孫 文，李晨陽(yáng)，王軍年，錢灝喆，張文通

（1.常州工學(xué)院汽車工程學(xué)院，常州 213001；2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；3.常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，常州 213164）

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車由生產(chǎn)力工具逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛭磥?lái)的生活?yuàn)蕵?lè)工具，人們對(duì)于整車操作穩(wěn)定性和通過(guò)性要求提高的同時(shí)，更加注重車輛行駛的平順性。而以現(xiàn)代車輛中越野車為例，往往行駛在顛簸、泥濘等惡劣環(huán)境中，極大降低了車輛的舒適性和駕乘人員的駕乘感受。懸架系統(tǒng)作為車輛的重要組成部分之一，使車輪與車身實(shí)現(xiàn)了彈性連接，可有效地傳遞車輪與車身之間的力矩，緩沖路面對(duì)車身的沖擊和振動(dòng)，進(jìn)而確保車輛具有良好的平順性。近年來(lái)，很多學(xué)者為了進(jìn)一步提升車輛運(yùn)行品質(zhì)，對(duì)懸架動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面的研究和分析，以懸架特性參數(shù)合理匹配為研究重點(diǎn)，以改善汽車性能為目的，在路面激勵(lì)的作用下，對(duì)整車的平順性進(jìn)行優(yōu)化。

目前，對(duì)于車輛駕駛的操縱穩(wěn)定性和平順性提升的研究，主要是對(duì)其懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。懸架系統(tǒng)分為被動(dòng)懸架系統(tǒng)和可調(diào)式懸架系統(tǒng)。目前大多數(shù)汽車所裝的傳統(tǒng)懸架是被動(dòng)懸架，其剛度和阻尼系數(shù)一經(jīng)確定就無(wú)法改變，限制了車輛性能的提高。剛度和阻尼系數(shù)可調(diào)的懸架稱為可調(diào)式懸架系統(tǒng)，其中半主動(dòng)懸架因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高且剛度阻尼系數(shù)可變的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究對(duì)象。

在變阻尼懸架系統(tǒng)方面，章一鳴等在對(duì)傳統(tǒng)可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了可調(diào)減振器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。李幼德等研制開發(fā)了可調(diào)阻尼半主動(dòng)懸架控制器，通過(guò)硬件在環(huán)模擬仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制器的實(shí)用性。郭孔輝等從相頻的角度分析了經(jīng)典的開關(guān)型天棚控制和加速度阻尼控制的不足，提出了一種改進(jìn)的加速度阻尼控制器，并將其應(yīng)用在實(shí)際車輛上。但是上述文獻(xiàn)中懸架系統(tǒng)在對(duì)阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程中產(chǎn)生的激勵(lì)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了不良影響。國(guó)外則多以磁流變減振器為研究主體，比如美國(guó)馬里蘭大學(xué)航空工程系開發(fā)了充氣補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的汽車磁流變阻尼器。Choi 等設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于乘用車輛的單出桿雙筒磁流變減振器，通過(guò)分析Bingham、Bouc-Wen 和Biviscous 3 種模型，建立了該減振器的多項(xiàng)式模型，并通過(guò)減振器的特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性。Wang 等設(shè)計(jì)了一種新型的磁流變減振器控制方案，利用最優(yōu)選擇準(zhǔn)則對(duì)懸架系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行控制，提高了乘客的舒適性。由此可見，磁流變減振器在避免對(duì)懸架系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響的情況下，在實(shí)際的變工況環(huán)境中體現(xiàn)出了良好的減振效果。

