装有液压互联悬架的某型SUV车辆动力学分析及路试验证

彭　鹏　张邦基　章　杰　郑敏毅,2　张　农,2

1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，4100822.合肥工业大学，合肥，230000



装有液压互联悬架的某型SUV车辆动力学分析及路试验证

彭鹏1张邦基1章杰1郑敏毅1,2张农1,2

1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，4100822.合肥工业大学，合肥，230000

提出一种新型油气互联悬架，用于替代传统车辆所使用的稳定杆，在基本不影响车辆其他性能的前提下有助于提高抗侧翻性能。为研究该悬架对某型SUV车辆操纵稳定性的影响，搭建了基于CarSim/Simulink/AMESim的联合仿真平台，建立了液压互联悬架的整车机液耦合的多体动力学模型。仿真结果表明，装有液压互联悬架的整车在操纵稳定性评价中得分较高。为了验证该仿真平台的正确性和进一步研究该油气互联悬架对车辆性能的影响，基于某型SUV车辆开发了整套油气互联悬架样车，并进行了路试。实验结果与仿真结果吻合较好，从而验证了仿真平台的正确性，为后续该类悬架的设计和优化提供一种新的计算机仿真方法。实验和仿真结果表明，在不影响车辆舒适性的前提下，液压互联悬架能提供较大的侧倾刚度，增强高速转弯时车辆的安全性，提高车辆的操纵稳定性。

操纵稳定性；液压互联悬架；抗侧翻；联合仿真

0　引言

车辆侧翻对驾驶员和乘客来说是危害性极大的事故。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)提供的数据表明，车辆侧翻事故的发生率并不高，但导致的死亡人数却很高[1]。近年来，我国的交通运输事业正在迅猛发展，车速越来越高，导致车辆侧翻事故频繁发生。特别是在我国西南地区，山区公路较多，绝大部分重特大事故都为车辆侧翻事故[2]，这就对车辆抗侧倾能力提出了更高要求。

为了解决上述问题，本文提出了一种新型油气互联悬架系统，该互联悬架系统能够显著地提高车辆的侧倾刚度，且对车辆垂向刚度基本没有影响，在提高车辆稳定性的同时保证车辆平顺性基本不受影响，因此在越野车辆(sports utility vehicle,SUV)中有较大的实际应用价值。最早的互联悬架是机械式互联悬架[3]，后来陆续提出了以空气[4]、油气[5-7]、油液[8]为传递介质的互联悬架。液压互联悬架(hydraulically interconnected suspension,HIS)能实现各个运动模态的解耦，且可以对车辆运动模态实现独立控制，这是传统悬架无法比拟的优点。近年来，国内外学者对液压互联悬架的研究日益增多。Smith等[9]提出了被动互联悬架理论；Wilde等[10]研究了油气互联悬架对越野车动态性能的影响，并试验分析了油气互联悬架的力学特性；Zhang等[11]利用传递阻抗法建立了液压互联悬架与车辆模型耦合的频域模型，通过频响函数研究了液压互联悬架的性能，建立了液压互联悬架与车辆模型耦合的时域模型。我国许多学者也对油气悬架基本原理、建模与仿真及其动态特性进行了大量研究[12-15]，但极少使用商业软件以联合仿真的形式来研究液压互联悬架对车辆操纵稳定性的影响。本文主要研究液压互联悬架对SUV操纵稳定性的影响，联合仿真和样车实验对比结果表明，液压互联悬架能够显著地增大SUV的侧倾刚度，提高车辆稳定性，从而降低SUV侧翻的可能性，同时对原车的平顺性影响非常小。

1　车辆稳定性分析

悬架系统对车辆的安全性和稳定性起着非常重要的作用，然而车辆舒适性和操纵稳定性却是一对不可调和的矛盾。目前悬架系统的设计大多是为提供较好的舒适性而牺牲一定的操纵稳定性，SUV也不例外。为了满足SUV的越野性和通过性，SUV车辆的质心(center of gravity,CG)往往较高，悬架刚度设计得较软，使得SUV车辆更加容易侧翻。NHTSA提供的评估车辆抗侧翻能力的指标是静态稳定系数(SSF)，其计算公式如下[16]：

