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汽车悬架优化综述

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总669期第七期

2019年3月河南科技

HenanScienceandTechnology

汽车悬架优化综述

郑迎华

（新乡职业技术学院，河南新乡453006）

摘要：本文针对含有球铰和衬套的汽车悬架控制臂优化设计进行了分析综述，确定了控制臂优化设计模

型。根据分析，在采用了基于拓扑学知识的综合框架优化技术的悬架控制臂设计后，使控制臂的优化方向更为

准确、工况载荷计算更加精确。采用该设计思路可以保障汽车行驶的安全性，从而提高驾驶者的行驶质量。关键词：汽车悬架；控制臂；优化；参数

中图分类号：U463.33文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）07-0139-03

ReviewofOptimizationofAutomobileSuspension

ZHENGYinghua

（XinxiangVocationalandTechnicalCollege，XinxiangHenan453006）

Abstract:Thispapersummarizedtheoptimumdesignofautomobilesuspensioncontrolarmwithsphericalhingesandbushes，determinedtheoptimaldesignmodelofthecontrolarm.Accordingtotheanalysis,afterthedesignofthe

suspensioncontrolarmbasedonthecomprehensiveframeworkoptimizationtechnologybasedontheknowledgeofto⁃

pology,theoptimizationdirectionofthecontrolarmwasmoreaccurateandtheloadcalculationwasmoreaccurate.

Thisideacanensurethesafetyofdrivingandprovidebetterdrivingqualityfordrivers.

