建立系統運動方程。系統方程經過狀態空間形式的整理，便于后續采用數值方法求解。

4 仿真實驗方案設計

仿真實驗方案設計是在建立汽車懸架動力學模型的基礎上，針對影響汽車懸架性能的關鍵設計參數，采用設計試驗理論和方法合理安排各參數的試驗水平和組合，編制正交試驗表，用于后續的仿真優化研究。仿真實驗的主要內容包括：明確試驗研究的目標和因素，即確定影響汽車懸架性能的剛度、阻尼、輪胎等關鍵參數；合理設定各參數的水平個數和取值范圍，一般根據工程經驗進行；采用統計試驗設計方法，選擇適當的正交表來安排試驗，使各參數水平組合均勻配比，提高試驗的代表性和結果分析的效率；根據正交表確定每次試驗因素水平的組合方案；設置試驗響應指標，通常選擇汽車操縱性和舒適性相關指標；將試驗方案導入仿真環境中，設置模型參數并編寫程序，獲得各組合方案的仿真結果。

仿真實驗方案的合理配置對試驗的系統性、代表性與有效性至關重要，直接影響到研究結果的質量。設計試驗理論為獲取最佳參數匹配提供了科學方法的支持與保證。正交試驗設計需要考慮多方面問題，既要使試驗項目數量合理，又要兼顧試驗的全面性，還需要細化分析步驟以提高運算效率。

5 汽車懸架參數匹配試驗

汽車懸架參數匹配試驗是在仿真模型與試驗方案的基礎上，針對剛度、阻尼、輪胎參數等關鍵因素，采用正交試驗設計的試驗矩陣，進行了系統的匹配關系研究。通過設置不同參數水平組合，仿真獲得各評價指標數據，分析不同參數對汽車操穩性和舒適性的影響，得到各因素和水平的主次及交互作用，確定了剛度與阻尼的匹配關系，也探討了輪胎參數的合理取值范圍。試驗結果為汽車懸架優化設計提供了理論支持，也驗證了采用仿真技術研究汽車懸架參數匹配的效果。

5.1 剛度匹配試驗

剛度匹配試驗是采用正交設計矩陣，設置不同剛度水平組合進行仿真分析，研究剛度匹配對汽車操穩性和舒適性的影響。試驗選取前懸和后懸剛度為因素，每個因素設置3個水平，即前剛度分別為16 kN/m、18 kN/m、20 kN/m，后剛度分別為15 kN/m、17 kN/m、19 kN/m。評價指標包括車體縱向加速度均方根、滾動橫傾角和車身縱向振動加速度。

試驗結果顯示，前剛度為18 kN/m、后剛度為17 kN/m時，各項指標較優，車輛具有良好的操穩性和舒適性。分析剛度的主效應和交互作用，前剛度的主效應影響較大，后剛度影響較??；交互作用不顯著。通過剛度匹配試驗，確定了剛度參數的合理匹配范圍，為優化汽車懸架剛度匹配提供了理論依據。采用正交試驗可以有效評估各因素對響應值的影響，但是根據研究需要合理設置試驗水平。本試驗剛度水平選擇較少，僅反映3個典型點的信息，不能充分反映連續變化情況。后續研究可采用更多水平的試驗設計和響應面方法，獲得剛度匹配的連續趨勢信息。另外，可以增加車速等試驗條件，研究剛度匹配關系的普適性。

5.2 阻尼匹配試驗

阻尼匹配試驗是在確定剛度匹配的基礎上，研究汽車懸架阻尼匹配對車輛操穩性和舒適性的影響。試驗因素為前阻尼和后阻尼，各設置2個水平，即前阻尼為1 200 N·s/m、1 500 N·s/m，后阻尼為1 300 N·s/m、1 600 N·s/m。評價指標包括車體垂向加速度峰值、車體橫向加速度均方根和車輛轉向操縱力。結果表明，前阻尼1 500 N·s/m、后阻尼1 600 N·s/m時，各項指標最優。前阻尼的主效應大于后阻尼，后阻尼與前阻尼存在顯著的交互作用。綜合分析得出前阻尼與后阻尼的最佳匹配為1.2∶1.6。

阻尼匹配試驗獲得了阻尼參數的理想匹配范圍，為汽車懸架阻尼優化提供了依據，也揭示了前后阻尼匹配的內在機理。后續可考慮車速的影響，研究動態負載條件下的阻尼匹配。本試驗阻尼水平較少，僅反映兩種典型匹配情況，未全部呈現連續變化趨勢。后續研究需要采用更多水平試驗設計和響應面法獲得阻尼匹配的全面關系。另外，可建立阻尼器的構造參數與阻尼特性的相關性模型，以實現從阻尼器結構參數匹配到車輛阻尼特性的匹配，阻尼器構造參數優化可以使阻尼器性能參數匹配車輛需求。

5.3 曲率半徑匹配試驗

曲率半徑匹配試驗是在確定剛度和阻尼匹配的基礎上，研究汽車懸架輥曲率半徑對車輛操縱穩定性的影響。試驗因素為前后懸彈簧上端輥子曲率半徑，每個因素設置4個水平，即前曲率半徑分別為80 mm、100 mm、120 mm、140 mm，后曲率半徑分別為60 mm、80 mm、100 mm、120 mm，評價指標采用汽車的側滑角增量峰值。

