一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法

1.本发明涉及车辆结构优化技术领域，具体涉及一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法。


背景技术：

2.悬架作为连接车辆车轮和车身之前的重要载荷传递元件，其结构会直接影响驾驶人员的乘坐感受，同时也会影响车辆的操纵稳定性能力。对于车辆整体来说，悬架系统是主要的机械零部件，其结构设计往往在车辆设计阶段进行，而一旦车辆悬架系统结构确定后，其结构性能也随之确定。因此，对车辆的稳定性控制进行探究的时候，往往将整车视作一个整体，没有考虑悬架结构，或者仅从悬架的刚度和阻尼来探究其对稳定性的影响，这是受限于悬架结构的不可逆。基于此，在车辆悬架设计阶段，结合悬架结构特点对车辆稳定性的影响，对悬架结构进行优化设计，可以达到在某一确定悬架型式的条件下，较大程度提高车辆稳定性的控制效果。
3.目前对悬架结构参数优化的研究一般是通过动力学仿真软件建立车辆的模型，以悬架系统的结构参数为设计变量，以车辆的操稳性和平顺性能作为响应目标，对设计变量进行灵敏度分析，利用ga(遗传算法)、pso(粒子群算法)、nsga(多目标优化算法)等算法完成悬架硬点参数的多目标优化。
4.目前对悬架系统的优化研究中缺少对车辆操稳性目标的考虑，缺乏相应的计算公式来进行合理量化，并且车辆的操稳性模型中也没有考虑悬架的k特性参数。
5.因此，如何综合考虑操稳性目标进行悬架参数优化以及提高操稳性模型的准确性，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法，该优化方法结合悬架结构特点对车辆操稳性的影响，针对悬架结构进行优化设计，得到具有更优操稳性指标的悬架结构，有利于提高车辆的操稳性。
7.本发明采用以下具体技术方案：
8.一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法，该悬架参数优化方法包括以下步骤：
9.步骤一，搭建悬架模型，进行悬架运动仿真，得到悬架的k特性参数，以悬架的结构参数和k特性参数作为多目标优化变量；
10.步骤二，基于悬架的k特性参数，构建整车操稳性动力学模型，进行仿真计算，得到车辆的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角；对整车操稳性动力学模型进行仿真计算的条件为：假定车辆匀速行驶在水平路面上，只通过转向操作控制车辆，以稳态侧向加速度为0.4g时的方向盘转角作为转向输入；
11.步骤三，基于得到的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角，计算瞬态响应水平和
瞬时变化率，并以瞬态响应水平和瞬时变化率作为车辆操稳性的客观评价指标；
12.步骤四，基于车辆操稳性客观评价指标确定优化目标函数，采用多目标优化方法进行优化计算，得到优化后的悬架结构参数和k特性参数。
13.更进一步地，在步骤三中，瞬态响应水平包括横摆角速度响应水平nω、车身侧倾角响应水平和质心侧偏角响应水平nβ；
14.横摆角速度响应水平nω为横摆角速度稳态增益水平nωr、横摆角速度响应时间水平nωt以及横摆角速度超调量水平nωη的算术平均值；
15.横摆角速度稳态增益水平nωr的计算公式为：
16.nωr＝4[(nωr1-nωr2)/(nωr1-nωr3)]+6
[0017]
nωr1为横摆角速度稳态增益上限值；nωr2为横摆角速度稳态增益实际值；nωr3为横摆角速度稳态增益下限值；
[0018]
横摆角速度响应时间水平nωt的计算公式为：
[0019]
