基于MATLAB的汽車主動(dòng)懸架仿真研究

鄧?yán)?

（襄樊學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053)

基于MATLAB的汽車主動(dòng)懸架仿真研究

鄧?yán)?/p>

（襄樊學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053)

針對(duì)不同懸架的性能特點(diǎn)，分別建立了被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架的車身與車輪兩自由度振動(dòng)模型，基于Matlab軟件用白噪聲法模擬了路面不平度隨機(jī)輸入，在此基礎(chǔ)上，對(duì)被動(dòng)懸架與主動(dòng)懸架的性能進(jìn)行了仿真對(duì)比. 仿真結(jié)果表明：主動(dòng)懸架能更好地衰減振動(dòng)，因此具有更佳的平順性.

汽車；主動(dòng)懸架；被動(dòng)懸架；Matlab

懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間一切傳力連接裝置的總稱，用以把路面作用于車輪上的各種力和力矩傳遞到車架上[1]，同時(shí)還起到緩和沖擊、吸收振動(dòng)、提高平順性與乘坐舒適性的作用.傳統(tǒng)懸架的剛度和阻尼是按經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定的，在汽車行駛過(guò)程中，其性能不變，也無(wú)法調(diào)節(jié)，從而使汽車平順性與乘坐舒適性受到一定的影響，因此稱這種懸架系統(tǒng)為被動(dòng)懸架. 主動(dòng)懸架可根據(jù)汽車的行駛條件的變化對(duì)剛度和阻尼進(jìn)行動(dòng)態(tài)地自適應(yīng)調(diào)節(jié)，因此能使懸架系統(tǒng)始終處于最佳狀態(tài)[2].

車身垂直位移決定了汽車振動(dòng)時(shí)振幅的大小，懸架行程直接影響撞擊限位的概率，而車身加速度是評(píng)價(jià)汽車平順性的主要指標(biāo)[3]，因此，本研究主要從車身垂直位移、車身加速度、懸架行程等幾個(gè)方面比較主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架的特性.

1 車身與車輪兩自由度振動(dòng)模型的建立

1.1 被動(dòng)懸架系統(tǒng)模型

汽車是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)所分析的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化. 參照文獻(xiàn)[3]，通?？梢詫⑵囌駝?dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單質(zhì)量系統(tǒng)和雙質(zhì)量系統(tǒng). 在遠(yuǎn)離車輪部分固有頻率的較低激振頻率范圍，輪胎變形很小，可忽略其彈性與車輪質(zhì)量，從而得到最簡(jiǎn)單的單質(zhì)量系統(tǒng)；當(dāng)汽車懸掛質(zhì)量分配系數(shù)的數(shù)值接近1時(shí)，可認(rèn)為前后懸架系統(tǒng)的垂直振動(dòng)幾乎是獨(dú)立的，此時(shí)可以簡(jiǎn)化為車身與車輪兩個(gè)自由度的雙質(zhì)量系統(tǒng). 因雙質(zhì)量系統(tǒng)除了能反映車身部分的動(dòng)態(tài)特性之外，還能反映車輪部分在產(chǎn)生高頻共振時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，更接近汽車懸掛系統(tǒng)的實(shí)際情況，因此一般將汽車振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量系統(tǒng). 圖 1是被動(dòng)懸架車身與車輪兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖. 其中，m2為懸掛質(zhì)量（車身質(zhì)量）；m1為非懸掛質(zhì)量（車輪質(zhì)量）；K為懸掛剛度；C為阻尼器阻力系數(shù)；Kt為輪胎剛度.

圖1 被動(dòng)懸架兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)

車輪與車身垂直位移坐標(biāo)為 z1、z2，q為輸入的路面不平度函數(shù)，坐標(biāo)原點(diǎn)選在各自的平衡位置，其微分方程為：

1.2 主動(dòng)懸架系統(tǒng)模型

圖 2是主動(dòng)懸架系統(tǒng)車身與車輪兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖. 它將傳感器測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)輸入電控單元，電控單元經(jīng)過(guò)分析、判斷后給力發(fā)生器發(fā)出指令，產(chǎn)生主動(dòng)控制力，從而滿足不同工況對(duì)懸架系統(tǒng)特性參數(shù)變化的要求. 其中 l1、l2、l3為根據(jù)優(yōu)化得到的反饋系數(shù)；u為主動(dòng)控制力，在此選擇其他參數(shù)與被動(dòng)懸架系統(tǒng)相同.