Keywords:automobilesuspension；controlarm；optimization；parameter

控制臂作为汽车悬架系统中的一个十分重要的安全

性与功能性部件，设计要求十分严格。控制臂的参数对

汽车行驶安全与操控舒适度具有十分重要的作用。要满

足上述要求，控制臂自身的物理参数包括强度、刚度等需

要精确设计及优化。控制臂通过物理连接机制与汽车车

身连接，轮毂端通过球铰与轮毂相连接，车架端通过球铰

与橡胶衬套与车架连接。在分析控制臂参数设计与性能

的基础上，球铰和衬套对控制臂的影响还应该考虑相关

参数的应用条件。DemirdogenC等人［1］在研究控制臂轻

量化设计的模型构建过程中并没有考虑连接在控制臂上

的球铰和衬套，而是以其连接面作为分析界限，这样的设

计并不能真实反映实际中增加的有效载荷，不能为驾驶

者提供更好的行驶质量。XintianL等人［2］的研究表明，不

同维度的橡胶衬套的参数对悬架的影响也不尽相同，橡

胶衬套的轴向刚度及扭转刚度对悬架性能影响不显著，

而橡胶衬套的径向刚度则对悬架性能影响较大。

本文在论述控制臂优化设计时，充分考虑了实际作

用在控制臂上的工况载荷，包含了球铰和衬套的综合系

统在受外力作用下产生的位移情况，较之前的设计偏大。经过对比分析该综合系统与不包含球铰和衬套的模

型在优化与计算上的差异性可以看出，本文的综合模型

更加符合实际的优化设计。

1控制臂的优化设计

1.1确定可承受载荷

考虑到汽车行驶工况复杂化、多样化的实际情况，企

业对汽车进行动力学实验分析测试时应考虑并计算不同

工况下控制臂连接两端的球铰和轮毂受到的作用力，如

表1所示。表1的工况和载荷数据的大小来源于汽车主

机厂对悬架控制臂优化方案的输入数据。对此数据进行

系统性、科学性分析可得，采用基于拓扑优化的方法进行

计算载荷工况的数值，最后可得到可用于控制臂优化的

载荷情况［3］。1.2控制臂设计的合理范围

控制臂的合理运动范围应该包含控制臂与球铰和衬

套的连接部位和合理变动区间，包含控制臂设计的合理

运动范围但不含球头与衬套的设计在内。控制臂总成的

有限元模型建立控制臂球铰的简化模型可以用3个刚性

收稿日期：2019-02-15

作者简介：郑迎华（1976—），女，本科，助理实验师，研究方向：

汽车电器。交通与建筑

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单元模拟，为了模拟真实情况下控制臂绕球头的旋转运

动，刚性单元的设计长度很短。相关单位按照实际对衬

套结构进行模拟，包含橡胶材料的控制臂总成有限元，将

其作为一般控制臂连接面为界限的控制臂模型。

表1汽车16种行驶工况与控制臂球铰上所受的作用力（单位：N）

编号1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16载荷工况

汽车质量

过载动力

侧翻

上跳

回弹1g前进制动

0.35g倒车制动

0.75g弯道行驶（外）

0.75g弯道行驶（内）

0.95g弯道行驶（外）

0.95g弯道行驶（内）

3g30°

-2g30°

坑洼制动

反向减振

路缘撞击ⅡFx0

8736.6

0

0

0

6900.6

-2745.9

0

0

0

0

6737.2

-4491.4

22006.1

-15004.2

0Fy0

0

-14956.1

0

0

0

0

-5898.8

1603.3

-8197.3

1305.3

0

0

0

0

-30008.2Fz4491.4

6770.5

9492.8

13474.3

-8982.9

6390.7

3826.7

7355.1

1627.8

8118.8

864.1

11669.1

-7779.4

14494.2

14499.2

4491.4

注：x为坐标系水平方向且指向车后方，z为垂直向上。

2控制臂的结构优化方案

控制臂有限元模型可以在一定的约束条件下采用相

对密度法和固体各向同性材料惩罚模型（SolidIsotropicMaterialwithPenalization，SIMP）法的控制臂优化方法。

假设刚性单元相对密度的范围设定为0.01~1，惩罚因子

设定为3，其工程最优化目标要保证控制臂悬架柔度最

小。通过解释该问题，能够有效对控制臂结构进行优化

设计分析，从而有效节约材料成本且避免在特定方向上

的所受应力不足或过大的情况。充分满足加工工艺需

求，正确选择拔模方向，能够直接影响最终工程优化结

果，这样一来，控制臂在外力作用下产生的较大位移能在

惯性释放作用下保证所受应力处在合理、理想、可接受的

范围内。2.1控制臂的优化效果

模型分别经过优化后得到结果如图1所示。从中可

以看出，没把球铰和衬套考虑在内的前期模型得到的优

化结果并不能反映真实驾驶使用工况，不贴合实际，不实

用。继续优化得出的结果如图2所示。图2的优化设计

方案，既考虑了球铰和衬套相结合的综合运用系统，也满

足了设计和量产制造工艺要求。单元密度>8.59e-01<8.59e-01<7.17e-01<5.76e-01<4.34e-01<2.93e-01<1.51e-01<1.00e-02