RSSF=T/H

(1)

式中，T为轮距；H为车辆的质心的高度。

RSSF越大，车辆侧翻的可能性越小。

NHTSA提供的方法只是一种比较简单的预判方法。根据车辆动力学，当车辆高速转弯时，在车辆质心处会作用一个横向加速度，产生一个如图1所示的离心力。外侧车轮和内侧车轮的轮胎垂直力可按如下公式计算：

(2)

Fy=Fyi+Fyo

(3)

式中，Fzi、Fzo分别为来自内外侧车轮的轮胎垂直力；Fy为离心力；Fyi、Fyo分别为来自内外侧车轮的轮胎侧向力；hr为侧倾中心高度； d为轮距；Kφ为悬架侧倾刚度；φ为侧倾角。

图1　急转弯车辆的受力情况

式(2)右侧由两部分组成，第一部分是由离心力导致的，可以通过增大车轮轴向宽度或降低质心高度来减少内外轮胎的载荷转移，一般来说轮距和质心高度是很难改变的；第二部分是由于车身的侧倾运动造成的，可以通过减小侧倾角来减少内外轮胎的载荷转移，从而减小车辆侧翻的可能性。一般来说,通过增大侧倾刚度可减小侧倾角，从而减少轮胎载荷的转移，但此时车轮在非线性垂直力和侧向力的共同作用下，会使车辆由极限侧翻状态倾向于侧滑状态[17]，这可能也不利于车辆的行驶稳定性,但比车辆侧翻要安全一些。

2　结构及工作原理

液压互联悬架[18]一般由双作用油缸、阻尼阀、蓄能器、油管、接头和固定件等组成。油腔通过油管相互连接，可以根据悬架系统的需要来选择合适的布置方式。本文主要是研究抗侧倾布置模式下液压互联悬架对车辆性能的影响，抗侧倾布置策略如图2所示。图2中4个双作用油缸分别安装在原车减振器处，左侧油缸上腔与右侧油缸下腔相连，并通过蓄能器形成一个回路；同理，右侧油缸上腔与左侧油缸下腔相连，并通过蓄能器形成另一个回路。在整个液压互联悬架的系统中，悬架行程的变化导致活塞杆与油缸相对运动，油液在回路中流入或流出蓄能器，从而导致油缸上下腔产生压力差。

图2　液压互联悬架结构简图

在车辆侧倾模态下， 即车辆悬架处于一侧压缩状态而另一侧处于拉伸状态，会导致一个回路的大量油液流入蓄能器，与此同时，另一个回路的大量油液从蓄能器中流出，这种状态下，液压互联悬架将会提供很大的力矩来阻止车辆继续侧倾。在车辆垂向模态下，即车辆悬架处于同时压缩或同时拉伸状态，会导致回路中有部分油液同时流入或流出蓄能器，由于流入或流出的油液较少，因此对垂向模态的影响较小。在车辆俯仰模态下，即车辆悬架一端处于压缩状态而另一端处于拉伸状态，在回路中基本没有油液流进或流出蓄能器，对俯仰模态基本没有影响。因此液压互联悬架系统可实现对车辆运动模态的独立控制。

假设两回路中蓄能器气囊的预充气体压力和体积分别为p0和V0，而蓄能器在预设的工作压力下气囊的气体压力和体积分别为pw和Vw，当系统在工作压力下达到稳定状态时，由理想气体状态方程可得

p0V0=pwVw

假设车辆在前进方向处于左侧侧倾状态，此时，油缸1和油缸3处于压缩状态，活塞往上移动，相反，油缸2和油缸4处于拉伸状态，活塞往下移动，从而导致油缸1和油缸3的上腔油液以及油缸2和油缸4的下腔油液流入蓄能器1中，使油路1(虚线)中的油压升高，而蓄能器2中的油液流出至油缸1和油缸3中的下腔以及油缸2和油缸4的上腔，使油路2(实线)的油压降低。根据侧倾角的变化可以计算得到油路1和油路2的体积变化量ΔV1、ΔV2，考虑液压互联悬架系统设计为左右对称，可知ΔV1=ΔV2，从而可得到蓄能器1和蓄能器2的气体体积V1、V2：

