基于仿真的汽车悬架参数匹配及其对操稳性的影响

基于仿真的汽车悬架参数匹配及其对操稳性的影响

作者：石培培

来源：《专用汽车》2024年第02期

摘要：研究基于仿真的汽车悬架参数匹配及其对操稳性影响的重要性，体现在它可以采用仿真技术高效快速地获得汽车悬架参数匹配关系，指导汽车悬架优化设计，相比传统的测试调试方法，大幅缩短研发周期，降低成本。同时仿真可以进行多种参数组合的虚拟试验，系统全面地研究匹配问题，找出理想方案，深入揭示参数匹配对汽车操稳性的内在影响机理。基于此，采用仿真技术研究汽车悬架参数匹配问题，探讨不同参数组合对汽车操稳性的影响，介绍汽车悬架参数匹配及其对操稳性的影响研究现状；其次，建立汽车悬架多体系统动力学模型，设计仿真实验方案，进行仿真试验，优化参数匹配方案。研究过程及结论开拓了汽车悬架研究新思路，为汽车悬架参数优化匹配和动力学行为研究提供了理论基础，具有重要的工程应用价值和前瞻性意义。

关键词：汽车悬架；参数匹配；仿真；操稳性

中图分类号：U463 收稿日期：2023-12-23

DOI：10.19999/ki.1004-0226.2024.02.011

1 前言

汽车悬架系统直接影响车辆的操稳性、舒适性和安全性，汽车悬架参数的匹配关系对车辆性能有重要作用[1]。传统的测试调试方法周期长、效率低，仿真技术为研究汽车悬架提供了新的手段，采用仿真可以快速得出参数匹配关系，指导汽车悬架优化设计。本文拟采用仿真技术建立汽车悬架动力学模型，设计多因素正交试验方案，系统研究刚度、阻尼、辊曲率半径等参数匹配问题，分析其对汽车操稳性的影响，找出优化方案，这对指导汽车悬架设计参数优化匹配具有重要意义。本研究可以为汽车悬架理论研究提供新的思路。

2 汽车悬架参数匹配及其操稳性影响研究现状

汽车悬架是汽车稳定性和舒适性的关键因素之一，其参数的匹配非常重要。当前的研究主要集中在汽车悬架的刚度、阻尼、几何参数等方面[2]。刚度和阻尼直接影响汽车的舒适性和稳定性，而几何参数则影响汽车的转向性能和行驶稳定性。目前的研究方法主要包括理论分析、数值模拟和实验验证，理论分析和数值模拟可以快速得到结果，而实验验证则可以提供更

准确的数据。此外，随着人工智能技术的发展，机器学习和优化算法也被应用于汽车悬架参数的匹配。

汽車的操稳性是指汽车在行驶过程中的稳定性和操控性。汽车悬架参数对操稳性的影响主要表现在转向反应、行驶稳定性和防侧翻稳定性等方面。转向反应是指汽车在转向操作后的反应速度和反应程度，汽车悬架刚度、阻尼和几何参数的不同会导致转向反应的不同[3]。行驶稳定性是指汽车在高速行驶或者遇到侧风等情况下的稳定性，汽车悬架参数的不同会影响汽车的气动特性和质心位置，从而影响行驶稳定性。防侧翻稳定性是指汽车在紧急避让或者转弯时的稳定性，汽车悬架参数的不同会影响汽车的侧倾角和侧倾速度，从而影响防侧翻稳定性。

3 汽车悬架动力学建模

汽车悬架动力学建模首先需要确定汽车悬架系统的组成，包括车体、前轮、后轮等刚体和连接刚体的弹簧、减震器等强制元件。然后建立刚体的运动学模型，采用刚体六自由度理论描述各刚体的位移和姿态；建立刚体的动力学模型，根据牛顿-欧拉运动方程描述各刚体的运动学特性。将刚体运动学和动力学方程组装起来考虑刚体间的几何约束和力的作用，可以得到整个汽车悬架系统的运动方程。

此外，还需要建立轮胎和地面接触模型，轮胎采用线性胎模描述胎的纵向和横向刚度特性，地面采用非线性魔毯模型考虑轮胎与地面的相对滑动，根据轮胎与地面接触分析计算轮胎的驱动力和侧力。通过上述汽车悬架系统多体动力学建模和车轮地面接触分析，可以得到描述整车三维空间运动的动力学模型，为后续的仿真实验研究奠定理论基础。

