汽车转向及悬架系统与整车操控性能探讨
文章来源：《科技经济导刊》
发布时间：2020-06-16
当前主动悬架与汽车转向技术为汽车控制研究的重点内容。
在汽车实际操控过程中，助力泵转向系统和悬架控制器系统对汽车平稳行驶有着巨大影响。汽车助力泵为调整方向的零部件，能够有效完成方向纠偏及刹车助力。主动悬架控制器则主要用于汽车转动角度、角速度与垂直加速度等的控制，来实现汽车平稳操控与安全运行。针对主动悬架控制器和助力泵转向系统进行研究，通过相应减振、助力转向器或电动泵等数据分析，得出汽车转向及悬架系统对汽车操控性能的影响，从而对车辆行驶或转向进行优化调整，以提升车辆驾驶中的安全性与操控性。
当前主动悬架与汽车转向技术为汽车控制研究的重点内容。在汽车某一主动悬架控制器自由转动模型中，主要通过自适应控制算法及神经网络来完成汽车转动方向或振动幅度的控制。因此对汽车转向或主动悬架系统的研究，能够针对车身、发动机等转向影响因素，进行车辆行驶或转向的优化调整，以提升车辆驾驶中的安全性与操控性。
汽车液压助力转向及主动悬架操控系统概述
当前对于汽车操控系统中控制器的研究，着重于影响汽车多向运动的非线性因素剖析。通过对干扰性更强的非线性控制因素的研究，从而得出汽车液压助力转向、主动悬架操控系统的控制效果。当下汽车转向通常为机械液压助力系统，其主要包括液压助力、机械装置两部分内容，液压助力系统涵盖了管线电路、液压助力泵和转向油泵等内容；机械装置涵盖转向传动摇臂、转向节臂、拉杆和压力轴承等。因此液压助力系统能在保证汽车安全情况下，提升车辆转向的灵活性。
而主动悬架操控系统是连接车轴与车身的主要部分，通过减轻车身与车轮之间的负载冲击，保证在复杂路面车身转向与行驶的安全。因此主动悬架操控系统作为动力控制生发器，其能根据外部干扰因素的变化，对汽车的转向、平衡激励与行驶状态进行调整。在主动悬架系统的设计过程中，通过引入VOFB自适应控制算法，来对各个性能指标进行干扰因素的控制运算，最终得出主动悬架操控系统的响应曲线，并对其中的数据变量进行分析。
汽车垂直方向与横向运动的动力学模型
2.1 汽车横向与纵向的非线性动力模型
在汽车保持匀速行驶过程中，侧向风及其他路面干扰因素，始终与车辆纵向面保持垂直关系。而且在汽车行驶或转向的整个流程，侧向风压力方向与汽车车身，也保持稳定的角度关系。因此本文设置以车身为质心的x、y、z坐标系，x1、y1、z1坐标系为主动悬架操控系统的坐标，整个汽车存在4个悬架操控系统坐标系。因此汽车纵向与横向运动的动力学模型如图1所示：
2.2 机械液压助力转向模型
机械液压助力转向模型包括转向器、传动摇臂和操作器件等部分组成。在汽车转向过程中，驾驶员会施加转向力于转向盘，然后通过转向轴和转向节臂传输至转向器。在转向器对施加转向力进行放大后，通过转向摇臂将减速力传输至下一转向节臂，最终带动转向节及车轮的转动。因此转向盘与转向传动轴之间的部件，为液压助力转向模型的操作器件。同时在驾驶员转动转向盘的过程中，转向摇臂、直拉杆与转向节臂形成依次带动，之后转向节臂会将转向力传输至转向梯形臂，梯形臂将作用力传输至转向横拉杆。同时直拉杆带动转向控制阀，并借助机械转向器与转向油罐、转向油泵，其中转向油泵在受到高压作用力后，再经过动力缸将液压力传输至转向横拉杆。由此驾驶员在向机械液压助力转向模型，施加较小转向力时，就能够带动汽车车轮克服阻力来完成转向。
2.3 汽车转向的轮胎与路面模型
在汽车转向角较小的情况下，汽车前后轮胎会发生侧向偏移的力。整个车身的质点也会在侧向力影响下，发生偏转而产生侧偏角。而路面也会经由轮胎，而将前后侧倾力传递至转向轮和小齿轮轴。
而对于汽车转向的路面模型，其主要对汽车主力悬架控制器及转向系统产生影响。在受到路面与侧向风随机因素干扰后，汽车转向路面模型主要运用滤波白噪声进行表示。由于当前汽车中安装有电子助力转向辅助器，因此其能够完成对汽车垂直方向、横向摆动角度与角速度的控制。路面模型中对汽车转向的控制流程为：构建汽车行驶的非线性系统，并对汽车摆动角度、侧偏角与角速度进行控制，以保证车身在纵向、横向与侧倾中的平稳运动。因此需要通过汽车液压助力转向、主动悬架等的控制，才能有效实现车辆行驶的平顺性。