V1=Vw-ΔV1

V2=Vw+ΔV2

然后根据理想气体多变状态规律得

式中，γ为气体多变指数，取值为1.4；p1、p2分别为油路1、2中的液体压力。

计算4个油缸提供的液压力F1、F2、F3、F4，由于油缸设计的对称性，得

F1=F3=p1At-p2Ab

F2=F4=p2At-p1Ab

从而可以得到液压互联悬架提供的侧倾力矩为

Mh=(p1-p2)(At+Ab)(lf+lr)

式中，At、Ab分别为油缸的活塞面积和活塞环面积；lf、lr分别为前后悬架的液压缸安装位置到车辆纵向对称面的距离。

通过液压回路的设计，可以使得液压互联悬架系统提供较大的侧倾力矩，提高车辆的操纵稳定性。同理，可得到垂向模态的垂向力，但由于流进流出蓄能器的油液较少，故对垂向模态的影响较小。

3　 模型

3.1整车模型

CarSim是一种基于数学模型的面向特性参数化建模的车辆动力学仿真软件，该整车模型包含七大子系统(车体、轮胎、转向系、悬架、制动系、传动系和空气动力学)，共27个自由度[19]。建模过程不需要各部件的具体结构形式，只需要定义体现各部件性能的具体参数或特性曲线。CarSim主要包括整车模型数据库、控制输入数据库和仿真设置数据库，整车模型如图3 所示。

图3　CarSim中整车模型

本文主要利用整车模型数据库，根据整车实际结构提取的参数建立整车模型，利用该软件提供的数据库进行车辆动态响应分析。本文主要考虑液压互联悬架系统对车辆侧倾性能影响，因此建模过程中车辆模型中传动系、转向系及其制动系均为软件自带模型。为了验证液压互联悬架能够提高车辆侧倾刚度，本文建立两种整车模型(原车的整车模型、去除横向稳定杆(ARB)后安装液压互联悬架(HIS)的整车模型)进行对比分析。本文建立SUV车辆模型的参数通过实验获得，具体参数如表1所示。

表1　整车模型主要参数

3.2液压互联悬架模型

AMESim是系统工程高级建模与仿真平台，该软件模型库丰富，涵盖了机械、液压、控制、液压元件设计、液力液阻等领域[20]。本文充分利用AMESim液压元件建模与仿真的能力，按照实物结构提供的参数搭建了液压互联悬架子系统模型，如图4 所示。该模型按照上述抗侧倾布置策略进行连接，形成两条闭合液压回路，分别包含双作用缸、油管、接头和蓄能器。液压子模型具体参数如表2所示,其中，L1～L20表示连接各双作用油缸的油管的长度，其具体位置如图4所示。

图4　AMESim中液压互联悬架模型

3.3联合仿真模型

为了充分利用CarSim整车建模和AMESim液压元件建模的优势，在Simulink中搭建联合仿真接口进行数据交换。联合仿真原理如图5所示。首先将CarSim中的整车仿真所提供的4个车轮悬架动挠度和速度，通过Simulink平台输入到AMESim中作为4个对应的油缸和活塞，然后将AMESim中液压缸和活塞处各液压元件产生的力作为悬架力传递给CarSim，通过这样的方式实现联合仿真。

表2　液压回路参数

根据图5可知，AMESim输入悬架动挠度，输出互联悬架的液压力；CarSim输入液压互联悬架的液压力，输出悬架动挠度；通过MATLAB/Simulink平台，输出侧倾角、侧向加速度、质心处车身垂向加速度和侧倾角加速度等评价指标。

图5　联合仿真原理图

4　联合仿真分析

利用上文建立的联合仿真模型，根据GB/T 4970-2009 汽车操纵稳定性试验方法和GB/T6323-2014 汽车平顺性试验方法，在CarSim控制输入数据库中建立对应的转向盘输入或路面谱输入，然后在Simulink平台设置仿真工况参数来进行联合仿真分析，最后将原车与装有互联悬架的车辆仿真结果进行对比。

