改善车辆性能的越野车悬架系统的优化外文翻译资料

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改善车辆性能的越野车悬架系统的优化

摘要：车辆悬架设计包含许多措施来提供良好的稳定性和乘坐舒适性。越野车悬架系统的优化是最有效的方法之一，可以大大提高车辆的稳定性和操控性。在这项工作中，使用ADAMS软件进行了闭式车辆悬架系统模型的全面优化，利用遗传算法（GA）优化悬架系统的几何参数，提高车辆的乘坐舒适性，操控性和稳定性。在ADAMS中提出了优化悬架系统的结果以及由于路面不平度和不同转向角引起的几何参数的变化，并比较了优化和常规悬架系统在各种驾驶演习中的结果。仿真结果表明，通过优化的悬架系统，外倾角变化减小，从而改善了操纵性和乘坐舒适性。

1.综述

车辆的行驶舒适性和操纵稳定性是现代越野车的主要表现。 当车辆行驶时，来自路面的振动会对乘坐舒适性，操纵稳定性和行驶速度产生负面影响，也会损坏车辆零部件。 车辆悬架系统的目的是将车辆与路面传递的不舒适振动隔离开，并将控制力传递回轮胎，使驾驶员可以控制车辆。操纵可以表示为车辆对驾驶员通过方向盘给出的输入的响应。

通过对车辆在稳态和稳态时的滑动角、侧向加速度和车辆转向速度等参数的研究，分析了不同路径下车辆行驶平顺性。悬挂系统的几何结构可以显著地改变作用中心高度、外倾角和后倾角和后入/出角对乘坐和操纵特性的影响。因此，包括悬架几何模型在内的车辆模型被用来研究车辆的动力学特性。

考虑到悬架系统的几何形状和连接，JANSEN和OOSTEN使用了36自由度的模型。THORESSON评估了使用数学优化算法优化车辆悬架系统的乘坐舒适性和操控性。观察到行驶舒适性和操纵性的显着改善。TANG和GUO开发了一种五自由度半身车辆悬架系统，并将道路不平度强度模拟为过滤白噪声随机过程。遗传算法和神经网络控制被用来控制悬架系统。他们还利用ADAMS对车辆悬架系统五自由度半身的机械动力学模型进行了仿真分析。

BA等人基于先进而高效的功能虚拟样机（FVP）技术和软件ADMAS改进了巡逻森林火灾车辆中的双横臂（DW）悬架的性能。 他们表明，通过优化悬架系统，可以改善关键参数和总悬架性能。KANG等人研究了使用目标级联方法来改善车辆动态性能（乘坐舒适性，操纵稳定性）的悬架系统的稳健设计优化过程。 结果表明，悬架系统的建议设计方法是有效和系统的。NING等人分析了使用ADAMS对不同车辆适应性的悬架平顺性的运动学和动力学。

UYS等人研究了确定的弹簧和减振器设置将确保越野车辆在不同的道路轮廓和不同的速度下获得最佳的乘坐舒适性，在ADAMS软件中开发了路虎卫士的全3D模型。ELS等人分别研究了良好的乘坐舒适性和良好操控性的悬架要求。 他们专注于需要良好的路面操控性以及良好的越野行驶舒适性的车辆。PANG等人基于动态软件ADAMS建立了8times;4重型车辆的时域虚拟样机模型，以匹配悬架刚度并实现车辆平顺性的优化。

运动控制，稳定性维护和平顺性是越野车辆设计中的重要问题。 在不同于乘坐舒适性至关重要的乘用车的越野车中，悬架系统设计的主要目标是维持稳定性，改善高颠簸路面的操控性和乘坐舒适性。在以前的研究中，只考虑了乘坐舒适性的提高，或者采用直接转矩和主动转向系统等控制系统来提高车辆的稳定性和操纵性，此外，没有考虑悬架系统的几何和类型对稳定性和乘坐舒适性的影响。AFKAR等人在ADAMS中对DW悬架系统进行了建模，然后通过研究在不同车辆操纵过程中车轮和悬架系统的几何参数和角度来优化悬架系统的机构和几何结构。 他们发现，通过优化悬架系统的几何参数，车辆能够沿着目标路径以最小的偏差跟随稳定性维护和改善乘坐舒适性条件。