在變剛度懸架系統(tǒng)方面，郭孔輝等建立了油氣消扭懸架系統(tǒng)的機(jī)械和液壓模型，進(jìn)行了消扭工況仿真，驗(yàn)證了油氣消扭懸架系統(tǒng)模型的正確性，保證了車輪與地面間良好的附著效果。李仲興等有效地解決傳統(tǒng)單氣室油氣懸架在不同載荷狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)性能矛盾，進(jìn)一步提高越野車輛的行駛性能。高曉東等結(jié)合范德瓦爾方程、油氣彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱力學(xué)相關(guān)理論分析了油氣彈簧溫升特性，為車輛油氣彈簧設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。Breytenbach等將可開關(guān)控制剛度和阻尼的雙氣室油氣懸架裝備于路虎越野車上并進(jìn)行道路試驗(yàn)，驗(yàn)證了它能通過(guò)開關(guān)來(lái)調(diào)整懸架剛度和阻尼，改善了車輛的懸架特性。但是由于油氣彈簧懸架密封性要求嚴(yán)格、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)油液低溫性能要求較高，所以油氣彈簧懸架應(yīng)用具有局限性，而空氣彈簧懸架在任意載荷下表現(xiàn)出良好的道路友好性，獲得了廣泛的關(guān)注。Li等基于垂向和縱向動(dòng)力耦合機(jī)理建立了輪轂直接驅(qū)動(dòng)-空氣懸架系統(tǒng)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了所提模型的有效性。Nazemian 等對(duì)全空氣懸架系統(tǒng)貨車進(jìn)行了研究分析，設(shè)計(jì)建立了基于模糊PID 控制的懸架動(dòng)力系統(tǒng)，提高了貨車的平順性和穩(wěn)定性。Yuan 等通過(guò)兩種不同的計(jì)算方式，驗(yàn)證了基于熱力學(xué)理論建立的空氣懸架模型的精準(zhǔn)性。崔曉利對(duì)電控空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的PID 控制器，使得空氣懸架能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)剛度和高度。張建文等通過(guò)總結(jié)空氣懸架系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)型式和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，指出了電子控制空氣懸架將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但是上述文獻(xiàn)中并未研究空氣彈簧在復(fù)雜路面下的工作損耗。

通過(guò)上述文獻(xiàn)可知，目前研究多為獨(dú)立使用空氣彈簧替代原有機(jī)械彈簧結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中多次調(diào)節(jié)彈簧內(nèi)部氣壓會(huì)加快彈性元件的損耗，使得可調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)實(shí)用性和普及性降低，尤其是對(duì)復(fù)雜路面下越野車行駛的平順性造成影響。為此，本文中首先建立空氣彈簧與螺旋彈簧并聯(lián)結(jié)構(gòu)理論模型，對(duì)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的剛度特性進(jìn)行分析；然后將并聯(lián)結(jié)構(gòu)運(yùn)用到原越野車懸架系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)出一種新型的復(fù)合型懸架結(jié)構(gòu)；接著提出一種新型工作模式切換控制策略，進(jìn)一步完善復(fù)合型懸架系統(tǒng)；最后建立了復(fù)雜路面工況，并對(duì)傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)與復(fù)合型懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證了所提出的復(fù)合型懸架系統(tǒng)在改善空氣彈簧損耗和提高平順性方面的可行性和有效性。

1 空氣彈簧方案設(shè)計(jì)

1.1 空氣彈簧模型的選擇和建立

研究表明，膜式空氣彈簧具有比囊式空氣彈簧更為理想的彈性特性。近年來(lái)隨著橡膠品質(zhì)的提升，其在汽車懸架上的應(yīng)用更為廣泛。同時(shí)對(duì)于本文中所提及的復(fù)合型懸架系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷，因此本文中采用膜式空氣彈簧作為復(fù)合型懸架的彈性元件。

由于膜式空氣彈簧系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、難建模的復(fù)雜系統(tǒng)，所以本文中將空氣彈簧假定為一種活塞缸式模型。這種模型僅考慮氣囊壓力與有效面積的關(guān)系，將空氣彈簧的有效面積等效成一個(gè)隨空氣彈簧高度而變化的線性函數(shù)，將其有效容積簡(jiǎn)化成與工作高度相關(guān)的一次性函數(shù)，可得空氣彈簧力計(jì)算公式：

式中：表示氣囊內(nèi)的初始?xì)鈮?；表示初始大氣壓；表示空氣彈簧?nèi)初始有效容積；表示任意時(shí)刻空氣彈簧氣囊的容積；表示空氣彈簧的有效容積變化率；表示空氣彈簧內(nèi)初始有效截面積；表示空氣彈簧橡膠氣囊內(nèi)有效面積變化率；表示空氣彈簧的高度變化量。