Max=1.00e+00Min=1.00e-02

yzx

图1模型经过优化后得到的结果1xyz

图2优化后的控制臂结构图2.2控制臂的性能

通过对优化后的控制臂结构的承受应力、刚度和约

束固有频率进行系统性、科学性的统计分析可知，两组模

型在本文讨论的6种工况下，控制臂的VonMises应力结

果不同，如表2所示。

表2控制臂最大VonMises应力（单位：MPa）

载荷工况坑洼制动反向减振0.75g弯道行驶（内）

路缘撞击Ⅱ上跳回弹固定界限的控制臂模型32640427.1141254169含有球铰衬套的综合系统17622717.120614697

控制臂设计所采用的实际工程材料的屈服强度为275MPa。从表2可以看出，最大应力数据，含有球铰和衬

套的综合系统应力均在合理可接受的范围内。不含球铰

和衬套的固定界限控制臂模型不符合理论及现实设计要

求。控制臂的固定频率对悬架系统稳定性、驾驶质感和

驾驶员回馈等均有较大影响。因此，企业在控制臂设计汽车悬架优化综述

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优化中应该充分考虑控制臂自身结构，经过优化后的控

制臂固有频率可见表3。由表3可以看出，控制臂的固有

频率在约束状态达到了1阶350Hz，在自由状态达到了1

阶800Hz的一般设计要求。

表3控制臂在约束状态下和自由状态下的固有频率（单位：Hz）

阶数

1

2

3

4约束状态

373

743

1146

1553自由状态

834

1027

1283

1951

为了保障汽车安全、实际使用工况下的汽车行驶质

感及驾驶员的回馈感受等，企业对控制臂的刚度设计也

具有较高要求。在设计汽车控制臂刚度时应该参考固定

界限模型，不加入球铰和衬套［4］。

3设计优化结论

本文根据控制臂学术界及工业应用领域的经验，结

合实际工况，设计建立了两组控制臂模型，根据优化结果

确定了一组最优的包含球铰和衬套的综合系统模型，并

采用先进的计算机仿真实验平台进行了仿真实验，然后结合实验结果的反馈进行了调整。此外，还根据固定界

限模型科学、详细地论述了设计控制臂要求的参数及相

关数据变量，真实反映了控制臂工况运行的实际情况。

在采用基于拓扑学知识的综合框架优化技术的悬架控制

臂设计后，控制臂的优化指向性更加准确、翔实，符合驾

驶员对驾驶质感的追求，使工况载荷计算更加精确。采

用该设计思路对汽车悬架控制臂系统进行系统性优化，

可以保障汽车行驶的安全性，为驾驶者提供更好的行驶

质量。

参考文献：

［1］DemirdogenC，RidgeJ，PollockP.WeightOptimizedDesignofaFrontSuspensionComponentforCommercialHeavyTrucks［J］.AdvancedMaterialsResearch，2012（4）：212-216.［2］XintianL，HuH，JichangW，etal.PerformanceAnaly-sisofRearRubberBushingStiffnessofLowerControlArmonFrontDoubleWishboneIndependentSuspension［C］//Internation-alConferenceonComputerModeling&Simulation.IEEE，2010.［3］赵清海，张洪信，朱智富，等.汽车悬架控制臂的可靠性拓扑优化［J］.汽车工程，2018（3）：313-319.［4］王书贤，向立明，刘鹏，等.基于拓扑优化的某汽车悬架控制臂轻量化设计［J］.轻工科技，2017（10）：30-31.汽车悬架优化综述

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汽车操纵稳定性的研究与评价

汽车操纵稳定性的研究与评价

汽车操纵稳定性的研究与评价

随着汽车工业的不断发展，汽车性能得到了显著提升。汽车操纵稳定性作为衡量汽车性能的重要指标之一，直接影响着驾驶者的操控感受和行车安全。因此，对汽车操纵稳定性进行深入研究，提高其评价水平，对于提升汽车产品竞争力具有重要意义。

汽车操纵稳定性研究主要涉及车辆动力学、控制理论、机械系统等多个领域，其目的是在各种行驶条件下，保证汽车具有良好的操控性能和稳定性。然而，目前汽车操纵稳定性研究仍存在一定的问题，如评价标准不统测试条件不完善等，制约了其发展。

汽车操纵稳定性对于保证驾驶安全具有重要意义。在行驶过程中，车辆受到外部干扰或自身惯性力的影响，容易导致车身失稳，从而引发交通事故。良好的汽车操纵稳定性通过有效抑制车身晃动、调整轮胎磨损，为驾驶者提供稳定的操控感，降低交通事故风险。