对DW和麦弗逊悬架系统进行了比较研究，以提高各种机动过程中的乘坐和操纵水平。 选择DW系统是因为它比MacPherson系统具有理想的优势。 通过遗传算法优化几何参数，研究了DW悬架系统的几何参数对越野车辆操纵稳定性和乘坐舒适性的影响。 最后，利用ADAMS中的车辆综合建模，进行车辆在J转弯和车道变换机动过程中的动态行为仿真。

2.悬架系统几何结构

DW系统中的悬挂系统几何结构与MacPherson和Pendulum系统等其他系统相比，对车辆操纵和乘坐舒适性有显着影响。因此，本文研究了主要用于越野车辆的DW悬架系统的几何参数对操纵和平顺性的影响。 影响悬架系统和车辆行为几何参数的另一个重要问题是悬架系统类型。 为了研究悬架系统类型对乘坐舒适性和车辆操纵性的影响，比较了传统DW和麦弗逊悬架系统的性能。 图1显示了研究的悬架系统。

图1 DW和麦弗逊悬架系统的机构

麦弗逊系统是两种悬架设计中较简单的一种，因此，这种类型的悬架可能会出现问题的情况较少。 另外，麦弗逊系统在水平方向上占用的空间稍小一些，这为前驱动轴穿过前部留出了更多的空间，并且允许更多的乘客舱空间。与任何其他独立悬架类型相比，麦弗逊系统也相对便宜。 麦弗逊式设计的另一大优势是减少了簧下质量，这不仅减少了汽车的总质量，而且影响汽车加速度。虽然它是一种主流的选择，但由于其简单性和低制造成本，该设计在乘坐质量和汽车操纵方面存在一些缺点。几何分析表明，如果没有某种程度的外倾角变化，车轮的横向移动或垂直移动都不允许。它通常不会像DW悬架那样提供良好的操控性，因为让工程师选择外倾角和滚转中心的自由度更小。另一个缺点是，与DW相比，它倾向于将来自道路的噪音和振动直接传递到车身外壳中，从而产生更高的噪音水平和严酷的驾乘感觉，这要求制造商增加额外的降噪或消除和隔离机制。

DW悬架设计有很多优点。 首先，由于上臂和下臂的长度，垂直悬挂运动使负外倾角增加。 这意味着转弯外侧的轮胎与道路保持更好的接触，因为车身侧倾发生的负外倾增益有助于确保轮胎的接地面积尽可能大。此外，这样可以让汽车在所有条件下（除了轮胎在转弯内侧，但由于它们不提供与外侧轮胎一样多的转弯力，这种折衷仍然以处理性能的整体增益结束）都能保持较大的接触面积（上臂和下臂的精确长度决定了车身外倾增益的大小）。因为在有垂直悬架运动时弧度会发生变化，所以在转弯时可以有适当的负外倾角，而汽车沿直线前进时不会有相同的弧度，而对于其他系统，则必须 拨动一定量的负外倾角，即使在汽车直行时也会一直存在，这会导致轮胎磨损增加。此外，该系统的刚性可防止在转弯过程中发生偏转，即使在应力作用下也能保持转向和车轮对齐不变。 因此，在这项工作中，比较了DW和优化的DW悬架系统关于几何参数和车辆动态变量的性能。

此外，系统的刚性可以防止在转弯过程中发生偏转，其中影响车辆导向的主要运动因素是外倾角。 外倾角是车辆车轮的角度。 具体而言，从前方或后方观察时，用于转向的车轮的垂直轴与车辆的垂直轴之间的角度。 它用于转向和悬架的设计。 如果车轮顶部比底部远（即远离车轴），则称为正弧度，如果车轮底部比顶部远，则称为负弧度。外倾角改变了特定悬架设计的操纵质量。 尤其是，转弯时负弯度会提高抓地力。 这是因为它使轮胎与道路成一个更好的角度，通过轮胎的垂直平面传递力，而不是通过剪切力。 在带有DW悬架的汽车中，外倾角可能是固定的或可调整的，但在麦弗逊悬架中，它通常是固定的。