1.2 膜式空氣彈簧性能分析

根據(jù)本文中所建立的復(fù)合型懸架結(jié)構(gòu)，對(duì)比空氣彈簧的行程與汽車懸架的空余間隙，結(jié)合原有車輛機(jī)械懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)空氣彈簧關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行匹配，得到的某車用空氣彈簧具體參數(shù)如表1所示。

表1 空氣彈簧仿真參數(shù)

根據(jù)所建立的空氣懸架模型，選用B 級(jí)路面、60 km/h的車速為仿真工況，以某車用空氣彈簧為研究對(duì)象，得到如圖1和圖2所示的空氣彈簧剛度特性曲線。

圖1 空氣彈簧F-x特性曲線

圖2 空氣彈簧F-p特性曲線

在圖1 曲線中：空氣彈簧形變量相對(duì)位移為正時(shí)，表示壓縮；相對(duì)位移為負(fù)時(shí)，表示拉伸。空氣彈簧的絕對(duì)彈力是依賴于預(yù)載荷的，當(dāng)空氣彈簧的靜態(tài)載荷增加時(shí)，彈簧的剛度會(huì)隨之增加。分析圖1可得，當(dāng)空氣彈簧氣囊內(nèi)的氣壓升高時(shí)，空氣彈簧絕對(duì)彈力的幅值也隨之增加，進(jìn)而增大了空氣彈簧的剛度。因?yàn)楸疚闹兴O(shè)計(jì)的復(fù)合型懸架采用空氣彈簧與螺旋彈簧并聯(lián)的彈簧系統(tǒng)，為了減小從動(dòng)工作模式下空氣彈簧對(duì)原有懸架剛度的影響，所以本文中選擇0.3 MPa 曲線作為空氣彈簧氣囊的靜態(tài)特性曲線。

空氣彈簧氣囊在工作時(shí)，其絕對(duì)垂直彈力是正值。圖1仿真所得到的是氣囊的靜態(tài)特性，圖2為靜態(tài)工作下氣囊充放氣下空氣彈簧的彈力。由于空氣彈簧具有非線性、時(shí)變性的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性往往無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算和公式推導(dǎo)得出，需要通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)分析才能得到。所以本文中以靜態(tài)剛度特性-進(jìn)行分析仿真，以-特性曲線為剛度和充放氣的時(shí)間關(guān)系曲線來(lái)計(jì)算半主動(dòng)工作模式下電磁閥的通斷時(shí)間。

2 復(fù)合型懸架系統(tǒng)的建立

2.1 復(fù)合型懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

通過(guò)前面對(duì)變剛度懸架系統(tǒng)的調(diào)查分析可得，空氣懸架頻繁工作會(huì)影響空氣彈簧的壽命，所以本文中設(shè)計(jì)的復(fù)合型懸架采用螺旋彈簧與空氣彈簧系統(tǒng)并聯(lián)的形式，使車輛可以實(shí)現(xiàn)從動(dòng)與半主動(dòng)兩種工作模式的任意切換。在從動(dòng)工作模式下，車輛的主要彈性元件為螺旋彈簧，在不影響乘客舒適性的情況下，被動(dòng)地吸收能量緩和沖擊，將空氣彈簧的損耗量降到最低，以延長(zhǎng)其工作壽命；在半主動(dòng)工作模式下，考慮到螺旋彈簧無(wú)法在復(fù)雜工況下持續(xù)保持較好的平順性和操縱穩(wěn)定性，將車輛的主要彈性元件切換為空氣彈簧，由底盤控制單元分析當(dāng)前車輛行駛狀況并發(fā)出指令，控制進(jìn)排氣閥充放氣來(lái)調(diào)整彈簧剛度，使得車輛行駛時(shí)擁有良好的平順性。由于復(fù)合型懸架具有兩套相對(duì)獨(dú)立的彈性元件，所以當(dāng)車輛在半主動(dòng)工作模式下，空氣彈簧系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以將工作模式切換為從動(dòng)工作模式，確保車輛懸架系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，提高車輛的平順性、安全性和穩(wěn)定性。復(fù)合型懸架工作流程如圖3所示。

