汽車轉向及懸架系統(tǒng)與整車操控性能探討

摘要在汽車實際操控過程中，助力泵轉向系統(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動角度、角速度與垂直加速度等的控制，來實現(xiàn)汽車平穩(wěn)操控與安全運行。針對主動懸架控制器和助力泵轉向系統(tǒng)進行研究，通過相應減振、助力轉向器或電動泵等數(shù)據(jù)分析，得出汽車轉向及懸架系統(tǒng)對汽車操控性能的影響，從而對車輛行駛或轉向進行優(yōu)化調(diào)整，以提升車輛駕駛中的安全性與操控性。當前主動懸架與汽車轉向技術為汽車控制研究的重點內(nèi)容。在汽車某一主動懸架控制器自由轉動模型中，主要通過自適應控制算法及神經(jīng)網(wǎng)絡來完成汽車轉動方向或振動幅度的控制。因此對汽車轉向或主動懸架系統(tǒng)的研究，能夠針對車身、發(fā)動機等轉向影響因素，進行車輛行駛或轉向的優(yōu)化調(diào)整，以提升車輛駕駛中的安全性與操控性。

汽車液壓助力轉向及主動懸架操控系統(tǒng)概述

當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動的非線性因素剖析。通過對干擾性更強的非線性控制因素的研究，從而得出汽車液壓助力轉向、主動懸架操控系統(tǒng)的控制效果。當下汽車轉向通常為機械液壓助力系統(tǒng)，其主要包括液壓助力、機械裝置兩部分內(nèi)容，液壓助力系統(tǒng)涵蓋了管線電路、液壓助力泵和轉向油泵等內(nèi)容；機械裝置涵蓋轉向傳動搖臂、轉向節(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載沖擊，保證在復雜路面車身轉向與行駛的安全。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，對汽車的轉向、平衡激勵與行駛狀態(tài)進行調(diào)整。在主動懸架系統(tǒng)的設計過程中，通過引入VOFB自適應控制算法，來對各個性能指標進行干擾因素的控制運算，最終得出主動懸架操控系統(tǒng)的響應曲線，并對其中的數(shù)據(jù)變量進行分析。

汽車垂直方向與橫向運動的動力學模型

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，側向風及其他路面干擾因素，始終與車輛縱向面保持垂直關系。而且在汽車行駛或轉向的整個流程，側向風壓力方向與汽車車身，也保持穩(wěn)定的角度關系。因此本文設置以車身為質(zhì)心的x、y、z坐標系，x1、y1、z1坐標系為主動懸架操控系統(tǒng)的坐標，整個汽車存在4個懸架操控系統(tǒng)坐標系。因此汽車縱向與橫向運動的動力學模型如圖1所示：

圖1汽車縱向與橫向運動的動力學模型2.2機械液壓助力轉向模型

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

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

汽車液壓助力轉向系統(tǒng)的調(diào)整與優(yōu)化

3.1汽車液壓轉向系統(tǒng)的選擇

當前市面中大多數(shù)車型都采用機械液壓轉向系統(tǒng)，進行整車操控的性能控制。在汽車機械液壓轉向系統(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)動機等，挑選接近車型的液壓轉向系統(tǒng)，來完成相應產(chǎn)品的指標檢測。本文根據(jù)GB7258—87《汽車穩(wěn)定性操縱試驗標準》，進行汽車轉向各項操作控制的測量。在汽車液壓助力轉向系統(tǒng)實驗前，需要檢測主動懸架、轉向操控器的安裝情況，并對各項元器件進行潤滑處理。之后使用新輪胎并測定輪胎定位參數(shù)，實驗前需要對輪胎進行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行直線或圓周行駛，測得車輛的行駛距離與側向加速度。3.2優(yōu)化前轉向系統(tǒng)的性能表現(xiàn)

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

對于汽車轉向系統(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，進行壓力或助力泵流量的調(diào)整。當前大多數(shù)機械轉向傳動的調(diào)節(jié)，通常是對循環(huán)球式、齒條齒扇式等轉向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而達到減小流量與增加作用力的效果。因此在進行液壓助力泵優(yōu)化后，其流量曲線存在顯著下降的特征，而汽車液壓轉向系統(tǒng)的作用力也發(fā)生，明顯增大。從相應的操作結果可以得出：在進行液壓助力泵流量曲線的優(yōu)化后，轉向盤最大操作力矩和轉向盤最大作用力增大，汽車最大作用力均值可達到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構形式，在主動懸架操控系統(tǒng)中使用低阻尼彈簧，進行汽車行駛的減振設計。在以汽車行駛舒適性與平穩(wěn)性為目標的前提下，通過多連桿結構的阻尼設計，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行測試。當前按照《汽車穩(wěn)定性操縱試驗標準》的要求，對車輛以65km/h、80km/h速度行進過程中，進行車身轉盤角度、側傾角度、角速度與加速度等指標的測試。在對汽車進行減振器阻尼的優(yōu)化后，得出在蛇形車速情況下的實驗參數(shù)。實驗結果得出，車輛在蛇形障礙的行駛過程中，相比于同重量、排量和發(fā)動機級別的車輛而言，汽車的側傾角度過大，車輛后置主動懸架系統(tǒng)會發(fā)生相應的減震延遲，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)進行調(diào)整，包括車身負荷、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速度行進過程中，根據(jù)《汽車穩(wěn)定性操縱試驗標準》的要求，進行前置、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準的情況下，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。當前在汽車行駛路徑中放置10根標樁，然后在汽車進行蛇形障礙的行駛中，記錄轉向盤角度、車身側傾角度、角速度與加速度等指標。最終實驗結果得出，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，車身負荷、減振器阻尼最佳匹配值增大，而汽車行駛中的車身側傾角度明顯減小。因此在整個汽車操控的駕駛體驗中，相較于優(yōu)化前汽車的縱向與橫向振動幅度更小，在轉向方面也更加平穩(wěn)自然。結語

汽車行駛與