汽車轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)與整車操控性能探討

摘要在汽車實(shí)際操控過程中，助力泵轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架控制器系統(tǒng)對汽車平穩(wěn)行駛有著巨大影響。汽車助力泵為調(diào)整方向的零部件，能夠有效完成方向糾偏及剎車助力。主動懸架控制器則主要用于汽車轉(zhuǎn)動角度、角速度與垂直加速度等的控制，來實(shí)現(xiàn)汽車平穩(wěn)操控與安全運(yùn)行。針對主動懸架控制器和助力泵轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過相應(yīng)減振、助力轉(zhuǎn)向器或電動泵等數(shù)據(jù)分析，得出汽車轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)對汽車操控性能的影響，從而對車輛行駛或轉(zhuǎn)向進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提升車輛駕駛中的安全性與操控性。當(dāng)前主動懸架與汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)為汽車控制研究的重點(diǎn)內(nèi)容。在汽車某一主動懸架控制器自由轉(zhuǎn)動模型中，主要通過自適應(yīng)控制算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成汽車轉(zhuǎn)動方向或振動幅度的控制。因此對汽車轉(zhuǎn)向或主動懸架系統(tǒng)的研究，能夠針對車身、發(fā)動機(jī)等轉(zhuǎn)向影響因素，進(jìn)行車輛行駛或轉(zhuǎn)向的優(yōu)化調(diào)整，以提升車輛駕駛中的安全性與操控性。

汽車液壓助力轉(zhuǎn)向及主動懸架操控系統(tǒng)概述

當(dāng)前對于汽車操控系統(tǒng)中控制器的研究，著重于影響汽車多向運(yùn)動的非線性因素剖析。通過對干擾性更強(qiáng)的非線性控制因素的研究，從而得出汽車液壓助力轉(zhuǎn)向、主動懸架操控系統(tǒng)的控制效果。當(dāng)下汽車轉(zhuǎn)向通常為機(jī)械液壓助力系統(tǒng)，其主要包括液壓助力、機(jī)械裝置兩部分內(nèi)容，液壓助力系統(tǒng)涵蓋了管線電路、液壓助力泵和轉(zhuǎn)向油泵等內(nèi)容；機(jī)械裝置涵蓋轉(zhuǎn)向傳動搖臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、拉桿和壓力軸承等。因此液壓助力系統(tǒng)能在保證汽車安全情況下，提升車輛轉(zhuǎn)向的靈活性。而主動懸架操控系統(tǒng)是連接車軸與車身的主要部分，通過減輕車身與車輪之間的負(fù)載沖擊，保證在復(fù)雜路面車身轉(zhuǎn)向與行駛的安全。因此主動懸架操控系統(tǒng)作為動力控制生發(fā)器，其能根據(jù)外部干擾因素的變化，對汽車的轉(zhuǎn)向、平衡激勵與行駛狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在主動懸架系統(tǒng)的設(shè)計過程中，通過引入VOFB自適應(yīng)控制算法，來對各個性能指標(biāo)進(jìn)行干擾因素的控制運(yùn)算，最終得出主動懸架操控系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，并對其中的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行分析。

汽車垂直方向與橫向運(yùn)動的動力學(xué)模型

2.1汽車橫向與縱向的非線性動力模型

在汽車保持勻速行駛過程中，側(cè)向風(fēng)及其他路面干擾因素，始終與車輛縱向面保持垂直關(guān)系。而且在汽車行駛或轉(zhuǎn)向的整個流程，側(cè)向風(fēng)壓力方向與汽車車身，也保持穩(wěn)定的角度關(guān)系。因此本文設(shè)置以車身為質(zhì)心的x、y、z坐標(biāo)系，x1、y1、z1坐標(biāo)系為主動懸架操控系統(tǒng)的坐標(biāo)，整個汽車存在4個懸架操控系統(tǒng)坐標(biāo)系。因此汽車縱向與橫向運(yùn)動的動力學(xué)模型如圖1所示：

圖1汽車縱向與橫向運(yùn)動的動力學(xué)模型2.2機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向模型