影响汽车操纵稳定性的因素主要包括以下几个方面：

（1）车辆动力学性能：车辆的加速、减速、转弯等动力学性能直接影响驾驶者的操控感受和行车安全。

（2）轮胎性能：轮胎的抓地力、摩擦系数等性能对车辆的操控性和稳定性具有重要影响。

（3）悬挂系统：悬挂系统的设计直接影响车辆的侧倾、振动等特性，从而影响操纵稳定性。

（4）驾驶者的操控技巧：驾驶者的预判、反应速度、操控技巧等直接影响车辆的操纵稳定性。

为提高汽车操纵稳定性，需要采取相应的控制策略。其中，最重要的是采取主动控制策略，包括：

（1）防抱死制动系统（ABS）：通过调节制动压力，防止轮胎抱死，提高制动过程中的稳定性。

（2）电子稳定系统（ESP）：通过传感器实时监测车辆状态，对过度转向或不足转向进行纠正，保证车辆稳定行驶。

（3）四轮驱动（4WD）：通过将驱动力分配到四个轮胎上，提高车辆的加速性能和操控稳定性。

汽车操纵稳定性的评价主要从以下几个方面进行：

（1）侧向稳定性：评价车辆在侧向受力情况下的稳定性。 （2）纵向稳定性：评价车辆在纵向受力情况下的稳定性。

车架有限元分析

车架有限元分析

1前言

车架是汽车的主要部件。深人解车架的承载特性是车架结构设计改进和优化的基础。过去汽车设计多用样车作参考,这种方法不仅费用大,试制周于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析期长,而且也不可能对多种方案进行评价。现代车架设计已发展到包括有限元法、优化、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架研究中十分行之有效的方法。实践证明,有限元法是一种有效的数值计算方法,利用有限元法计算得到的结构位移场、应力场和低阶振动频率可作为结构设计的原始判据或作为结构改进设计的基础。

2车架的静态分析

力学模型的选择

有限元分析的基本思想,是用一组离散化的单元组集,来代替连续体机构进行分析,这种单元组集体称之为结构的力学模型;如果已知各个单元体的力和位移(单元的刚度特性),只需根据节点的变形连续条件与节点的平衡条件,来推导集成结构的特性并研究其性能。有限元的特点是始终以矩阵形式来作为数学表达式,便于程序设计,大量工作是由电子计算机来完成,只要计算机容量足够,单元的剖分可以是任意的,对于任何复杂的几何形状,多样化的载荷和任意的边界条件都能适应。然而,由于有限元是一种数值分析方法,计算结果是近似解,其精度主要取决于离散化误差。如果结构离散化恰当,单元位移函数选取合理,随着单元逐步缩小,近似解将收敛于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析工作的第一步

目前采用有限元分析模型一般有如下两种:梁单元模型和组合模型等。梁单元模型是将车架结构简化为由一组两节点的梁单元组成的框架结构,以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。其优点是:划分的单元数目和节点数目少,计算速度快而且模型前处理工作量不大,适合初选方案。其缺点是:无法仔细分析车架应力集中问题,因而不能为车架纵、横梁连接方案提供实用的帮助。组合单元模型则是既采用梁单元也采用板壳单元进行离散。在实际工程运用中,由于车架是由一系列薄壁件组成的结构,且形状复杂,宜离散为许多板壳单元的组集,其缺点是前处理工作量大,计算时间长,然而随着计算机技术的不断发展,这个问题已得到了较好的解决,而且由于有大型有限元软件支撑,巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机完成,也不是制约板壳元模型实际运用的困难了。这种模型使得对车架的分析计算更为精确,能为车架设计提供更为有利的帮助。

