悬架系统优化设计的研究现状分析

【摘 要】本文以悬架系统为研究对象，对悬架系统优化设计的研究现状进行分析，通过分析，了解到国内外悬架系统优化设计的发展历史和现状，为悬架系统的仿真优化奠定基础，有利于提高汽车操纵稳定性和行驶平顺性。

【关键词】悬架系统 优化 现状分析

一、引言

在研究汽车诸多的行驶性能中，汽车动力学研究的建模、分析与求解始终是一个关键性问题[1]。汽车本身是一个复杂的多体系统，由于它的工作情况、使用环境的复杂多变，给汽车动力学研究带来了很大困难。同时由于理论方法和计算手段的限制，该学科曾一度发展较为缓慢。主要原因之一是无法有效的处理复杂外界载荷作用下多自由度分析模型的建立和求解问题[2]。因此，在许多实际研究中，不得不把模型简化，以便使用古典力学的方法人工求解，从而导致汽车的许多重要的动力学特性无法得到较精确的定量分析。

随着电子计算机技术的迅猛发展，加快了多体动力学的发展步伐，为汽车动力学研究提供了一个方便快捷的手段。从此，汽车动力学研究的力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型，模型的自由度数由二个自由度发展到数十个自由度，甚至到数百上千个自由度，仿真计算也由稳态响应特性的计算发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的计算。到二十世纪八十年代初，不仅有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。八十年代中期是多体动力学对汽车动力学研究推动最快的时期。国外各主要汽车生产企业和研究机构，如Ford、GM、BMW、Audi、Renault和Volvo等汽车公司的产品研发部门安装使用了大量的多体系统动力学分析软件，并与有限元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了一个整体，同时集成了这些汽车公司在汽车设计、开发等方面的经验，逐步形成整车设计软件包，在汽车设计开发中发挥了重要作用。

二、国内外研究现状

国内采用多体动力学研究汽车动力学的工作虽然起步较晚，但发展还是较快的。从八十年代中后期开始，我国的部分高等院校相继将多刚体系统动力学方法引入到汽车运动学和动力学研究中，其中在应用多体动力学开展汽车动力学研究较多的著名高校有吉林工业大学、清华大学、上海交通大学、北京理工大学、同济大学等，至今为止，研究领域也从开始的刚体系统的运动学研究扩展到包含柔体的多体系统动力学研究，许多学者的研究成果为我国的汽车制造企业在开发具有自主知识产权的汽车中起到了指导性作用[3]，并在每两年举行一次的车辆界最高的学术会议——国际车辆动力学会议上发表了许多有价值的论文。

优化设计始于二十世纪五十年代，普及应用于七十年代，是最优化数学与计算机技术相结合的产物。与传统的试算法、表格法、图算法等设计方法相比，优化设计技术可以大大缩短设计周期、提高设计质量，尤其是在传统设计方法无法涉及的汽车复杂多体系统的最优动力学特性设计问题方面。采用优化设计技术可以最大限度地考虑从不同角度提出的设计要求，在各种约束条件下，寻找满足预定要求的最优汽车动力学性能。因此，近二十年来，优化设计技术在理论和应用上都得到了很大的发展，已成为现代汽车工程设计方法体系中的一个重要组成部分。

我国从二十世纪七十年代中后期开始了机械优化设计理论、方法和应用的研究，并逐渐地将这些研究成果应用于汽车工程设计之中[4]。优化设计技术在汽车工程领域的应用最初就是从悬架系统的优化设计开始的。因为汽车悬架系统的设计对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性以及汽车零部件的使用寿命等都有十分重要的影响，设计中所涉及的因素很多，用传统的经验公式设计出的方案是难以满足多方面的要求的，优化设计技术的出现为这一问题的解决提供了强有力的工具。

近年来，随着多体动力学软件功能的扩展，在汽车多体复杂系统动力学模型环境下，对汽车各子系统的性能参数进行优化将逐步开始运用，从而可以使模型精度和优化计算结果的精度大大提高，在三维汽车振动等效模型的基础上，应用汽车多体系统动力学模型可将更多的影响因素考虑进来，如在模型中考虑悬架中采用的橡胶衬套，并计入悬架弹簧和减振器及轮胎的非线性特性，然后用非线性整车模型进行优化分析。文献[5]就是用多体动力学模型对某轿车稳态转向特性进行了优化研究，并较详细地分析悬架系统中的橡胶衬套的刚度对该车稳态转向特性的影响规律。此外，汽车的主动和半主动悬架逐渐成为国内外悬架技术研究的热点，尤其是在悬架参数的控制方法和控制策略方面，引起了众多学者的关注。但对于控制对象一悬架特性参数的动态变化范围研究也是相当重要的，这对开发出高性能的主动或半主动悬架系统起到关键作用。

对于独立悬架设计技术，国内外都进行了研究。这些研究主要集中在以下几个方面：独立悬架设计方法；独立悬架参数对车辆行驶平顺性的影响；独立悬架参数对车辆操纵稳定性影响。国内的研究目前主要表现为：独立悬架和转向系的匹配；悬架弹性元件的设计分析；导向机构的运动分析；独立悬架对前轮定位参数的影响；独立悬架的优化设计等。国外除上述研究外，还进入了微观领域的研究，如用原子力学显微镜观察悬架材料内部聚合体的电子转化情况、研究悬架作为弹性介质的流变特性等，从而使得独立悬架向着智能化、轻量化、小型化、通用化方向发展。同时由于电子、微机技术的发展，使得独立悬架技术向半主动、主动悬架方向发展。

三、结束语

国内在传统被动悬架的设计上缺乏经验，尤其一些汽车企业基本上是仿造其它厂家同类型车辆的悬架系统，或者是把其它车辆上的悬架系统直接拿过来安装，在设计上存在着很大的缺陷，在使用安全上存在不确定性。

在建立各种结构型式悬架的参数化虚拟模型和开发悬架系统结构参数优化专用软件方面，国内外还未见有文章进行报导。

参考文献：

[1]张越今.汽车多体动力学及计算机仿真.长春.吉林科学技术出版社，1998：20-31

[2]M.米奇克.汽车动力学.北京.人民交通出版社，1994：1-30

[3]胡平.虚拟工程与科学.北京.气象出版社.2001：78-91

[4]龚微寒.现代汽车设计制造.北京.人民交通出版社，1995：234-240

[5]张越今.多体系统动力学在轿车动力学仿真及优化研究中的应用.[清华大学博士论文].1997：20-45