摘 "要：操縱穩(wěn)定性是車輛正常行駛時受到外界擾動后保持穩(wěn)定運行或迅速恢復穩(wěn)定的一種能力，對車輛安全平穩(wěn)運行至關重要。為優(yōu)化車輛的操縱穩(wěn)定性，對某SUV汽車進行動力性分析，建立物理模型和數(shù)學模型，闡述懸架對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。采用ADAMS/CAR進行整車建模，運用MATLAB軟件對操縱穩(wěn)定性評價指標進行評分。選取懸架的力學特性參數(shù)作為優(yōu)化變量，以操縱穩(wěn)定性評價指標的評分作為優(yōu)化目標，通過對比選取最優(yōu)方案。研究結果表明：NGSA-II算法對道路實驗評價指標的優(yōu)化效果較好，能夠顯著提升整車的操縱穩(wěn)定性。

關鍵詞：仿真實驗；操縱穩(wěn)定性；性能優(yōu)化；懸架；整車建模；NGSA-II算法

中圖分類號：U461.6 " " " " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " " " " "文章編號：1008-0562（2024）03-0333-09

Simulation test analysis and optimization of handling stability of an SUV vehicle based on ADAMS/CAR

LIU Keming1， WU Xueying1， WANG Baolai2， SUN Zhiyang1， JIANG Changpeng1

（1. School of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China;

2. Shenyang Vacuum Technology Research Institute Company Limited， Shenyang 110000， China）

Abstract： Handling stability is the ability of a vehicle to maintain stable operation or quickly restore stability after being disturbed by the outside world during normal driving， which is essential for the safe and stable operation of the vehicle. In order to optimize the handling stability of a vehicle， the dynamic analysis of an SUV was carried out， a physical model and mathematical model were established to explain the influence of suspension on the handling stability of the vehicle. ADAMS/CAR was used for vehicle modeling， and MATLAB software was used to score the handling stability evaluation index. The mechanical characteristics of the suspension were selected as the optimization variables， and the scoring value of the manipulation stability evaluation index was taken as the optimization goal， and the optimal scheme was selected by comparison. The results show that the NGSA-II algorithm has better optimization effect on the evaluation index of road test， and can significantly improve the handling stability of the vehicle.

Key words： simulation tests; maneuvering stability; performance optimization；suspension; vehicle modeling; NGSA-II algorithm

0 "引言

隨著汽車技術的不斷發(fā)展，汽車的動力性得到極大改善，與此同時，人們對于汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性以及乘坐舒適性也有了更高的要求。操縱穩(wěn)定性的好壞關系到駕駛指令能否被準確執(zhí)行、汽車在惡劣的道路上能否保持直線穩(wěn)定行駛，以及汽車受到影響后能否及時恢復直線穩(wěn)定行駛。為了保證駕駛安全、提高乘坐舒適性，對整車進行操縱穩(wěn)定性分析具有重要意義。

懸架是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素[1]。張漢宇[2]利用虛擬樣機技術對賽車進行建模仿真，對前懸架系統(tǒng)動力學模型進行靜態(tài)加載仿真計算和雙輪同向激振實驗模擬，以車輪外傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角為優(yōu)化目標，調(diào)整模型參數(shù)，并利用ADAMS/Insight進行優(yōu)化。郭佳琪[3]以某電動汽車為研究對象，運用ADAMS/CAR建立整車動力學模型，通過隨機輸入實驗和轉(zhuǎn)向回正實驗研究車輛的操縱穩(wěn)定性和平順性，運用遺傳算法優(yōu)化設計變量，提高汽車的操縱穩(wěn)定性。王帥[4]通過ADAMS建立整車系統(tǒng)動力學模型，并對整車模型進行雙移線仿真，分析汽車最速操縱穩(wěn)定性和不足轉(zhuǎn)向度的影響因素，結果表明，汽車質(zhì)心前移、降低質(zhì)心高度、增加前懸架側傾剛度均能夠改善汽車的最速操縱穩(wěn)定性。李翔宇等[5]在線性2自由度汽車模型的基礎上，建立了包含側傾運動的線性3自由度汽車模型，利用MATLAB軟件，同時改變2自由度模型與3自由度模型中某些特定參數(shù)，分析汽車的操縱特性，結果表明，與2自由度汽車模型相比，線性3自由度汽車模型能夠更好地反映汽車的操縱特性。聶夢龍等[6]以某輕型商用車為研究對象，開展了操縱穩(wěn)定性實驗，并分別對穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向盤角階躍、中心感蛇形迂回、瞬態(tài)中心轉(zhuǎn)向工況進行仿真，為后續(xù)研究奠定了理論基礎。周鵬程[7]基于ADAMS/CAR建立了麥弗遜前懸架虛擬模型，為提高四輪轉(zhuǎn)向汽車在中速段的操縱穩(wěn)定性、感知駕駛員轉(zhuǎn)向意圖的敏感度以及車速，設計了協(xié)同控制策略，結果表明，該策略在汽車中速行駛時能夠降低質(zhì)心側偏角，提高車輛的靈活性和穩(wěn)定性。