nωt＝4[(nωt1-nωt2)/(nωt1-nωt3)]+6
[0020]
nωt1为横摆角速度响应时间上限值；nωt2为横摆角速度响应时间实际值；nωt3为横摆角速度响应时间下限值；
[0021]
横摆角速度超调量水平nωη的计算公式为：
[0022]
nωη＝4[(nωη1-nωη2)/(nωη1-nωη3)]+6
[0023]
nωη1为横摆角速度超调量上限值；nωη2横摆角速度超调量实际值；nωη3横摆角速度超调量下限值；
[0024]
车身侧倾角响应水平为车身侧倾角稳态增益水平车身侧倾角响应时间水平和车身侧倾角超调量水平的算术平均值；
[0025]
车身侧倾角稳态增益水平的计算公式为：
[0026][0027]
为车身侧倾角稳态增益上限值；为车身侧倾角稳态增益实际值；为车身侧倾角稳态增益下限值；
[0028]
车身侧倾角响应时间水平的计算公式为：
[0029][0030]
为车身侧倾角响应时间上限值；为车身侧倾角响应时间实际值；为车身侧倾角响应时间下限值；
[0031]
车身侧倾角超调量水平的计算公式为：
[0032][0033]
为车身侧倾角超调量上限值；为车身侧倾角超调量实际值；为车身侧倾角超调量下限值；
[0034]
质心侧偏角响应水平nβ由质心侧偏角稳态增益水平nβr、质心侧偏角响应时间水平nβt、质心侧偏角超调量水平nβη三者的算术平均值得到；
[0035]
质心侧偏角稳态增益水平nβr的计算公式为：
[0036]
nβr＝4[(nβr1-nβr2)/(nβr1-nβr3)]+6
[0037]
nβr1为质心侧偏角稳态增益上限值；nβr2为质心侧偏角稳态增益实际值；nβr3为质心侧偏角稳态增益下限值；
[0038]
质心侧偏角响应时间水平nβt的计算公式为：
[0039]
nβt＝4[(nβt1-nβt2)/(nβt1-nβt3)]+6
[0040]
nβt1为质心侧偏角响应时间上限值；nβt2为质心侧偏角响应时间实际值；nβt3为质心侧偏角响应时间下限值；
[0041]
质心侧偏角超调量水平nβη的计算公式为：
[0042]
nβη＝4[(nβη1-nβη2)/(nβη1-nβη3)]+6
[0043]
nβη1为质心侧偏角超调量上限值；nβη2为质心侧偏角超调量实际值；nβη3为质心侧偏角超调量下限值；
[0044]
横摆角速度稳态增益上限值、车身侧倾角稳态增益上限值、以及质心侧偏角稳态增益上限值均为0.33；横摆角速度稳态增益下限值、车身侧倾角稳态增益下限值、以及质心侧偏角稳态增益下限值的下限值均为0.16；横摆角速度响应时间上限值、车身侧倾角响应时间上限值、质心侧偏角响应时间上限值均为0.3；横摆角速度响应时间下限值、车身侧倾角响应时间下限值、质心侧偏角响应时间下限值均为0.1；横摆角速度超调量上限值、车身侧倾角超调量上限值、质心侧偏角超调量上限值均为0.8，横摆角速度超调量下限值、车身侧倾角超调量下限值、以及质心侧偏角超调量下限值均为0.3；
[0045]
瞬时变化率包括横摆角速度的瞬时变化率的绝对值最大值、车身侧倾角的瞬时变化率的绝对值最大值以及质心侧偏角的瞬时变化率的绝对值最大值。
[0046]
有益效果：
[0047]
本发明的悬架参数优化方法基于车辆操稳性目标，利用基于悬架运动构建的动力学模型进行操稳性仿真试验，得到车辆的横摆角速度、质心侧偏角以及车身侧倾角的变化，并以此定义六个车辆操稳性客观评价指标和优化目标函数，采用多目标优化方法进行优化计算，得到优化后的悬架结构参数和k特性参数，最终确定悬架参数的优化方案。优化结果表明优化后的横摆角速度、质心侧偏角以及车身侧倾角均得到了减小，且瞬时变化率极大值得到了限制，提高了车辆的稳定裕度。基于悬架k特性参数进行建模提高了车辆操稳性模型的准确性和优化计算效率，可以在悬架设计阶段得到具有更优操稳性指标的悬架结构，为搭配新型悬架的车辆操稳性控制研究提供了良好的基础。