4.1蛇形试验

根据汽车操纵稳定性试验方法，蛇形试验适用于轿车、客车、货车和越野车。蛇形试验是检验车辆操纵稳定性的试验之一，稳定车速以蛇形通过测试路段，获取车辆在不同车速下的试验数据。将侧倾角作为车辆操纵稳定性的评价指标之一，该值越小说明车身姿态越平稳，车辆操纵稳定性越好。根据试验标准在CarSim控制输入数据库中建立路面输入，车辆运动轨迹如图6所示。

图6　蛇形试验车辆运动轨迹

图7　50 km/h时侧向加速度与侧倾角对比

图8　60 km/h时侧向加速度与侧倾角对比

图7、图8所示为车辆在不同车速下侧向加速度和侧倾角结果，图中，ARB表示原SUV车模型，HIS表示去除横向稳定杆后安装液压互联悬架的整车模型。可以看出，随着车速的增大，车辆侧向加速度和侧倾角增大。在相同的车速下，装有横向稳定杆(ARB)的原车与装有液压互联悬架(HIS)的改装车的侧向加速度基本一致，表明车身受到的侧向力基本不变；但装有HIS车辆的侧倾角明显小于装有ARB车辆的侧倾角，车身姿态平稳，驾驶员主观驾驶感受明显变好，从而提高了车辆行驶稳定性。

4.2双移线试验

根据ISO 3888-1中双移线试验标准，在CarSim控制输入数据库中制定了双移线的运动路径，如图9所示。

图9　双移线车辆运动轨迹

图10、图11所示为车辆在60 km/h时的侧向加速度和侧倾角结果。根据上述双移线试验仿真结果可知，在相同的试验条件下，获得了同样的侧向加速度；但装有HIS车辆的车身最大侧倾角由原车的1.7°减小到0.6°，表明装有HIS的车辆在紧急避障情况下车身姿态变化较小，有利于改善驾驶员对车辆的操控性，进一步提高车辆在高速行驶中的稳定性。

图10　60 km/h时侧向加速度对比

图11　60 m/h时车身侧倾角对比

4.3脉冲试验

为了说明该液压互联悬架系统对SUV车辆舒适性没有产生负面影响，根据GB/T 4970-2009，以脉冲试验作为整车仿真的路面输入，将车身垂向加速度作为评价指标。

图12～图14 所示为不同车速下脉冲试验的垂向加速度仿真结果。可以看出，在相同的路面输入和相同速度下，与装有ARB的原车相比，装有HIS车辆的质心处垂向加速度数值有轻微变大，表明该液压互联悬架系统对原车的舒适性会有影响，但影响非常小。

总的来说，根据上述仿真结果可知，装有HIS的车辆能够显著增大车辆侧倾刚度，减小车身侧倾角，提高车辆的安全性能，而且对车辆垂向模态影响较小，对车辆舒适性影响很小。

图12　40 km/h时质心处垂向加速度

图14　60 km/h时质心处垂直加速度

5　整车试验

为了验证液压互联悬架系统对整车性能的影响，将该液压互联悬架系统成功安装在某SUV上，并在定远国家试验场进行整车性能测试。为了进行整车性能对比分析，参考操纵稳定性试验和平顺性试验标准，分别对原车和安装HIS的SUV进行性能试验。结合第3节仿真结果，进行了一系列的路面试验(包括双移线试验、蛇形试验和随机路面试验)，最后对所采集的数据进行分析。试验的信号采集系统主要包含NI采集板卡、装有LabView的笔记本电脑、6个传感器和电源箱。传感器主要是一个低频加速度传感器，安装在质心处，用来测量侧向加速度；4个位移传感器(LVDT),安装在减振器上，用来测量悬架动行程，然后转化为车身侧倾角；1个高频加速度传感器安装在质心处，用来测量质心处垂直方向的加速度。

试验包含车辆操纵稳定性试验和车辆平顺性试验，应用蛇形试验和双移线试验来对车辆的操纵稳定性进行评价，以侧倾角作为评价指标，侧倾角越小车身姿态越平稳，越有利于舒缓驾驶员紧张情绪。随机路面试验用来评价车辆的平顺性，以垂向加速度作为评价指标，加速度值越小平顺性越好。

