基于虚拟样机的汽车悬架与四轮转向综合控制动力学仿真分析

文章编号：１００２－４５８１（２００８）０１－０００１－０３

基于虚拟样机的汽车悬架与

四轮转向综合控制动力学仿真分析

杨秀林，钟绍华

ＹＡＮＧＸｉｕ－ｌｉｎ，ＺＨＯＮＧＳｈａｏ－ｈｕａ

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉

４３００７０）

摘要：利用ＡＤＡＭＳ软件对国内某前轮转向轿车的后悬架进行改造，建立具有主动悬架与四轮转向功能的整车

虚拟样机模型。在考虑了悬架系统、转向系统和轮胎影响的情况下，进行了汽车在不平路面弯道性能试验，揭示了汽车在悬架和四轮转向综合控制下的动力学特性，为四轮转向车辆未来的研究提供了参考依据。

关键词：ＡＤＡＭＳ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；主动悬架；综合控制；仿真

中图分类号：Ｕ４６３．３３：Ｕ４６３．４

文献标识码：Ａ

北京

０引言

各自的优势，较好地实现研究目的。本文利用

ＡＤＡＭＳ软件对国内某前轮转向轿车的后悬架

进行改造，建立具有悬架与四轮转向功能的整车虚拟样机模型，并与Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件联合仿真，进行整车动力学特性分析。

汽车

主动悬架能够通过控制力的输出，有效抑制路面不平引起的振动，改善车辆的平顺性；四轮转向能够通过车轮转向角的控制，减少转向过程中的横摆角速度，使车辆质心侧偏角接近零，保证车辆具有优良的循迹性。改善对驾驶员的控制指令的瞬态响应能力，抵御外界干扰的影响，减少偏航误差［

１］

１虚拟样机模型的建立

根据国内某轿车提供的实际数据参数，运用

。车辆质心侧偏角稳态值为零是四

２］

ＡＤＡＭＳ软件，通过面向对象的建模方法，建立

整车系统的运动部件和机构约束，定义了弹簧和具有非线性特性的阻尼器，从而建立整车模型。该车模型包括前悬架系统模型（包括转向系统、后悬架副车架、稳定杆、驱动轴、制动系统等）、系统模型（包括副车架、制动系统等）、车身系统模型，以及前后轮胎系统模型，如图１所示。根据对后轮独立悬架导向机构的要求，悬架上载荷变化时，轮距无显著变化；在转弯时，应使车轮与车身倾斜反向，以减小过度转向效应，后悬采用独立悬架。为了实现后轮转向，还建立了后转向节和转向拉杆等。轮胎模型采用ＭａｇｉｃＦｏｒｍｕｌａ轮

・１・

轮转向车辆公认的优越性［。但在某些时候（如

在不平路面的转向运动），平顺性与操纵稳定性对悬架与转向系统提出了相矛盾的要求，悬架和转向综合控制也就不可避免了。从车辆平顺性和操纵稳定性两方面的影响考虑：车身的垂直振动加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度对乘坐舒适性影响最大，应当予以限制；悬架变形不能过大，防止撞击缓冲块使平顺性变坏；车辆质心处侧偏角应当接近零。

将虚拟样机技术［

３］

的仿真软件ＡＤＡＭＳ和

控制工程软件Ｍａｔｌａｂ进行联合仿真，可以发挥

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・基于虚拟样机的汽车悬架与四轮转向综合控制动力学仿真分析・

胎模型［

４］

，其一般表达式为：跃时间为０．２ｓ的转向盘转角阶跃作为被动悬架和主动悬架四轮转向车辆的转向输入，记录车辆悬挂质量垂直、俯仰和侧倾方向的振动加速度，车辆侧向加速度、悬架动挠度的变化。

（ｘ）＝［Ｃａｒｃｔａｎ（Ｂｘ－Ｅ（Ｂｘ－ａｒｃｔａｎ（Ｂｘ）））］（１）ＹＤｓｉｎ

式（１）中，Ｙ（ｘ）可以是侧向力，也可以是回正力矩或纵向力，自变量为纵向滑移率ｋ，侧偏角α，外倾角γ和垂直载荷Ｆｚ，系数Ｂ、Ｃ、Ｄ依次由轮胎的垂直载荷和外倾角等来确定。各子系统模型包括刚体质块、约束、力元和衬套等。在建立该模拟整车模型的过程中，考虑所有约束以及相应的弹簧、橡胶衬套和转向助力等力元连接。同时也考虑了橡胶衬套、轮胎等非线性环节和减震器的非线性阻尼特性，以及特定部件的结构柔性，真实地反映实际车辆系统的细微结构。整车模型初步建成后，通过与实车实验数据对比，对所建模型进行不断地调试和仿真计算，验证模型的有效性，使其达到工程所要求的精度，主要参数列于表１。