附图说明
[0048]
图1为本发明悬架参数优化方法的流程图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
本实施例提供了一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法，如图1所示，在本实施例中以麦弗逊悬架模型为例进行说明，该悬架参数优化方法包括以下步骤：
[0051]
步骤一s10，搭建悬架模型，进行悬架运动仿真，得到悬架的k特性参数，以悬架的结构参数和k特性参数作为多目标优化变量；在构建悬架模型时，采用adams软件的car模块构建悬架模型，并采用matlab软件进行侧倾运动仿真；
[0052]
步骤二s20，基于悬架的k特性参数，在simulink中构建整车操稳性动力学模型，进行仿真计算，得到车辆的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角；对整车操稳性动力学模型进行仿真计算的条件为：假定车辆匀速行驶在水平路面上，只通过转向操作控制车辆，以稳态侧向加速度为0.4g时的方向盘转角作为转向输入；g为重力加速度；
[0053]
步骤三s30，基于得到的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角，计算瞬态响应水平和瞬时变化率，并以瞬态响应水平和瞬时变化率作为车辆操稳性的客观评价指标；
[0054]
步骤四s40，基于车辆操稳性客观评价指标确定优化目标函数，在isight中集成matlab，采用非归一化多目标优化方法进行优化计算，得到优化后的悬架结构参数和k特性参数。
[0055]
上述悬架参数优化方法基于车辆操稳性目标，利用基于悬架运动构建的动力学模型进行操稳性仿真试验，得到车辆的横摆角速度、质心侧偏角以及车身侧倾角的变化，并以此定义六个车辆操稳性客观评价指标和优化目标函数，采用非归一化多目标优化方法进行优化计算，得到优化后的悬架结构参数和k特性参数，最终确定悬架参数的优化方案。优化结果表明优化后的横摆角速度、质心侧偏角以及车身侧倾角均得到了减小，且瞬时变化率极大值得到了限制，提高了车辆的稳定裕度。基于悬架k特性参数进行建模提高了车辆操稳性模型的准确性和优化计算效率，可以在悬架设计阶段得到具有更优操稳性指标的悬架结构。采用上述步骤的悬架参数优化方法运算效率高，为搭配新型悬架的车辆操稳性控制研究提供了良好的基础。并且，优化前后结果表明优化后的横摆角速度、质心侧偏角、侧倾角均得到了减小，且瞬时变化率极大值得到了限制，提高了车辆的稳定裕度。
[0056]
悬架的k特性是指车身运动导致的悬架参数变化的特性；k特性参数主要包括轮跳运动参数和侧倾运动参数等，轮跳运动参数主要受悬架垂向运动的影响，侧倾运动参数主要受悬架侧倾运动的影响，本实施例中假定车辆在水平路面匀速行驶，因而忽略悬架垂向运动，只考虑侧倾运动。侧倾运动主要参数包括悬架侧倾中心、悬架侧倾中心高度、车轮外倾、车轮前束以及轮距。各参数运动特性描述的是给定车身侧倾角时导致的相应参数的变化及其变化率，如：车轮外倾是指在给定车身侧倾角度时车轮外倾角变化，在车辆行驶过程中，悬架运动学特性参数将会影响到车轮与地面的接触情况，进而影响车轮与车架的受力关系，最终影响到车辆的操纵稳定性。
[0057]
车辆具有侧向加速度时，前、后轴的左右两侧车轮的垂直载荷会发生转移，由此引起的悬架导向杆系的运动会影响悬架参数，不同悬架参数变化改变了轮胎的侧偏刚度和外倾侧向力，从而影响到轮胎弹性侧偏角的大小，从而影响车辆转向特性和操稳性。