圖3 復(fù)合型懸架工作流程圖

（1）初始工作

當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，復(fù)合型懸架工作模式調(diào)整為從動(dòng)工作模式，通過(guò)分析當(dāng)前車輛行駛的路面狀況和車身加速度，對(duì)比人體舒適度指標(biāo)，在不啟動(dòng)空氣彈簧系統(tǒng)的情況下，依靠車載螺旋彈簧維持車輛在普通路面下的正常工作。

（2）對(duì)比條件與工作模式的切換

復(fù)合型懸架工作模式調(diào)整為從動(dòng)工作模式后，根據(jù)當(dāng)前的路面狀況和車身加速度，計(jì)算車身加速度的均方根值，對(duì)比控制器中的人體舒適度指標(biāo)，進(jìn)行工作模式的保留和切換。

（3）半主動(dòng)工作模式

當(dāng)懸架系統(tǒng)從動(dòng)工作模式無(wú)法達(dá)到人體舒適度指標(biāo)時(shí)，將從動(dòng)工作模式切換為半主動(dòng)工作模式。此時(shí)整個(gè)空氣彈簧系統(tǒng)作為當(dāng)前車輛的彈性元件，懸架系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)排氣閥對(duì)橡膠氣囊進(jìn)行充放氣來(lái)調(diào)整空氣彈簧的剛度，以保持車輛在惡劣路面條件下的正常行駛。同時(shí)計(jì)算從動(dòng)工作模式下當(dāng)前路面狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用以對(duì)工作模式是否再次切換進(jìn)行判斷。

（4）結(jié)束條件

當(dāng)車輛處于從動(dòng)工作模式下，其車身垂向加速度均方根值符合人體舒適度指標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)束工作。

2.2 復(fù)合型懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

懸架的力學(xué)模型是懸架性能分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其中復(fù)合型懸架作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)和控制首先要了解它的固有特性，作為控制系統(tǒng)的被控對(duì)象，復(fù)合型懸架系統(tǒng)具有非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)。

由于復(fù)合型懸架系統(tǒng)這一被控對(duì)象的復(fù)雜性，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，須在模型簡(jiǎn)化和精確度之間進(jìn)行折衷，本文中采用1/4車輛的單輪懸架系統(tǒng)模型。假設(shè)兩個(gè)車身和車軸是剛體，輪胎等效為只有剛度沒(méi)有阻尼力的線性彈簧。此時(shí)，單輪模型系統(tǒng)只有垂向振動(dòng)，可以描述車輛平順性性能的主要特征。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，暫不考慮輪胎的彈性作用及高度閥的控制作用，同時(shí)采用控制系統(tǒng)作為空氣彈簧充放氣時(shí)的變力系統(tǒng)。兩種工作模式的簡(jiǎn)化模型如圖4 所示，其中圖4（a）為從動(dòng)工作模式模型圖，圖4（b）在圖4（a）的基礎(chǔ)上加裝了變剛度空氣彈簧系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘胫鲃?dòng)工作模式。

圖4 復(fù)合型懸架模型圖

車輛的靜力平衡位置分別選擇各自的坐標(biāo)原點(diǎn)。從動(dòng)工作模式系統(tǒng)振動(dòng)微分方程可表示為

為了仿真與分析的方便，將可變剛度部分用一定范圍內(nèi)可變力代替。半主動(dòng)工作模式系統(tǒng)振動(dòng)微分方程可表示為

式中：m表示車輛的簧載質(zhì)量；表示車輛的非簧載質(zhì)量；k表示彈簧剛度；表示輪胎剛度；表示阻尼系數(shù)；x表示簧載質(zhì)量位移；表示非簧載質(zhì)量位移；表示路面垂向位移；表示系統(tǒng)可變力。

2.3 復(fù)合型懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的建立

為了確定復(fù)合型懸架實(shí)體參數(shù)，本文在ADAMS軟件中建立了如圖5所示的1/4 整車雙橫臂式前獨(dú)立復(fù)合型懸架實(shí)體模型。模型的具體結(jié)構(gòu)包括主銷、上橫臂、下橫臂、拉臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、車身、測(cè)試平臺(tái)和并聯(lián)彈簧系統(tǒng)等，其中約束副包括4個(gè)固定副，4個(gè)球副，2個(gè)旋轉(zhuǎn)副，1個(gè)移動(dòng)副，1個(gè)點(diǎn)面副。