5.1仿真与试验对比

按照双移线试验标准，分别做了原车与装有HIS试验车的双移线试验，并与上述仿真结果进行对比分析。由图15可知，试验与仿真获得的侧向加速度基本一致，从而可知仿真实验的输入与实车实际输入基本相同。由图16可知，车身侧倾角试验结果与仿真结果较吻合。由上述分析可以看出，仿真平台结果能够与试验关键数据较好地吻合，验证了仿真平台的正确性。

图15　60 km/h时试验与仿真侧向加速度对比

图16　60 km/h时试验与仿真侧倾角对比

5.2原车与装有HIS车辆试验数据对比

本文通过一系列的操纵稳定性试验和平顺性试验来进一步验证仿真结果的正确性。该试验在定远汽车试验场进行，通过位移传感器测量悬架的动变形，经数据处理转化为车身侧倾角，作为评价车辆操纵稳定性的重要指标，角度越小表明车身姿态越平稳；用加速度传感器测量车身质心处的侧向加速度和垂向加速度，分别用来评价操纵稳定性和平顺性，车身垂直加速度越小表明车身受到的冲击越小，乘车舒适性越好。

5.2.1蛇形试验

参考GB/T 6323-2014进行蛇形试验，结果如图17～图20所示。由图17、图19可以看出，两种试验车型的侧向加速度基本一致，表明原车与装有HIS的SUV在做蛇形试验时，转向盘转角输入基本相同，保证了试验具有可对比性。由18、图20可以看出，装有HIS的试验车辆在不同车速下的侧倾角都要明显小于装有ARB的原车的侧倾角，在50 km/h时，最大侧倾角由原车的2°减小到约0.6°，在60 km/h时，最大侧倾角由原车的2.8°减小到0.9°。由上述试验结果表明，该液压互联悬架系统能显著增大车辆的侧倾刚度，从而提高车辆的稳定性。

图17　50 km/h时原车与HIS车侧向加速度对比(蛇形试验)

图18　50 km/h时原车与HIS车侧倾角对比(蛇形试验)

图19　60 km/h时原车与HIS车侧向加速度对比(蛇形试验)

图20　60 km/h时原车与HIS车侧倾角对比(蛇形试验)

5.2.2双移线试验

双移线试验是国际上惯用的一种测试车辆避险能力的试验项目，主要模拟高速下车辆的紧急避让性能。参考ISO3888-1进行双移线试验，利用前述的位移传感器测量车辆悬架的动扰度，并通过数据处理转换为车身侧倾角，用来评价车辆的操纵稳定性；通过车身质心处的加速度传感器来测量质心的侧向加速度，用来评判两种车辆的转角输入是否相同。由图21、图22可知，在进行60 km/h双移线试验时，装有ARB的原车与装有HIS车辆获得的侧向加速度相同，表明两种试验车辆的转向盘转角输入基本相同；然而对比车身侧倾角，装有HIS的车辆的侧倾角由原车的2°减小到0.6°左右，大约减小30%，表明装有HIS车辆的避险能力明显比原车要好。由上述结果可以看出，液压互联悬架系统提供了更大的侧倾刚度，使得车身姿态更加平稳，有利于缓解驾驶员疲劳感，使车辆行驶更加安全。

图21　60 km/h时原车与HIS车侧向加速度对比(双移线试验)

图22　60 km/h时原车与HIS车侧倾角对比(双移线试验)

5.2.3随机路面试验

随机路面输入试验用来考察车辆的平顺性，主要通过质心处的垂直车身加速度传感器来测量质心处的加速度值，作为评价车辆舒适性的指标，加速度值越小，说明振动越小，车辆更加平稳。为了防止车辆和人员的干扰以及保证车速测量的稳定性，本次试验选择在实验室外较偏僻的公路上进行，此路面状况较好，可基本判断为C级路面。为了研究脉冲输入的影响，本试验还刻意通过了一个井盖，这在车身质心处垂直加速度的时域图中可得到体现。图23～图25分别为时速30 km/h、40 km/h和50 km/h下的车身垂向加速度时域图，可知，装有HIS的车辆在质心处垂向加速度只比原车略大一点，基本上不会影响原车舒适性。