图２车身质心垂直振动加速度

图３车身质心处俯仰角加速度

北京汽

图１

四轮转向多体动力学模型

图４

车身质心处侧倾角加速度

车

参

数

数

悬架刚度悬架阻尼悬挂质量非悬挂质量前轮前束角后轮前束角轮轴

距距

表１整车模型参数

值

参

数

数

值

２５０００Ｎ／ｍ４１６７Ｎ／ｍ１３７５ｋｇ３０ｋｇ－０．０８ｒａｄ０．００２ｒａｄ１．５ｍ２．３５ｍ０．００６６ｒａｄ０．００１６ｒａｄ

整车质量１４５０ｋｇ・１１００ｋｇｍ２・２３５０ｋｇｍ２・２４６５ｋｇｍ２

图５

车辆侧向加速度

ＩｘＩｙＩｚＩｘｚ悬架质心到侧倾轴距离转向系传动比质心到前轴距离质心到后轴距离

－１２ｋｇ・ｍ２

０．６ｍ２４．７１．３６ｍ２ｍｍ

对比图２、图３和图４可以得出：综合控制系统作用下车辆与被动悬架前轮转向车辆相比，首先车身垂直振动加速度均方根值由被动悬架前轮转向的７６３．２３４５ｍｍ／ｓ２减小到综合控制的

前轮外倾角后轮外倾角

５０５．０１１３ｍｍ／ｓ２，下降了３３．８％，俯仰角加速度均

方根值由被动悬架前轮转向的０．１８１１ｒａｄ／ｓ２减小到综合控制的０．１４１ｒａｄ／ｓ２，侧倾角加速度均方根值由被动悬架前轮转向的０．５６０５ｒａｄ／ｓ２减小到综合控制的０．３９１ｒａｄ／ｓ２，分别下降了２５％和

２虚拟样机原理样车不平路面弯道性能试验

在正弦叠加法生成的Ｃ级路面上，整车以

车速２０ｍ／ｓ匀速行驶。然后以幅值为０．６ｒａｄ，起・２・３０．２％，体现了主动悬架对车辆平顺性的改善效

果；同时从图４中我们可以推断车身侧倾角在综

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合控制系统下基本上仅在零值附近变动，这一方面是由于四轮转向系统在相同转向盘转角下比传统车辆侧向加速度小（如图５所示），另一个主要的原因是主动悬架的侧倾控制作用。侧倾角是评定车辆操纵稳定性的一个重要指标，它影响车辆横摆角速度稳态响应和瞬态响应，由于悬架的主动侧倾控制，使转向性能响应性好，实现了车辆转向时的高稳定性。

在车辆转向运动方面，综合控制系统下的横摆角速度稍减小，且受路面影响造成的波动很小（如图６所示）。车辆质心侧偏角在综合控制系统下基本控制在零值附近波动，相对于被动前轮转向得到明显的改善（如图７所示），体现了主动悬架和四轮转向系统双重作用的效果。从悬架动行程方面（如图８所示），在综合控制系统下，车轮的接地性能提高，悬架冲击缓冲块的几率下降，悬架动行程的减小也一定程度上改善了车身侧倾角的变化。

从以上分析可以得出结论，综合控制系统作用下的车辆被动悬架前轮转向车辆，比较起来不仅能够同时改善在不平路面转向的平顺性和操纵稳定性，而且能够提高车辆的安全性和主观评价。

３结束语

利用虚拟样机方法，模拟了具有非线性和参

数不确定性的实际车辆，通过仿真实验验证了悬架和四轮转向综合控制下对车辆平顺性和操纵稳定性的作用。仿真试验结果表明：将车辆作为一个有机的整体，系统化地将主动悬架与四轮转向系统结合，能够相互弥补各自的不足，兼顾车辆在变化路面上的乘坐舒适和转向运动性能，提高车辆在某些特定工况下的主观评价，在各种情况下兼顾车辆对操纵稳定性与平顺性两方面的要求，提高车辆整车性能。

参考文献

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［２］郭孔辉，轧浩．车辆四轮转向系统的控制方法［Ｊ］．吉林工业大学学报，１９９８，２８（４）．

［３］郑建荣，ＡＤＡＭＳ—虚拟样机技术入门与提高［Ｍ］．北

北京汽车

图６车辆横摆角速度

京：机械工业出版社，２００４．

［４］ＰＡＣＥＪＫＡＨ，ＢＥＳＳＥＬＩＮＫＩ．Ｍａｇｉｃｆｏｒｍｕｌａｔｙｒｅｍｏｄｅｌ

ｗｉｔｈｔｒａｎｓｉｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．ＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓＳｕｐｐｌｅ－ｍｅｎｔ，１９９７（２７）：２３９－２４９．

收稿日期：２００７－０８－１０

图７车辆质心侧偏角

图８悬架动行程

・３・

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