機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向模型包括轉(zhuǎn)向器、傳動搖臂和操作器件等部分組成。在汽車轉(zhuǎn)向過程中，駕駛員會施加轉(zhuǎn)向力于轉(zhuǎn)向盤，然后通過轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳輸至轉(zhuǎn)向器。在轉(zhuǎn)向器對施加轉(zhuǎn)向力進(jìn)行放大后，通過轉(zhuǎn)向搖臂將減速力傳輸至下一轉(zhuǎn)向節(jié)臂，最終帶動轉(zhuǎn)向節(jié)及車輪的轉(zhuǎn)動。因此轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向傳動軸之間的部件，為液壓助力轉(zhuǎn)向模型的操作器件。同時在駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的過程中，轉(zhuǎn)向搖臂、直拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂形成依次帶動，之后轉(zhuǎn)向節(jié)臂會將轉(zhuǎn)向力傳輸至轉(zhuǎn)向梯形臂，梯形臂將作用力傳輸至轉(zhuǎn)向橫拉桿。同時直拉桿帶動轉(zhuǎn)向控制閥，并借助機(jī)械轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油泵，其中轉(zhuǎn)向油泵在受到高壓作用力后，再經(jīng)過動力缸將液壓力傳輸至轉(zhuǎn)向橫拉桿。由此駕駛員在向機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向模型，施加較小轉(zhuǎn)向力時，就能夠帶動汽車車輪克服阻力來完成轉(zhuǎn)向。2.3汽車轉(zhuǎn)向的輪胎與路面模型

在汽車轉(zhuǎn)向角較小的情況下，汽車前后輪胎會發(fā)生側(cè)向偏移的力。整個車身的質(zhì)點(diǎn)也會在側(cè)向力影響下，發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生側(cè)偏角。而路面也會經(jīng)由輪胎，而將前后側(cè)傾力傳遞至轉(zhuǎn)向輪和小齒輪軸。而對于汽車轉(zhuǎn)向的路面模型，其主要對汽車主力懸架控制器及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在受到路面與側(cè)向風(fēng)隨機(jī)因素干擾后，汽車轉(zhuǎn)向路面模型主要運(yùn)用濾波白噪聲進(jìn)行表示。由于當(dāng)前汽車中安裝有電子助力轉(zhuǎn)向輔助器，因此其能夠完成對汽車垂直方向、橫向擺動角度與角速度的控制。路面模型中對汽車轉(zhuǎn)向的控制流程為：構(gòu)建汽車行駛的非線性系統(tǒng)，并對汽車擺動角度、側(cè)偏角與角速度進(jìn)行控制，以保證車身在縱向、橫向與側(cè)傾中的平穩(wěn)運(yùn)動。因此需要通過汽車液壓助力轉(zhuǎn)向、主動懸架等的控制，才能有效實(shí)現(xiàn)車輛行駛的平順性。

汽車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)整與優(yōu)化

3.1汽車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的選擇

當(dāng)前市面中大多數(shù)車型都采用機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進(jìn)行整車操控的性能控制。在汽車機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的選擇與安裝中，要根據(jù)不同汽車車型的重量、排量和發(fā)動機(jī)等，挑選接近車型的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，來完成相應(yīng)產(chǎn)品的指標(biāo)檢測。本文根據(jù)GB7258—87《汽車穩(wěn)定性操縱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向各項(xiàng)操作控制的測量。在汽車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前，需要檢測主動懸架、轉(zhuǎn)向操控器的安裝情況，并對各項(xiàng)元器件進(jìn)行潤滑處理。之后使用新輪胎并測定輪胎定位參數(shù)，實(shí)驗(yàn)前需要對輪胎進(jìn)行200km的行駛磨合。之后按照汽車行駛的要求，以勻速行駛的速度進(jìn)行直線或圓周行駛，測得車輛的行駛距離與側(cè)向加速度。3.2優(yōu)化前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能表現(xiàn)

汽車轉(zhuǎn)向力指的是駕駛員在操控轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的操作力及其運(yùn)動方向。對于轉(zhuǎn)向力大小的測量，主要運(yùn)用轉(zhuǎn)向軸操作力矩與轉(zhuǎn)向盤半徑的比值，來獲得沿著轉(zhuǎn)向盤方向的操作力。車輛轉(zhuǎn)向力過小或過大，都會對汽車行駛造成相應(yīng)的安全影響。首先車輛轉(zhuǎn)向力過大，會增加轉(zhuǎn)向連接器件的磨損程度，還會影響駕駛員的轉(zhuǎn)向操作與輪胎轉(zhuǎn)動，最終造成汽車行駛速度的降低。其中汽車轉(zhuǎn)向盤存在著一定的轉(zhuǎn)向較低，大多數(shù)車輪的輪轉(zhuǎn)角度不大于150度。在運(yùn)用轉(zhuǎn)向測力儀進(jìn)行測量過程中，發(fā)現(xiàn)汽車最大轉(zhuǎn)向力在135N左右。本文汽車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力較小，相比于相同重量、排量和發(fā)動機(jī)級別的車輛，轉(zhuǎn)向盤最大操作力矩和轉(zhuǎn)向盤最大作用力較小，轉(zhuǎn)向盤最大作用力的平均值為25N的水平。3.3汽車液壓助力泵轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化及性能表現(xiàn)