其運(yùn)動(dòng)方程為：

2 路面不平度隨機(jī)激勵(lì)時(shí)域模型的建立

路面不平度隨機(jī)激勵(lì)時(shí)域模型的模擬方法很多，在此采用白噪聲法[4]：

圖2 主動(dòng)懸架兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)

其中：q( t)——路面位移（m） ；

Gq ( n0)——路面不平度系數(shù)，m3/cycle；

u——汽車前進(jìn)速度 m/s；

w( t)——均值為零的高斯白噪聲；

f0——下截止頻率，Hz

3 Matlab/Simulink仿真模型的建立

根據(jù)以上建立的物理模型及微分方程，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立仿真模型. 圖3是通過(guò)式（1）的微分方程組建立起來(lái)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真模型，其中q為路面不平度激勵(lì)；分別為車輪與車身垂直位移為車身位移與車輪位移之差，即為懸架行程；為車身加速度. 圖 4是通過(guò)式（2）的微分方程組建立起來(lái)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真模型，圖中參數(shù)與圖3相同. 圖5是通過(guò)式（3）的微分方程建立起來(lái)的路面不平度隨機(jī)激勵(lì)時(shí)域模型，輸出為路面不平度激勵(lì)q.

圖3 被動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真模型

圖4 主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真模型

圖5 路面不平度隨機(jī)激勵(lì)時(shí)域模型

4 仿真結(jié)果輸出與分析

選擇某汽車懸架參數(shù)值作為仿真參數(shù)，被動(dòng)懸架系統(tǒng)的參數(shù)為：m1=24kg、m2=240kg、K=9475N/m、Kt=85270N/m、C=754N·s/m；主動(dòng)懸架反饋系數(shù)的選擇為l1=7592 N/m、l2=-481 N·s/m、l3=1916 N·s/m，汽車行駛車速取u=20m/s. 在Matlab/simulink環(huán)境中，更改路面不平度系數(shù)便可得到不同等級(jí)的路面模擬[5-6].因C級(jí)路面的狀況比B級(jí)路面稍差，為了更好的對(duì)比被動(dòng)懸架與主動(dòng)懸架的性能差異，以下均以C級(jí)路面的不平度作為車輛振動(dòng)輸入. 圖6為兩種懸架在相同路面不平度激勵(lì)下車身位移的對(duì)比，可以看出主動(dòng)懸架的車身位移明顯比被動(dòng)懸架小，說(shuō)明在相同路面激勵(lì)下，主動(dòng)懸架的振幅明顯比被動(dòng)懸架?。粓D7為兩種懸架在相同路面不平度激勵(lì)下的車身加速度的對(duì)比，同樣也可以看出，主動(dòng)懸架的車身加速度明顯小于被動(dòng)懸架，說(shuō)明主動(dòng)懸架能更好的衰減振動(dòng)；圖8為兩種懸架的懸架行程的對(duì)比，可以看出主動(dòng)懸架的懸架行程小于被動(dòng)懸架，但是差異并不大，這主要與主動(dòng)懸架的反饋系數(shù)的選擇有關(guān)，在具體設(shè)計(jì)時(shí)可以同過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法選擇最佳值，從而達(dá)到最理想的效果.

圖6 兩種懸架車身位移對(duì)比

圖7 兩種懸架車身加速度對(duì)比

圖8 兩種懸架的懸架行程對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立被動(dòng)懸架與主動(dòng)懸架的車身車輪兩自由度振動(dòng)模型，在Matlab/simulink環(huán)境中進(jìn)行了仿真，并對(duì)兩種懸架的車身垂直位移、車身加速度、懸架行程等幾個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比. 對(duì)比結(jié)果表明，主動(dòng)懸架能通過(guò)對(duì)剛度和阻尼的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使汽車在任何行駛工況下都能更好的起到吸收沖擊、衰減振動(dòng)的作用，表現(xiàn)出更佳的平順性和乘坐的舒適性.

[1] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[2] 陳家瑞, 馬天飛. 汽車構(gòu)造[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.

[3] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[4] CROLLA DAVE, 喻 凡. 車輛動(dòng)力學(xué)及其控制[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[5] 勞毅仁. 汽車主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[6] 王正林, 王勝開(kāi). MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

(責(zé)任編輯：徐 杰)

Simulation Research on Active Suspension of Vehicle Based on Matlab

DENG Li-jun
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiangfan University, Xiangyang, 441053)

Considering different suspensions have their own performance characteristics, the body and wheel two degrees of freedom vibration model of passive suspension and active suspension have been established respectively, using the white noise method to imitate road roughness random input which was based on Matlab and comparing the performance of passive suspension and active suspension. The simulation results showed that the active suspension can attenuate vibration greatly which made it has better ride comfort.

Vehicle; Active suspension; Passive suspension; Matlab

U461.4; U463.33

A

1009-2854(2012)02-0025-04

2011-11-21

鄧?yán)?1981— ), 男, 湖北天門人, 襄樊學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院助教.