当前市面中大多数车型都采用机械液压转向系统，进行整车操控的性能控制。在汽车机械液压转向系统的选择与安装中，要根据不同汽车车型的重量、排量和发动机等，挑选接近车型的液压转向系统，来完成相应产品的指标检测。本文根据GB7258—87《汽车稳定性操纵试验标准》，进行汽车转向各项操作控制的测量。在汽车液压助力转向系统实验前，需要检测主动悬架、转向操控器的安装情况，并对各项元器件进行润滑处理。之后使用新轮胎并测定轮胎定位参数，实验前需要对轮胎进行200 km的行驶磨合。之后按照汽车行驶的要求，以匀速行驶的速度进行直线或圆周行驶，测得车辆的行驶距离与侧向加速度。
3.2 优化前转向系统的性能表现
汽车转向力指的是驾驶员在操控转向盘旋转时，所产生的操作力及其运动方向。对于转向力大小的测量，主要运用转向轴操作力矩与转向盘半径的比值，来获得沿着转向盘方向的操作力。车辆转向力过小或过大，都会对汽车行驶造成相应的安全影响。首先车辆转向力过大，会增加转向连接器件的磨损程度，还会影响驾驶员的转向操作与轮胎转动，最终造成汽车行驶速度的降低。其中汽车转向盘存在着一定的转向较低，大多数车轮的轮转角度不大于150度。在运用转向测力仪进行测量过程中，发现汽车最大转向力在135N左右。本文汽车液压转向系统的转向力较小，相比于相同重量、排量和发动机级别的车辆，转向盘最大操作力矩和转向盘最大作用力较小，转向盘最大作用力的平均值为25N的水平。
3.3 汽车液压助力泵转向系统的优化及性能表现
对于汽车转向系统的作用力调整，主要通过调节液压助力泵的压力阀，进行压力或助力泵流量的调整。当前大多数机械转向传动的调节，通常是对循环球式、齿条齿扇式等转向系统施加辅助作用力，从而达到减小流量与增加作用力的效果。因此在进行液压助力泵优化后，其流量曲线存在显著下降的特征，而汽车液压转向系统的作用力也发生，明显增大。从相应的操作结果可以得出：在进行液压助力泵流量曲线的优化后，转向盘最大操作力矩和转向盘最大作用力增大，汽车最大作用力均值可达到50—100N水平。
4.1 主动悬架系统的车辆操控性能
汽车主动悬架操控系统，主要包括前悬和后悬两种结构形式，在主动悬架操控系统中使用低阻尼弹簧，进行汽车行驶的减振设计。在以汽车行驶舒适性与平稳性为目标的前提下，通过多连杆结构的阻尼设计，来完成车辆低阻尼系数减振器的安装与调试，最后再对车辆操控性能进行测试。当前按照《汽车稳定性操纵试验标准》的要求，对车辆以65km/h、80km/h速度行进过程中，进行车身转盘角度、侧倾角度、角速度与加速度等指标的测试。在对汽车进行减振器阻尼的优化后，得出在蛇形车速情况下的实验参数。实验结果得出，车辆在蛇形障碍的行驶过程中，相比于同重量、排量和发动机级别的车辆而言，汽车的侧倾角度过大，车辆后置主动悬架系统会发生相应的减震延迟，从而影响整个汽车的行驶操作。
4.2 主动悬架系统减振器的优化
对于以上主动悬架系统减振器存在的问题，可得出汽车主动悬架系统的抗压系数与能力较低。因此需要对车身的阻尼系数进行调整，包括车身负荷、减振器阻尼最佳匹配值等参数，才能有效提升减振器阻尼系数。当前主动悬架系统减振器的阻尼系数调整如表1所示：
4.3 主动悬架系统减振器优化后整车操控性能
在车辆以65km/h、80km/h速度行进过程中，根据《汽车稳定性操纵试验标准》的要求，进行前置、后置主动悬架操控减振器的阻尼系数调整。虽然在以车辆舒适性为汽车主要操控标准的情况下，幅度过大的主动悬架操控，会降低汽车行驶过程中的舒适性能，但整车的操控性能得到大大提升。当前在汽车行驶路径中放置10根标桩，然后在汽车进行蛇形障碍的行驶中，记录转向盘角度、车身侧倾角度、角速度与加速度等指标。
最终实验结果得出，在汽车减振器阻尼的安装优化之后，车身操控性能具有明显提升，车身负荷、减振器阻尼最佳匹配值增大，而汽车行驶中的车身侧倾角度明显减小。因此在整个汽车操控的驾驶体验中，相较于优化前汽车的纵向与横向振动幅度更小，在转向方面也更加平稳自然。
结 语
汽车行驶与转向过程中常常会受到风力或其他路面因素的影响，而产生沿垂直方向或水平方向的运动，从而对汽车稳定行驶造成干扰。通过引入汽车液压助力转向系统以及主动悬架操控系统等，主要针对汽车纵向或横向的运动状态，来完成汽车转向及悬架系统的集成控制。通过对汽车驾驶的实践数据测量得出，对汽车液压助力转向系统以及主动悬架系统减振器的优化能够明显提升汽车在转向过程中的侧倾角度与操控性能。
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