虛擬樣機技術能夠幫助設計者快速建立模型并進行實驗設計，廣泛應用于各個領域[8-14]。本文以某SUV汽車為研究對象，運用ADAMS/CAR虛擬樣機模擬技術，分析某SUV汽車的操縱穩(wěn)定性。通過整車建模，開展穩(wěn)定性仿真實驗和道路樣車實驗，通過對比選取最優(yōu)方案，優(yōu)化車輛的操縱穩(wěn)定性。

1 "懸架對整車操縱穩(wěn)定性的影響

1.1 "懸架對整車操縱穩(wěn)定性影響的理論分析

建立某SUV汽車的懸架系統(tǒng)7自由度物理模型，見圖1。

將前后彈簧受到的力與對應的位移，以及前后減振器受到的力與對應的速度輸入到ADAMS彈簧與減振器的屬性文件中，得到前后懸架彈簧力與位移變化曲線、減振器力與速度變化曲線，見圖5和圖6。由圖5可知，前后懸架彈簧力與位移呈線性變化，這是由彈簧特性決定的。由圖6可知，前后懸架減振器的力與速度呈非線性變化，即減震器阻尼系數(shù)呈非線性變化，這是由于車輪上跳與下落時所處的狀態(tài)不同，導致力與速度呈非線性變化。

2.2 "基于ADAMS/CAR整車操縱穩(wěn)定性實驗分析

分別對整車模型開展穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正和角階躍仿真實驗。根據(jù)《汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法》（QC/T480—1999）規(guī)定，利用MATLAB軟件對各評價指標進行評分，判斷整車的穩(wěn)態(tài)性能是否良好，是否需要進一步優(yōu)化。當評分大于100時，按100計算。

（1）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真實驗評分結果

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真實驗的主要參數(shù)有不足轉(zhuǎn)向度U、側向加速度an、車身側傾度Kφ，其仿真數(shù)據(jù)分別為0.642 0、5.030 6、0.418 8。將仿真數(shù)據(jù)導入MATLAB軟件，計算得到各評價指標NU、Nan、NKφ和總評價指標Nw的評分，其中，總評價指標的評分即為各評價指標評分的平均值。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真實驗各評價指標的評分見表1。

由表1可知，車身側傾度評價指標NKφ的評分最高，為100。這是由于在整車建模時加入了穩(wěn)定桿，能夠保障車身的平穩(wěn)行駛。不足轉(zhuǎn)向度評價指標NU與側向加速度評價指標Nan的評分分別為74.272 4、60.254 8，明顯小于NKφ的評分?？傇u價指標Nw的評分為78.182 4，表明穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真實驗各評價指標的評分還需繼續(xù)優(yōu)化。

（2）轉(zhuǎn)向回正仿真實驗評分結果

轉(zhuǎn)向回正仿真實驗的主要參數(shù)為穩(wěn)定時間t（即從仿真實驗開始到橫擺角速度達到最新穩(wěn)態(tài)的時間差）、橫擺角速度總方差Er、殘留橫擺角速度絕對值Δr（即松開方向盤3 s時所對應的橫擺角速度絕對值），其仿真數(shù)據(jù)分別為3.480 0、0.510 0、 " 0.560 4，將仿真數(shù)據(jù)導入MATLAB軟件，計算得到轉(zhuǎn)向回正仿真實驗各評價指標NEr、NΔr和總評價指標NH的評分，見表2。

由表2可知，殘留橫擺角速度絕對值評價指標NΔr與橫擺角速度總方差評價指標NEr的評分分別為63.168 0、88.640 0，總評價指標NH的評分為75.904 0，評分不高，表明轉(zhuǎn)向回正仿真實驗的各評價指標的評分均存在進一步優(yōu)化空間。

（3）角階躍仿真實驗評分結果

角階躍仿真實驗的主要參數(shù)為橫擺角速度響應時間 （即側向加速度為2 m/s2時，汽車橫擺角速度響應時間的實測值），其仿真數(shù)據(jù)為0.199 4。將仿真數(shù)據(jù)導入MATLAB軟件，計算得到角階躍響應評價指標NT的評分為60.165 3，評分較低，需進一步優(yōu)化。