[0058]
车辆操纵稳定性受车辆结构参数、环境条件和人为感觉等多种因素影响，操稳性特征量之间有不同的变化关系。结合gb/t6323-2014和qct 480-1999，以瞬态阶跃响应过程的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角三个特征量为基础，从不同的角度结合数学方法确定评价指标。根据gb/t6323-2014的规定，设定本实施例的仿真条件：在试验过程中不考虑制动，只有转向操作；试验车速的初始速度为80km/h，仿真采用驾驶员转向模型来控制车辆动作，记录稳态侧向加速度为0.4g时的方向盘转角。
[0059]
瞬态响应水平通过横摆角速度、车身侧倾角以及质心侧偏角来体现。横摆角速度指车辆绕垂直轴的偏转速率，该偏转的大小代表车辆的稳定程度。车身侧倾角代表翻车危险性，可以间接反映驾驶员的紧张程度，当侧倾角过大时，车辆具有侧翻的危险。质心侧偏角是质心速度与车身方向的夹角，其影响着车辆的行驶方向，质心侧偏角过大时，车辆会偏移行驶轨迹。对于横摆角速度、车身侧倾角以及质心侧偏角的瞬态响应曲线来说，稳态增益值、响应时间以及超调量是衡量其响应水平的特征。
[0060]
在上述悬架参数优化方法的步骤三中，瞬态响应水平包括横摆角速度响应水平nω、车身侧倾角响应水平和质心侧偏角响应水平nβ；
[0061]
横摆角速度响应水平nω为横摆角速度稳态增益水平nωr、横摆角速度响应时间水平nωt以及横摆角速度超调量水平nωη的算术平均值；
[0062]
横摆角速度稳态增益水平nωr的计算公式为：
[0063]
nωr＝4[(nωr1-nωr2)/(nωr1-nωr3)]+6
[0064]
nωr1为横摆角速度稳态增益上限值；nωr2为横摆角速度稳态增益实际值；nωr3为横摆角速度稳态增益下限值；
[0065]
横摆角速度响应时间水平nωt的计算公式为：
[0066]
nωt＝4[(nωt1-nωt2)/(nωt1-nωt3)]+6
[0067]
nωt1为横摆角速度响应时间上限值；nωt2为横摆角速度响应时间实际值；nωt3为横摆角速度响应时间下限值；
[0068]
横摆角速度超调量水平nωη的计算公式为：
[0069]
nωη＝4[(nωη1-nωη2)/(nωη1-nωη3)]+6
[0070]
nωη1为横摆角速度超调量上限值；nωη2横摆角速度超调量实际值；nωη3横摆角速度超调量下限值；
[0071]
车身侧倾角响应水平为车身侧倾角稳态增益水平车身侧倾角响应时间水平和车身侧倾角超调量水平的算术平均值；
[0072]
车身侧倾角稳态增益水平的计算公式为：
[0073][0074]
为车身侧倾角稳态增益上限值；为车身侧倾角稳态增益实际值；为车身侧倾角稳态增益下限值；
[0075]
车身侧倾角响应时间水平的计算公式为：
[0076][0077]
为车身侧倾角响应时间上限值；为车身侧倾角响应时间实际值；为车身侧倾角响应时间下限值；
[0078]
车身侧倾角超调量水平的计算公式为：
[0079][0080]
为车身侧倾角超调量上限值；为车身侧倾角超调量实际值；为车身侧倾角超调量下限值；
[0081]
质心侧偏角响应水平nβ由质心侧偏角稳态增益水平nβr、质心侧偏角响应时间水平nβt、质心侧偏角超调量水平nβη三者的算术平均值得到；
[0082]
质心侧偏角稳态增益水平nβr的计算公式为：
[0083]
nβr＝4[(nβr1-nβr2)/(nβr1-nβr3)]+6
[0084]
nβr1为质心侧偏角稳态增益上限值；nβr2为质心侧偏角稳态增益实际值；nβr3为质心侧偏角稳态增益下限值；
[0085]
质心侧偏角响应时间水平nβt的计算公式为：
[0086]
nβt＝4[(nβt1-nβt2)/(nβt1-nβt3)]+6