具体而言，刚体运动学模型采用欧拉角法描述刚体的转动运动，建立刚体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，得到刚体的位移和姿态；刚体动力学模型应用牛顿第二定律，以刚体质心为参考点建立运动方程，考虑外界作用力和刚体内部的约束力；通过运动方程的矩阵向量表达获得刚体运动学差分方程。刚体运动学模型和动力学模型的矩阵向量方程经过符号运算获得刚体运动方程的具体表达式。最后，考虑汽车悬架系统内力约束关系和刚体间接触力作用，建立系统运动方程。系统方程经过状态空间形式的整理，便于后续采用数值方法求解。

4 仿真实验方案设计

仿真实验方案设计是在建立汽车悬架动力学模型的基础上，针对影响汽车悬架性能的关键设计参数，采用设计试验理论和方法合理安排各参数的试验水平和组合，编制正交试验表，用于后续的仿真优化研究。仿真实验的主要内容包括：明确试验研究的目标和因素，即确定影响汽车悬架性能的刚度、阻尼、轮胎等关键参数；合理设定各参数的水平个数和取值范围，一般根据工程经验进行；采用统计试验设计方法，选择适当的正交表来安排试验，使各参数水平组合均匀配比，提高试验的代表性和结果分析的效率；根据正交表确定每次试验因素水平的组合

方案；设置试验响应指标，通常选择汽车操纵性和舒适性相关指标；将试验方案导入仿真环境中，设置模型参数并编写程序，获得各组合方案的仿真结果。

仿真实验方案的合理配置对试验的系统性、代表性与有效性至关重要，直接影响到研究结果的质量。设计试验理论为获取最佳参数匹配提供了科学方法的支持与保证。正交试验设计需要考虑多方面问题，既要使试验项目数量合理，又要兼顾试验的全面性，还需要细化分析步骤以提高运算效率。

5 汽车悬架参数匹配试验

汽车悬架参数匹配试验是在仿真模型与试验方案的基础上，针对刚度、阻尼、轮胎参数等关键因素，采用正交试验设计的试验矩阵，进行了系统的匹配关系研究。通过设置不同参数水平组合，仿真获得各评价指标数据，分析不同参数对汽车操稳性和舒适性的影响，得到各因素和水平的主次及交互作用，确定了刚度与阻尼的匹配关系，也探讨了轮胎参数的合理取值范围。试验结果为汽车悬架优化设计提供了理论支持，也验证了采用仿真技术研究汽车悬架参数匹配的效果。

5.1 刚度匹配试验

刚度匹配试验是采用正交设计矩阵，设置不同刚度水平组合进行仿真分析，研究刚度匹配对汽车操稳性和舒适性的影响。试验选取前悬和后悬刚度为因素，每个因素设置3个水平，即前刚度分别为16 kN/m、18 kN/m、20 kN/m，后刚度分别为15 kN/m、17 kN/m、19 kN/m。评价指标包括车体纵向加速度均方根、滚动横倾角和车身纵向振动加速度。

试验结果显示，前刚度为18 kN/m、后刚度为17 kN/m时，各项指标较优，车辆具有良好的操稳性和舒适性。分析刚度的主效应和交互作用，前刚度的主效应影响较大，后刚度影响较小；交互作用不显著。通过刚度匹配试验，确定了刚度参数的合理匹配范围，为优化汽车悬架刚度匹配提供了理论依据。采用正交试验可以有效评估各因素对响应值的影响，但是根据研究需要合理设置试验水平。本试验刚度水平选择较少，仅反映3个典型点的信息，不能充分反映连续变化情况。后续研究可采用更多水平的试验设计和响应面方法，获得刚度匹配的连续趋势信息。另外，可以增加车速等试验条件，研究刚度匹配关系的普适性。

5.2 阻尼匹配试验

阻尼匹配试验是在确定刚度匹配的基础上，研究汽车悬架阻尼匹配对车辆操稳性和舒适性的影响。试验因素为前阻尼和后阻尼，各设置2个水平，即前阻尼为1 200 N·s/m、1 500 N·s/m，后阻尼为1 300 N·s/m、1 600 N·s/m。评价指标包括车体垂向加速度峰值、车体横向加速度均方根和车辆转向操纵力。结果表明，前阻尼1 500 N·s/m、后阻尼1 600 N·s/m时，各项