2.3 "基于Isight的優(yōu)化及確定最優(yōu)方案

上述汽車操縱穩(wěn)定性仿真實驗各評價指標的評分均較低，需進行優(yōu)化[18-20]。采用NGSA-II算法與Multi-Island GA算法對參數(shù)進行優(yōu)化，通過對比確定最優(yōu)方案。

（1）選取設計變量

考慮實際情況的限制和影響優(yōu)化效果的主要因素，選擇齒條與轉(zhuǎn)向管柱中間襯套的垂向轉(zhuǎn)矩以及懸架力學特性參數(shù)為設計變量，其中，懸架的力學特性參數(shù)主要包括前后懸架的彈簧剛度、減震器阻尼系數(shù)。采取乘系數(shù)的方式，使設計變量在優(yōu)化過程中可以搭配不同的數(shù)值，最終在優(yōu)化數(shù)據(jù)中找到最優(yōu)解。建立的系數(shù)方程為

（14）

式中：Cf和fd分別為優(yōu)化前后汽車前懸減震器阻尼系數(shù)，N·s/m；Kf和fz分別為優(yōu)化前后汽車前懸彈簧剛度，N/mm；Cr和rd分別為優(yōu)化前后汽車后懸減震器阻尼系數(shù)，N·s/m；Kr和rz分別為優(yōu)化前后汽車后懸彈簧剛度，N/mm；T和Tz分別為優(yōu)化前后齒條與轉(zhuǎn)向管柱中間襯套的垂向轉(zhuǎn)矩，N·mm，取T的初始值為-20 N·mm；x、y、z、k、l為設計變量系數(shù)。

在開展操縱穩(wěn)定性仿真實驗和平順性仿真實驗時，針對汽車瞬態(tài)的不足轉(zhuǎn)向增益、懸架靜撓度、阻尼系數(shù)約束，確定設計變量系數(shù)的變化范圍，見表3。

（2）選取優(yōu)化目標

以各仿真實驗評價指標的評分作為優(yōu)化目標，評分越高，表明車輛的操縱穩(wěn)定性越好。

（3）確定約束條件

彈簧剛度取值范圍為20～60 N/mm，減震器阻尼系數(shù)取值范圍為1.5～3.5 N·s/m，齒條與轉(zhuǎn)向管柱中間襯套的垂向轉(zhuǎn)矩取值范圍為-30～-10 N·mm。

（4）確定優(yōu)化方案

分別采用2種算法進行優(yōu)化，通過對比，確定最終優(yōu)化方案。NGSA-II算法各參數(shù)設置見表4。Multi-Island GA算法各參數(shù)設置見表5。

在優(yōu)化過程中，不同的設計變量系數(shù)會產(chǎn)生不同的彈簧剛度和減震器阻尼系數(shù)組合。在Isight中選取不同的設計變量系數(shù)，得到不同優(yōu)化方案的解集與各評價指標的評分，見圖7。其中，標記為綠

色的數(shù)據(jù)為最優(yōu)解。

優(yōu)化后各評價指標的評分見表6。優(yōu)化前穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正、角階躍仿真實驗的總評價指標的評分分別為78.182 4、75.904 0、60.165 3，采用 NGSA-II算法、Multi-Island GA算法優(yōu)化后，評價指標的評分均有提高?？傮w而言，采用NGSA-II算法優(yōu)化后各評價指標的評分高于采用Multi- Island GA算法優(yōu)化后各評價指標的評分，表明NGSA-II算法的整體優(yōu)化效果相對更好，能夠更好地提升整車的操縱穩(wěn)定性，因此，本文選擇NGSA-II算法作為最終優(yōu)化方案。

2.4 "優(yōu)化后道路實驗值與仿真結果對比分析

（1）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)道路實驗值與仿真值對比

優(yōu)化后穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)道路實驗與仿真實驗參數(shù)響應對比見圖8。由圖8（a）和圖8（b）可知，優(yōu)化后側向加速度與車身側傾角均隨時間不斷增大。由圖8（c）可知，方向盤轉(zhuǎn)角隨時間先增大后保持不變。由圖8（d）可知，橫擺角速度曲線整體呈上升趨勢，這是由于隨著車輛速度的不斷增大，單位時間內(nèi)車輛走過的橫擺角度也不斷增大，因此，橫擺角速度隨時間不斷增大。由圖8（e）可知，車輛前進車速的初始值為10 km/h，車速隨時間持續(xù)增大，這是由于車輛處于穩(wěn)定的變加速行駛狀態(tài)，導致前進車速持續(xù)增大。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)道路實驗曲線與仿真實驗曲線整體上比較接近。