[0087]
nβt1为质心侧偏角响应时间上限值；nβt2为质心侧偏角响应时间实际值；nβt3为质心侧偏角响应时间下限值；
[0088]
质心侧偏角超调量水平nβη的计算公式为：
[0089]
nβη＝4[(nβη1-nβη2)/(nβη1-nβη3)]+6
[0090]
nβη1为质心侧偏角超调量上限值；nβη2为质心侧偏角超调量实际值；nβη3为质心侧偏角超调量下限值；
[0091]
横摆角速度稳态增益上限值、车身侧倾角稳态增益上限值、以及质心侧偏角稳态增益上限值均为0.33；横摆角速度稳态增益下限值、车身侧倾角稳态增益下限值、以及质心侧偏角稳态增益下限值的下限值均为0.16；横摆角速度响应时间上限值、车身侧倾角响应时间上限值、质心侧偏角响应时间上限值均为0.3；横摆角速度响应时间下限值、车身侧倾角响应时间下限值、质心侧偏角响应时间下限值均为0.1；横摆角速度超调量上限值、车身侧倾角超调量上限值、质心侧偏角超调量上限值均为0.8，横摆角速度超调量下限值、车身侧倾角超调量下限值、以及质心侧偏角超调量下限值均为0.3；
[0092]
瞬时变化率包括横摆角速度的瞬时变化率的绝对值最大值、车身侧倾角的瞬时变化率的绝对值最大值以及质心侧偏角的瞬时变化率的绝对值最大值。
[0093]
确定六个操稳性客观评价指标：横摆角速度瞬态响应水平、侧倾角瞬态响应水平、质心侧偏角瞬态响应水平、横摆角速度瞬时变化率、侧倾角瞬时变化率、质心侧偏角瞬时变化率，更好的操稳性要求横摆角速度、侧倾角和质心侧偏角的瞬态响应水平尽可能高，而横摆角速度、侧倾角和质心侧偏角瞬时变化率极大值尽可能小，从而提高车辆的稳定程度。
[0094]
悬架参数指的是组成悬架各组件的硬点参数以及悬架定位参数，如：弹簧减振器总成的上支点、下横臂和转向节铰接点、车轮外倾角、前束角等。因此，针对车辆操稳性的多目标优化对象是悬架的结构硬点参数以及k特性参数，包括硬点坐标、车轮外倾角、前束角等。
[0095]
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，搭建悬架模型，进行悬架运动仿真，得到悬架的k特性参数，以悬架的结构参数和k特性参数作为多目标优化变量；步骤二，基于悬架的k特性参数，构建整车操稳性动力学模型，进行仿真计算，得到车辆的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角；对整车操稳性动力学模型进行仿真计算的条件为：假定车辆匀速行驶在水平路面上，只通过转向操作控制车辆，以稳态侧向加速度为0.4g时的方向盘转角作为转向输入；步骤三，基于得到的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角，计算瞬态响应水平和瞬时变化率，并以瞬态响应水平和瞬时变化率作为车辆操稳性的客观评价指标；步骤四，基于车辆操稳性客观评价指标确定优化目标函数，采用多目标优化方法进行优化计算，得到优化后的悬架结构参数和k特性参数。2.如权利要求1所述的悬架参数优化方法，其特征在于，在步骤三中，瞬态响应水平包括横摆角速度响应水平nω、车身侧倾角响应水平和质心侧偏角响应水平nβ；横摆角速度响应水平nω为横摆角速度稳态增益水平nωr、横摆角速度响应时间水平nωt以及横摆角速度超调量水平nωη的算术平均值；横摆角速度稳态增益水平nωr的计算公式为：nωr＝4[(nωr1-nωr2)/(nωr1-nωr3)]+6nωr1为横摆角速度稳态增益上限值；nωr2为横摆角速度稳态增益实际值；nωr3为横摆角速度稳态增益下限值；横摆角速度响应时间水平nωt的计算公式为：nωt＝4[(nωt1-nωt2)/(nωt1-nωt3)