為了降低懸架研究的復(fù)雜性，將圖5 的復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)，排除橫擺振動(dòng)、側(cè)傾振動(dòng)和其他干擾，只研究豎直方向的振動(dòng)。表2 為某越野車懸架和輪胎部分參數(shù)表，其中現(xiàn)有參數(shù)因?yàn)榧友b了空氣彈簧使得彈簧剛度不再是一個(gè)定值，所以無(wú)法提供。

圖5 雙橫臂式前獨(dú)立復(fù)合型懸架實(shí)體模型

表2 某汽車懸架和輪胎部分參數(shù)

3 復(fù)合懸架系統(tǒng)控制策略

3.1 空氣彈簧控制策略

當(dāng)前空氣彈簧的控制策略研究已較為成熟，包括PID 控制方法、模糊控制方法和滑模變結(jié)構(gòu)方法等。與其它的控制算法相比，PID 控制算法具有算法簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)汽車控制資源的占用較少，技術(shù)成熟成本較低易于推廣。故本文中采用PID控制策略，其控制流程如圖6所示。

圖6 空氣彈簧控制流程

首先采集車身垂向加速度和空氣彈簧內(nèi)的壓力，并在一定的采樣時(shí)間內(nèi)采用式（4）進(jìn)行加速度均方根值的計(jì)算，同時(shí)與給定的目標(biāo)值比較，判斷車身垂向加速度的均方根值是否超過(guò)給定的目標(biāo)值。如果超過(guò)目標(biāo)值調(diào)用PID 控制程序，控制器根據(jù)控制方法計(jì)算輸出量得到理論剛度，接著比較理論剛度和實(shí)際剛度來(lái)決定空氣彈簧是充氣還是放氣，最后再由剛度和充放氣的時(shí)間關(guān)系曲線得到電磁閥的通斷時(shí)間，從而調(diào)節(jié)空氣彈簧氣囊內(nèi)的壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度的目的。

式中：表示一定的采樣時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：X表示一定的采樣時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)。

考慮到不同路面等級(jí)下車身垂向加速度的趨勢(shì)相同，本文中仿真時(shí)采用D 級(jí)路面譜，越野車的行駛速度設(shè)定為60 km/h，其控制前后車身垂向加速度曲線如圖7 所示。由圖可見：在未施加控制時(shí)，車身垂向加速度均方根值為1.139 m·s；施加PID控制后下降至0.804 m·s，降低了29.41%。所以，本文中所采用的PID 控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合懸架系統(tǒng)的控制目的。

圖7 懸架PID控制前后車身垂向加速度響應(yīng)對(duì)比圖

3.2 工作模式控制策略

本文中提出的一種工作模式切換控制方案，相較于分別獨(dú)立使用被動(dòng)懸架系統(tǒng)和空氣懸架系統(tǒng)，在保證良好的平順性和操作穩(wěn)定性的同時(shí)提高了空氣彈簧的使用壽命，且可以根據(jù)駕駛員的意愿更改工作模式，滿足了駕駛員在任意道路下的期望。

首先初始化本系統(tǒng)為自動(dòng)控制模式，在自動(dòng)控制模式下，通過(guò)在一定的采樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加速度均方根值的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與給定的目標(biāo)值比較，判斷車身垂向加速度的均方根值是否超過(guò)給定的目標(biāo)值。如果超過(guò)目標(biāo)值則工作模式切換為半主動(dòng)工作模式，通過(guò)前面所述的空氣彈簧控制策略調(diào)節(jié)空氣彈簧氣囊內(nèi)壓力的方案，達(dá)到在當(dāng)前路面條件下提高車輛平順性和操作穩(wěn)定性的目的。如果均方根值未超過(guò)則繼續(xù)采用從動(dòng)工作模式。