汽车底盘集成控制综述

汽车底盘集成控制综述

２００７年（第２９卷）第５期　汽车工程　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　汽车底盘集成控制综述　姜炜，余卓平，张立军　（同济大学汽车学院，上海２０１８０４）　２００７０９７　［摘要］介绍汽车底盘集成控制的控制目标、现状、两种基本结构以及相关的控制方法，比较了这两种结构的　优缺点，指出协调控制更适合汽车工业的发展，提出实现底盘集成控制需要解决的３个关键技术。　关键词：底盘ｉ集成控制；控制结构　Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｈａｓｓｉｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｊｉａｎｇ　Ｗｅｉ．Ｙｕ　Ｚｈｕｏｐｉｎｇ＆Ｚｈａｎｇ　Ｌｉｊｕｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｒｏｎｇｉｉ　Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｇｏａｌ，ｓｔａｔｕｓ　ｑｕｏ，ａｎｄ　ｔｗｏ　ｂａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｈａｓｓｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ｃｏｍｉｎｇ　ｔｏ　ａ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　ＣＯ—　ｏｒｄｉｎａｔｅｄ　ｃｈａｓｓｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｍｏｔｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｒｅｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｔｅ—　ａｌｉｚｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｈａｓｓｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｈａｓｓｉｓ；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　前言　自从２０世纪８０年代以来，为了提高汽车性能，　人们开发了各种各样的底盘主动控制系统　，如　图１所示。这些系统按汽车运动方向可以分为３　类：纵向的制动和驱动控制、横向的转向和横摆力矩　控制以及垂向的悬架控制。目前汽车底盘的电子控　制系统几乎毫无例外地围绕某一功能来开发，并通　过轮胎与地面问的接触力产生作用。由于汽车各个　蝴厘霾　厘霾　驱动匣　［二二　转向厘　厘霪耍　悬架　唾　图１底盘主动控制系统　方向的运动并非独立，而是相互联系，相互影响　，　因此具有以下特征：（１）各个控制系统的控制目标　不一致，如主动悬架的主要控制目标是舒适性，四轮　转向的主要控制目标是操纵稳定性，将两者集成时　会由于控制目标不一致而冲突；（２）各个控制系统　对执行器的控制存在干涉，如制动器同时受到驾驶　员、防抱死系统ＡＢＳ和电子稳定程序ＥＳＰ等的控　制；（３）同一控制目标可以由多个控制系统完成，如　转向时的操纵稳定性可以由主动前轮转向ＡＦＳ、主　动后轮转向ＡＲＳ和ＥＳＰ等来实现。此外还存在基　于反馈的控制存在时间和相位的滞后，系统的冗余　度较大，尤其是传感器冗余。　底盘集成控制是当前底盘的研发热点，因为它　有着传统控制无法比拟的优点，具体如下。　（１）消除各系统问的冲突如四轮转向可以改　变汽车的横向运动，同样通过制动力控制也可以改　变汽车的横向运动，集成控制能实现两个系统各自　以合适的幅度向同一个方向作用，消除可能存在的　冲突。　（２）改善车辆性能如在装有ＡＢＳ的车辆上，　原稿收到日期为２００６年１月２３日，修改稿收到日期为２００６年７月１９日。

车辆半主动悬架仿人PID控制(仅开题报告)

车辆半主动悬架仿人PID控制(仅开题报告)

南京工程学院

本科毕业设计（论文）开题报告

课 题 名 称：车辆半主动悬架仿人PID控制研究

学 生 姓 名：

学 号：

指 导 教 师：

所 在 系 部： 机电工程系

专 业 名 称： 自动化

2010年 03 月 日

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名 学 号 专 业 自动化

指导教师 职 称 所在系部 机电工程系

课题来源 自拟课题 课题性质 工程技术研究

课题名称 车辆半主动悬架仿人PID控制研究

毕业设计的内容和意义 本论文主要运用仿人PID控制对车辆半主动悬架进行研究，

其主要内容包括：

（1） 建立主动悬架1/4单轮车辆的动力学模型

（2） 设计仿人PID控制器

（3） 基于MATLAB建立半主动悬架仿人控制模型

（4） 通过该仿真研究，验证仿人控制器的有效性

本课题的研究意义：

半主动悬架系统对于车辆具有良好的减振效果。研制半主动悬架必须以性能、价格比和可靠性为依据，力求产品先进、可靠、实用，实现半主动悬架的商品化、产业化。一种有效的控制方法是实现这一研究的关键一步。所以，本课题运用仿人PID控制对半主动悬架进行研究。

文

献

综

述

1.半主动悬架

汽车悬架主要由弹簧、减振器、稳定器和联动装置等组成，此外，还可包括一些特殊功能的部件，如缓冲块和稳定杆等[1][2]。悬架的作用就是将路面作用于车轮上的垂直反力（支承力），纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所产生的力矩传递到车架（或承载式车身）。在传递这些力和力矩的同时，吸收和减缓不平路面传给车架或车身的冲击载荷，使车身和车轮之间保持适当的几何关系，抑制车轮的不规则振动，提高车辆平顺性（乘坐舒适性）和安全性（操纵稳定性）。因此悬架系统是影响汽车性能的关键部件，研究汽车悬架系统对提高汽车总体性能有着非常重要的意义。