]+6nωt1为横摆角速度响应时间上限值；nωt2为横摆角速度响应时间实际值；nωt3为横摆角速度响应时间下限值；横摆角速度超调量水平nωη的计算公式为：nωη＝4[(nωη1-nωη2)/(nωη1-nωη3)]+6nωη1为横摆角速度超调量上限值；nωη2横摆角速度超调量实际值；nωη3横摆角速度超调量下限值；车身侧倾角响应水平为车身侧倾角稳态增益水平车身侧倾角响应时间水平和车身侧倾角超调量水平的算术平均值；车身侧倾角稳态增益水平的计算公式为：的计算公式为：为车身侧倾角稳态增益上限值；为车身侧倾角稳态增益实际值；为车身侧倾角稳态增益下限值；车身侧倾角响应时间水平的计算公式为：的计算公式为：为车身侧倾角响应时间上限值；为车身侧倾角响应时间实际值；为车身侧倾角响应时间下限值；
车身侧倾角超调量水平的计算公式为：的计算公式为：为车身侧倾角超调量上限值；为车身侧倾角超调量实际值；为车身侧倾角超调量下限值；质心侧偏角响应水平nβ由质心侧偏角稳态增益水平nβr、质心侧偏角响应时间水平nβt、质心侧偏角超调量水平nβη三者的算术平均值得到；质心侧偏角稳态增益水平nβr的计算公式为：nβr＝4[(nβr1-nβr2)/(nβr1-nβr3)]+6nβr1为质心侧偏角稳态增益上限值；nβr2为质心侧偏角稳态增益实际值；nβr3为质心侧偏角稳态增益下限值；质心侧偏角响应时间水平nβt的计算公式为：nβt＝4[(nβt1-nβt2)/(nβt1-nβt3)]+6nβt1为质心侧偏角响应时间上限值；nβt2为质心侧偏角响应时间实际值；nβt3为质心侧偏角响应时间下限值；质心侧偏角超调量水平nβη的计算公式为：nβη＝4[(nβη1-nβη2)/(nβη1-nβη3)]+6nβη1为质心侧偏角超调量上限值；nβη2为质心侧偏角超调量实际值；nβη3为质心侧偏角超调量下限值；横摆角速度稳态增益上限值、车身侧倾角稳态增益上限值、以及质心侧偏角稳态增益上限值均为0.33；横摆角速度稳态增益下限值、车身侧倾角稳态增益下限值、以及质心侧偏角稳态增益下限值的下限值均为0.16；横摆角速度响应时间上限值、车身侧倾角响应时间上限值、质心侧偏角响应时间上限值均为0.3；横摆角速度响应时间下限值、车身侧倾角响应时间下限值、质心侧偏角响应时间下限值均为0.1；横摆角速度超调量上限值、车身侧倾角超调量上限值、质心侧偏角超调量上限值均为0.8，横摆角速度超调量下限值、车身侧倾角超调量下限值、以及质心侧偏角超调量下限值均为0.3；瞬时变化率包括横摆角速度的瞬时变化率的绝对值最大值、车身侧倾角的瞬时变化率的绝对值最大值以及质心侧偏角的瞬时变化率的绝对值最大值。

技术总结
本发明公开了一种基于车辆操稳性目标的悬架参数优化方法，该方法包括：搭建悬架模型，进行悬架运动仿真，以悬架的结构参数和K特性参数作为多目标优化变量；基于K特性参数，构建整车操稳性动力学模型，进行仿真计算，得到车辆的横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角；基于横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角，计算瞬态响应水平和瞬时变化率，并以瞬态响应水平和瞬时变化率作为车辆操稳性的客观评价指标；基于客观评价指标确定优化目标函数，采用多目标优化方法进行优化计算，得到优化后的悬架结构参数和K特性参数。上述优化方法针可以在悬架设计阶段得到具有更优操稳性指标的悬架结构，有利于提高车辆的操稳性。有利于提高车辆的操稳性。有利于提高车辆的操稳性。


技术研发人员：张军 张焜 曹子衿
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/9