在本系統(tǒng)初始化后，駕駛員也可以將工作模式更改為手動(dòng)工作模式，根據(jù)駕駛員的自我意識(shí)在從動(dòng)工作模式與半主動(dòng)工作模式之間自由切換。這種工作模式的切換極大地提高了駕駛員在行車途中的主觀能動(dòng)性，且在工作模式控制策略中加裝了安全控制，當(dāng)車輛在使用主動(dòng)工作模式，空氣彈簧發(fā)生故障無(wú)法調(diào)節(jié)剛度時(shí)，強(qiáng)制切換至從動(dòng)工作模式，同時(shí)關(guān)閉手動(dòng)模式下的自由切換，保證了車輛在行駛途中的安全性。

本文中設(shè)置仿真條件為D 級(jí)路面譜，越野車行駛速度設(shè)定為60 km/h，其控制前后車身垂向加速度曲線如圖8 所示。由圖可見：在未施加控制時(shí)，車身垂向加速度均方根值為1.165 m·s；施加工作模式控制后下降至0.733 m·s，降低了37.08%。因此，本文中所采用的工作模式控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合型懸架系統(tǒng)的控制目的。

圖8 懸架工作模式控制前后車身垂向加速度響應(yīng)對(duì)比圖

4 聯(lián)合仿真和結(jié)果分析

4.1 聯(lián)合仿真工況的建立

為了有效驗(yàn)證本文中所設(shè)計(jì)的復(fù)合型懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性，采用MATLAB 和ADAMS 的聯(lián)合仿真分析。表3 為國(guó)標(biāo)GB/T 4970—2009 中給出的懸架總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系。由表可知，當(dāng)加權(quán)加速度均方根值達(dá)到0.8時(shí)，人體出現(xiàn)不舒適的感覺，影響駕駛員的主觀感受。因此本文中在仿真分析時(shí)，設(shè)定加權(quán)加速度均方根值0.8 為舒適均方根值。當(dāng)加權(quán)加速度均方根值小于舒適均方根值時(shí)，采用從動(dòng)工作模式；當(dāng)加權(quán)加速度均方根值大于舒適均方根值時(shí)，采用半主動(dòng)工作模式。通過(guò)減少空氣彈簧在常規(guī)工況下的使用，可有效解決空氣彈簧的損耗問(wèn)題，在提高懸架系統(tǒng)總體性能的同時(shí)，起到延長(zhǎng)空氣彈簧壽命的作用。

表3 人體主觀感受表

表4 為40、60 和80 km/h 3 種車速不同路面等級(jí)下加權(quán)加速度均方根值對(duì)比，由表可見，在相同路面等級(jí)下，車速的提高使得加權(quán)加速度均方根值不斷提高，人體的主觀感受越來(lái)越差。

表4 不同路面等級(jí)下均方根值對(duì)比表

分析表4 可得，相同車速下的加權(quán)加速度均方根值會(huì)隨著路面等級(jí)的提高而降低，當(dāng)路面等級(jí)在C 級(jí)以上時(shí)加權(quán)加速度均方根值小于舒適均方根值0.8，而當(dāng)路面等級(jí)在D 級(jí)以下時(shí)加權(quán)加速度均方根值大于舒適均方根值0.8。因此，本文后續(xù)的仿真為了有效提升車輛的行駛平順性，將重點(diǎn)對(duì)D 級(jí)和E級(jí)路面（表5）進(jìn)行優(yōu)化。

表5 路面不平度系數(shù)表 10-6 m3

為了更好地模擬出復(fù)合懸架系統(tǒng)的實(shí)際工況，體現(xiàn)復(fù)合懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性，本文中根據(jù)GB 7031—86《車輛振動(dòng)輸入路面平度表示方法》中規(guī)定的路面功率譜密度的擬合表達(dá)式建立隨機(jī)路面激勵(lì)模型。采用1 階濾波帶限白噪聲的方法建立隨機(jī)路面激勵(lì)模型：

設(shè)定仿真車速為40、60 和80 km/h，建立聯(lián)合仿真的全路面等級(jí)激勵(lì)信號(hào)如圖9所示，其中0～10 s為A 級(jí)路面，10～20 s 為B 級(jí)路面，20～30 s 為C 級(jí)路面，30～40 s為D級(jí)路面，40～50 s為E級(jí)路面。

圖9 3種車速下全路面激勵(lì)信號(hào)