图23　30 km/h时原车与HIS车垂向加速度对比

图25　50 km/h时原车与HIS车垂向加速度对比

图26～图28所示分别为随机路面试验30 km/h、40 km/h和50 km/h车速下的车身垂直加速度功率谱曲线，考虑人体对振动的敏感性，重点关注25Hz以内的振动。由图26～图28可知，车身质心处的振动主要处于5Hz以内，在三种速度下，在某些频率处，装有HIS车辆的加速度功率谱的数值略大于原车的加速度功率谱，但在某些频率处，装有HIS车辆的加速度功率谱的数值略小于原车的加速度功率谱，说明HIS对车辆舒适性有轻微影响，这是因为装有液压互联悬架以后，会略微增大车辆的垂向刚度，此影响可以通过后续调较原车弹簧和减振器予以消除。

图26　30 km/h时原车与HIS车功率谱对比

图27　40 km/h时原车与HIS车功率谱对比

图28　50 km/h时原车与HIS车功率谱对比

6　结语

本文分析了车辆侧翻的机理，提出一种新型油气互联悬架系统以提高车辆抗侧倾性能。利用AMESim、CarSim和MATLAB的建模优势，搭建了机液耦合的多体动力学联合仿真平台，将仿真结果与试验结果进行对比，二者吻合较好，验证了仿真平台的正确性，从而为研究液压互联悬架系统对整车性能影响提供了一种新方法。该新型油气互联悬架系统能够显著增大车辆的侧倾刚度，因而提高了车辆的行使稳定性，同时更为重要的是基本不牺牲车辆的平顺性，这是传统悬架无法解决的矛盾，因为传统悬架要提高车辆侧倾刚度相应地要增加悬架刚度，这样必然会导致较差的乘车舒适性。

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(编辑苏卫国)

Vehicle Dynamics Analysis and Road Rest of a Sports Utility Vehicle Equipped with Hydraulically Interconnected Suspension

Peng Peng1Zhang Bangji1Zhang Jie1Zheng Minyi1,2Zhang Nong1,2

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University, Changsha，410082 2.Hefei University of Technology,Hefei,230000

A new type of hydro-pneumatic interconnection suspension was proposed herein, which would contribute to improve the ability of rollover resistance without affecting other performances. In order to study the hydraulically interconnected suspension’s impaction on the vehicle steering stability, based on CarSim/Simulink/AMESim cosimulation platform, a vehicle multi-body dynamics model coupled fluid system with hydraulically interconnected suspension systems was employed and the relevant handling stability and ride experimental simulation studies were made. The simulation results show that the vehicle fitted with hydraulically interconnected suspension systems may obtain the higher scores in the handling stability evaluation. In order to verify the accuracy of the cosimulation platform and ongoing study the influences of hydraulically interconnected suspension of vehicles, a hydraulically interconnected suspension was designed for a sports utility vehicle, and a series of road tests were carried out. The experimental results are good agreement with the simulation ones. It illustrates that the cosimulation model is correct, and provides a new computer simulation method for follow-up design and optimization in this kind of suspension. Experimental and simulation results show that hydraulically interconnected suspension may offer larger roll stiffness, enhance the safety of vehicle when cornering at high speeds, and improve the handling stability of vehicles without affecting the ride comfort.

handling stability; hydraulically interconnected suspension; rollover resistance; cosimulation

2015-07-16

国家自然科学基金资助项目(U1234208)

U463.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.021

彭鹏，男，1990年生。湖南大学机械与运载工程学院硕士研究生。研究方向车辆悬架系统振动测试分析。张邦基(通信作者)，男，1967年生。湖南大学机械与运载工程学院副教授。章杰，男，1988年生。湖南大学机械与运载工程学院博士研究生。郑敏毅，男，1983年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士研究生，合肥工业大学机械与汽车工程学院讲师。张农，男，1959年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室教授、博士研究生导师，合肥工业大学机械与汽车工程学院教授、博士研究生导师。