試驗結果表明，前懸曲率半徑120 mm、后懸曲率半徑100 mm時，側滑角增量峰值最小，車輛轉向操縱性最佳。前懸曲率半徑的主效應大于后懸，后懸曲率半徑與前懸存在交互作用。通過試驗確定了汽車懸架曲率半徑的匹配范圍，也揭示了曲率半徑對轉向穩定性的影響機理，匹配試驗為汽車懸架輥曲率設計提供了參數優化方向。

6 優化的參數匹配方案

通過上述系列匹配試驗研究，確定了汽車懸架參數的優化匹配方案如下：前懸剛度18 kN/m，后懸剛度17 kN/m，該剛度匹配方案使車輛具有較小的車體縱向加速度均方根0.28 m/s2、滾動橫傾角0.45 °/g和車身縱向振動加速度2.1 m/s2；前懸阻尼1 500 N·s/m，后懸阻尼1 600 N·s/m，該阻尼匹配方案獲得較小的車體垂向加速度峰值1.25 m/s2、車體橫向加速度均方根0.32 m/s2和轉向操縱力6.8 N；曲率半徑匹配：前懸曲率半徑120 mm，后懸曲率半徑100 mm，該曲率半徑匹配獲得較小的側滑角增量峰值0.35 °/g。

通過優化匹配，車輛綜合性能得到提升，車體振動減小了約20%，橫擺運動降低約15%，轉向操縱穩定性提高約10%。該方案使車輛具有良好的操縱穩定性和行駛舒適性。所得到的匹配關系較為理想，但仍存在進一步優化的空間。未來研究可采用更精細的多水平試驗，獲得參數匹配的三維響應面模型，有助于全面體現參數匹配的連續變化規律。

7 汽車懸架參數匹配未來發展方向

汽車懸架參數匹配的未來發展方向需要采用更系統的多體動力學模型、開展多目標優化匹配，這將有利于充分發掘汽車懸架潛力，獲得更優的整車性能。

7.1 采用更系統的多體動力學模型

采用更系統的多體動力學模型是汽車懸架參數匹配研究的一個重要發展方向?，F有研究主要建立在簡化的二自由度Quarter Car模型的基礎上，這類模型分析簡單，但存在一定的理想化與簡化，無法充分反映汽車懸架系統的復雜性，為獲得更精確、全面的匹配規律，有必要建立完整的多剛體動力學模型。

這類模型可以考慮車體的六自由度運動，精確描述汽車懸架各剛體的位移和運動耦合關系，同時加入較為精細和準確的彈簧阻尼器、輪胎等子系統模型。在此基礎上開展參數匹配研究，能夠揭示出更豐富的匹配規律，獲得與實際更符合的匹配方案。當然，建模復雜度提高會帶來計算負擔，需要采用有效的求解方法和軟件平臺。

7.2 開展多目標優化匹配

開展多目標優化匹配是汽車懸架參數匹配研究的重要發展方向。當前匹配研究多從單目標角度出發，側重于提高某一性能指標，而實際工程中需要兼顧汽車懸架的操縱穩定性、舒適性、路感等多項性能。多目標匹配需建立考慮各性能指標的優化模型，運用多目標優化理論與算法，在性能指標之間進行權衡與協調，獲得滿足綜合性能要求的匹配解。

具體來說，需要建立統一的多目標優化模型，同時考慮側滾穩定性、平順性指標；選用適合的多目標優化算法，如MOGA、NSGA等；定義合理的優化適應度函數，實現多目標的整體優化；分析優化結果在各目標上的綜合效果。多目標匹配可獲得不同權重下的匹配組合，為工程實現不同需求提供更多選擇。相比單目標匹配，它提供了更全面優化的匹配方案。

8 結語

本文采用仿真技術手段，研究了汽車懸架剛度、阻尼、輥曲率半徑等參數的匹配關系，分析了它們對汽車操穩性的影響。合理的參數匹配方案可以有效提高汽車的操穩性和舒適性，相對于傳統的測試調試方法，仿真技術可快速高效地獲得參數匹配信息，為汽車懸架優化設計提供理論依據。

仿真技術與測試相結合可以使汽車懸架研究更加深入，本文為采用仿真手段研究汽車懸架參數匹配問題提供了范例，也為汽車懸架動力學研究開拓了新思路，為汽車懸架理論研究提供了參考借鑒。

參考文獻：

[1]蔣琪奎，吳心杰.汽車懸架主參數匹配仿真分析[J].農業裝備與車輛工程，2022，60（3）：125-128+133.

[2]李深.汽車主動懸架系統抗干擾控制方法[J].汽車測試報告，2023（9）：143-145.

[3]姜永晴，肖冰，趙萍.汽車鋼板彈簧的設計與懸架性能分析[J].汽車實用技術，2018（19）：147-149.

作者簡介：

石培培，女，1984年生，講師，研究方向為新能源汽車。

基金項目：深圳市第二職業技術學?！叭齾^”建設專項課題“中職專業課程線上線下混合式學習模式探究與實踐——以《汽車發動機故障診斷與維修》課程為例”（sqjs21024）