優(yōu)化前后穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)實驗各評價指標的評分見表7。由表7可知，優(yōu)化前后車身側傾角評價指標NKφ的評分均為100，始終與道路實驗評分相同。優(yōu)化前后不足轉(zhuǎn)向度評價指標NU的評分分別為74.272 4、90.895 1，道路實驗評分為91.145 8，優(yōu)化后NU的評分顯著提高。優(yōu)化前后側向加速度評價指標Nan的評分分別為60.254 8、73.911 9，道路實驗評分為73.549 2，優(yōu)化后Nan的評分與道路實驗評分非常接近。優(yōu)化后穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)實驗總評價指標Nw評分提高約12.901%，且各評價指標的評分均與道路實驗評分較接近，表明本次優(yōu)化能夠提升整車的操縱穩(wěn)定性。

（2）轉(zhuǎn)向回正道路實驗值與仿真值對比

優(yōu)化后轉(zhuǎn)向回正道路實驗與仿真實驗參數(shù)響應對比見圖9。由圖9（a）可知，待車速穩(wěn)定松開方向盤后，側向加速度緩慢波動，最終側向加速度在0 附近波動。由圖9（b）和圖9（c）可知，橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角均隨時間不斷減小，最終趨于穩(wěn)定，曲線前段波動較大，這是由于車輛前期的速度較大，松開方向盤后導致曲線出現(xiàn)較大波動，后期車速逐漸減小，車輛逐漸恢復穩(wěn)定行駛狀態(tài)，曲線波動也隨之減小?？傮w而言，優(yōu)化后轉(zhuǎn)向回正道路實驗與仿真結果基本一致，二者存在微小差異可能是由于在道路實驗中，電控裝備為不穩(wěn)定狀態(tài)下的車輛引入了轉(zhuǎn)向負反饋。

優(yōu)化前后轉(zhuǎn)向回正實驗各評價指標的評分見表8。由表8可知，優(yōu)化后橫擺角速度總方差評價指標NEr的評分提高了19.910%，與道路實驗評分相差0.413%。優(yōu)化后殘留橫擺角速度評價指標NΔr的評分提高了9.250%，與道路實驗評分非常接近，僅相差0.008%。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向回正實驗總評價指標NH評分提高了13.684%，表明優(yōu)化后車輛的回轉(zhuǎn)性能得到了較大提升。

（3）角階躍道路實驗值與仿真值對比

優(yōu)化后角階躍道路實驗與仿真實驗參數(shù)響應對比見圖10。由圖10（a）可知，車輛側向加速度的道路實驗結果和仿真實驗結果基本一致。在道路實驗中，由于存在數(shù)據(jù)采集偏差，導致道路實驗曲線存在波動。由圖10（b）可知，橫擺角速度的道路實驗結果與仿真實驗結果非常接近。橫擺角速度曲線前段震蕩明顯，這是由于在開展角階躍實驗時，要將方向盤迅速轉(zhuǎn)至某一角度，并保持該角度不變，在車輛自身懸架系統(tǒng)和慣性作用下，導致橫擺角速度發(fā)生較大波動。

優(yōu)化后橫擺角速度響應時間評價指標NT評分為90.915 0，與優(yōu)化前相比，提高了51.11%，且與道路實驗評分非常接近，僅相差0.031%，表明優(yōu)化后整車的操縱穩(wěn)定性能提升顯著。

由各實驗評價指標的評分可知，優(yōu)化前后車身側傾度評價指標的評分均為100，無明顯變化。優(yōu)化后不足轉(zhuǎn)向度、側向加速度、橫擺角速度總方差、殘留橫擺角速度、橫擺角速度響應時間評價指標的評分均有明顯提高，且與道路實驗評分非常接近，表明優(yōu)化后整車的操縱穩(wěn)定性得到了顯著提升。

3 "結論

（1）以某SUV汽車為研究對象，建立物理模型和數(shù)學模型，理論分析表明，懸架對整車操縱穩(wěn)定性影響較大。

（2）通過ADAMS/CAR模塊建立整車模型，并開展穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正、角階躍仿真實驗，根據(jù)國標規(guī)定的評價指標的評分計算方法，利用MATLAB軟件得出各實驗評價指標的評分。

（3）以懸架的力學特性參數(shù)、齒條與轉(zhuǎn)向管柱中間襯套的垂向轉(zhuǎn)矩為設計變量，以各操縱穩(wěn)定性評價指標的評分為優(yōu)化目標，通過對比，確定NGSA-II算法為最終優(yōu)化方案。優(yōu)化后各實驗評價指標的評分均有較大提高，且與道路實驗評分較接近，表明NGSA-II算法優(yōu)化效果較好，能夠顯著提升整車的操縱穩(wěn)定性。

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