對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用力調(diào)整，主要通過調(diào)節(jié)液壓助力泵的壓力閥，進(jìn)行壓力或助力泵流量的調(diào)整。當(dāng)前大多數(shù)機(jī)械轉(zhuǎn)向傳動的調(diào)節(jié)，通常是對循環(huán)球式、齒條齒扇式等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而達(dá)到減小流量與增加作用力的效果。因此在進(jìn)行液壓助力泵優(yōu)化后，其流量曲線存在顯著下降的特征，而汽車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用力也發(fā)生，明顯增大。從相應(yīng)的操作結(jié)果可以得出：在進(jìn)行液壓助力泵流量曲線的優(yōu)化后，轉(zhuǎn)向盤最大操作力矩和轉(zhuǎn)向盤最大作用力增大，汽車最大作用力均值可達(dá)到50—100N水平。

主動懸架操控系統(tǒng)的調(diào)整與優(yōu)化

4.1主動懸架系統(tǒng)的車輛操控性能

汽車主動懸架操控系統(tǒng)，主要包括前懸和后懸兩種結(jié)構(gòu)形式，在主動懸架操控系統(tǒng)中使用低阻尼彈簧，進(jìn)行汽車行駛的減振設(shè)計。在以汽車行駛舒適性與平穩(wěn)性為目標(biāo)的前提下，通過多連桿結(jié)構(gòu)的阻尼設(shè)計，來完成車輛低阻尼系數(shù)減振器的安裝與調(diào)試，最后再對車輛操控性能進(jìn)行測試。當(dāng)前按照《汽車穩(wěn)定性操縱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對車輛以65km/h、80km/h速度行進(jìn)過程中，進(jìn)行車身轉(zhuǎn)盤角度、側(cè)傾角度、角速度與加速度等指標(biāo)的測試。在對汽車進(jìn)行減振器阻尼的優(yōu)化后，得出在蛇形車速情況下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，車輛在蛇形障礙的行駛過程中，相比于同重量、排量和發(fā)動機(jī)級別的車輛而言，汽車的側(cè)傾角度過大，車輛后置主動懸架系統(tǒng)會發(fā)生相應(yīng)的減震延遲，從而影響整個汽車的行駛操作。4.2主動懸架系統(tǒng)減振器的優(yōu)化

對于以上主動懸架系統(tǒng)減振器存在的問題，可得出汽車主動懸架系統(tǒng)的抗壓系數(shù)與能力較低。因此需要對車身的阻尼系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括車身負(fù)荷、減振器阻尼最佳匹配值等參數(shù)，才能有效提升減振器阻尼系數(shù)。當(dāng)前主動懸架系統(tǒng)減振器的阻尼系數(shù)調(diào)整如表1所示：

表1主動懸架系統(tǒng)減振器的阻尼系數(shù)4.3主動懸架系統(tǒng)減振器優(yōu)化后整車操控性能

在車輛以65km/h、80km/h速度行進(jìn)過程中，根據(jù)《汽車穩(wěn)定性操縱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，進(jìn)行前置、后置主動懸架操控減振器的阻尼系數(shù)調(diào)整。雖然在以車輛舒適性為汽車主要操控標(biāo)準(zhǔn)的情況下，幅度過大的主動懸架操控，會降低汽車行駛過程中的舒適性能，但整車的操控性能得到大大提升。當(dāng)前在汽車行駛路徑中放置10根標(biāo)樁，然后在汽車進(jìn)行蛇形障礙的行駛中，記錄轉(zhuǎn)向盤角度、車身側(cè)傾角度、角速度與加速度等指標(biāo)。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在汽車減振器阻尼的安裝優(yōu)化之后，車身操控性能具有明顯提升，車身負(fù)荷、減振器阻尼最佳匹配值增大，而汽車行駛中的車身側(cè)傾角度明顯減小。因此在整個汽車操控的駕駛體驗(yàn)中，相較于優(yōu)化前汽車的縱向與橫向振動幅度更小，在轉(zhuǎn)向方面也更加平穩(wěn)自然。結(jié)語

汽車行駛與