另外，為了體現(xiàn)本文中所設(shè)計(jì)的復(fù)合型懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性，截取C、D 和E 3 種路面等級(jí)激勵(lì)信號(hào)作為本文的仿真工況，如圖10所示。

圖10 3種車速下路面激勵(lì)信號(hào)

4.2 仿真結(jié)果分析

本文中在相同工況下分別對(duì)復(fù)合型懸架和傳統(tǒng)懸架進(jìn)行仿真分析，對(duì)比同一平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)下復(fù)合型懸架和傳統(tǒng)懸架的參數(shù)，得到如圖11～圖13 所示的平順性指標(biāo)對(duì)比圖。

圖11 40 km/h下平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖12 60 km/h下平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖13 80 km/h下平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖11～圖13 可見，在中低車速、路面輸入為C、D、E情況下，復(fù)合型懸架在車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)變形3 方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)懸架。

對(duì)比圖11～圖13中的（a）圖還可以看出，車身加速度振動(dòng)幅值隨車速的增加而有明顯增加，其車身垂向加速度的振動(dòng)峰值也在一定程度上有所增大。但相比于傳統(tǒng)懸架，復(fù)合型懸架車身垂向加速度的振動(dòng)峰值上升幅值較小。同理對(duì)比圖11～圖13中的（b）圖和（c）圖可以看出，復(fù)合型懸架在車速提升的情況下，其振動(dòng)峰值的上升幅度也明顯小于傳統(tǒng)懸架的上升幅度。

綜上所述，對(duì)比圖11～圖13，復(fù)合型懸架相比于傳統(tǒng)懸架，在車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)變形方面均有顯著優(yōu)勢(shì)。本文中提取了圖11～圖13的關(guān)鍵參數(shù)，列于表6中。

從表6可以看出：

表6 3種工況下兩種懸架系統(tǒng)平順性能對(duì)比

（1）復(fù)合懸架系統(tǒng)能有效改善車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)變形，其性能改善率分別為39.84%、49.06%、40.8%（3 種速度平均）。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合懸架優(yōu)于傳統(tǒng)懸架。

（2）在不同的速度下復(fù)合懸架對(duì)于車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)變形性能改善率略有不同。

綜上所述，在車身垂直加速度、懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)變形方面，復(fù)合型懸架均優(yōu)于傳統(tǒng)懸架，進(jìn)而使得加裝了復(fù)合型懸架的越野車在復(fù)雜路況下保持良好的操縱穩(wěn)定性和可靠性，改善了越野車行駛的平順性。因此本文中提出的復(fù)合型懸架系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)具有更好的行駛指標(biāo)。

5 結(jié)論

本文中采用MATLAB 和ADAMS 仿真軟件，對(duì)傳統(tǒng)懸架和復(fù)合型懸架進(jìn)行平順性分析，進(jìn)而得出了3種車速下兩種懸架系統(tǒng)的差異，得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)空氣彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了一種空氣彈簧與螺旋彈簧并聯(lián)的復(fù)合型懸架系統(tǒng)，以并聯(lián)式彈簧結(jié)構(gòu)替代原有的單一彈簧結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了空氣彈簧的使用壽命，解決了空氣彈簧在復(fù)雜工況工作下的損耗問(wèn)題。

（2）通過(guò)對(duì)復(fù)合型懸架系統(tǒng)進(jìn)行理想化分析，得到了復(fù)合型懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將PID 控制策略和工作模式切換策略相結(jié)合，以完善復(fù)合型懸架的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜工況進(jìn)行仿真分析，得出了復(fù)合型懸架系統(tǒng)的平順性指標(biāo)。

（3）經(jīng)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了所提出的優(yōu)化方案在提高復(fù)雜工況下越野車的整車平順性方面優(yōu)于傳統(tǒng)懸架方案，復(fù)合懸架優(yōu)化方案可行。

（4）在研究的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，由于越野車懸架模型采用單一獨(dú)立懸架模型，故目前僅對(duì)理想化模型進(jìn)行仿真分析。今后本文研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步對(duì)越野車復(fù)合型懸架系統(tǒng)進(jìn)行深度研究，提高模型的精度和復(fù)雜程度，進(jìn)而從參數(shù)匹配和控制等方面提高越野車行駛特性的準(zhǔn)確性與典型性。