主销后倾角是从纵向测量的车辆中转向车轮的悬架的垂直轴线的角位移。 它是枢轴线（在汽车中，一条穿过上球节点中心到下球节点中心的假想线）与垂直线之间的角度。

束角是每个车轮与车辆的纵向轴线所成的对称角度，作为静态几何形状和运动学和柔顺效应的函数。这可以与转向相反，转向是反对称角度，即两个轮子平行（大致）指向左侧或右侧。内束角是车轮的前部指向朝着车辆中心线的方向，外长角是车轮的前部指向远离车辆中心线的方向。束角可以以线性单位，轮胎前部或角偏转来测量。 图2显示了DW悬架系统的车辆几何参数。

行驶方向

外张角

前束角

前倾角

内倾角

外倾角

主销后倾角

图2 DW悬架系统几何参数

改变悬架系统的每个几何参数都会影响其他参数。 对于阶梯函数输入，显示由于转向和外倾角而在轮胎中产生的力可能对车辆的稳定性产生不利影响。 图3示意性地描绘了由于三种不同条件下的车轮振动而引起的外倾角变化。

负位移

正位移

负质量

图3 车轮振动产生的不同类型外倾角

3.双横臂悬挂系统的几何模型

车辆在滚动平面中的动态运动一般用图4所示的4自由度模型来描述。滚动角（Phi;）和垂直位移（z）被视为输入。 Ieq和M分别是车辆的惯性和质量。Keq和Ceq是分别是等效弹簧和阻尼率，从双横臂悬架系统的运动学和力学分析中获得。r，l指数分别表示半车模型中的左侧和右侧。 此外，t和s分别指定轮胎和悬架。

图4 半车模型

为了研究几何参数对车辆行驶舒适性的影响，根据图3，对于具有短臂悬架（SLA）的DW悬架系统考虑了由于车辆侧倾和轮胎垂直偏转（凸起）引起的外倾角的变化。它的理想和最佳状态是当上臂比下臂短并且外倾角为负时。 为了确定车轮波动期间的外倾角，我们应该确定耦合器角度的变化，作为耦合器点C的垂直运动z的函数。悬架几何参数如图5所示。

图5 双横臂悬挂系统及其几何参数

图5显示了双横臂悬挂系统及其几何参数，其中a，b和c是双横臂悬挂连杆的长度，并且₄,  ₃, ₂指定了它们的方位位置。 另外，是耦合器的角度。 根据图5，悬架系统处于动态平衡状态，当DW悬架系统的臂形成初始角度₄₀, ₃₀ abd ₂₀时。外倾角（）定义为（₃₀₃）。 根据图5，₃可以根据车轮的位移高度获得

通过结合等式 （1）至（4），获得了基于车轮几何形状和悬架系统的外倾角变化。 图6显示了用于后倾角（）和转向角偏差（）的DW悬架系统的前视图和侧视图。



转向轴

转向轴

侧视图

正视图

图6 车轮几何的前视图和侧视图

如图6所示，转向轴沿方向切割车轮与地面的接触面（s_a, s_b, R_w），如方程（5）至（7）

因此，可以基于与外倾角有关的悬架几何规格来获得后倾角变化，转向角偏差和轮胎侧偏运动。

4.基于遗传算法优化DW悬架系统几何参数

遗传算法（GA）是一种模仿自然进化过程的搜索启发式算法。 这种启发式方法通常用于生成优化和搜索问题的有用解决方案。 遗传算法属于更大类的进化算法（EA），它使用受自然进化启发的技术（如遗传，变异，选择和交叉）产生优化问题的解决方案。 遗传算法可用于生物信息学，系统发生学，计算科学，工程学，经济学，化学，制造，数学，物理学等领域。 典型的遗传算法需要求解域的遗传表示和求解域的适应度函数。

考虑用于优化DW悬架系统几何参数的GA参数，如表1所列。为了使用GA进行优化，应该定义目标函数，变量和目标函数约束。 由于车轮振动引起的外倾角变化可以通过减少摩擦并在特定高度将其最小化来优化。 为此，分别将悬架几何参数的曲率变化范围和变化范围分别视为目标函数和约束条件。 表2给出了越野车悬架系统几何参数的优化结果。

表1 GA参数

表2 越野车悬架系统的优化几何参数

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