轎車系統(tǒng)的模擬裝置與動(dòng)態(tài)分析

楊咸啟，楊 琪，鮑 婕

(黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 概 述

研究發(fā)現(xiàn)，轎車乘坐舒適性及操縱安全性與轎車懸掛系統(tǒng)的關(guān)系密切。理想的懸掛系統(tǒng)不僅能使車隨路面起伏而上下運(yùn)動(dòng)，并能借此使整個(gè)車身在前進(jìn)過程中盡量保持水平。還能隨車速、路況、運(yùn)動(dòng)方式的變化做出適當(dāng)、靈敏的反應(yīng)。它能使輪胎與路面貼合，保持適當(dāng)?shù)慕嵌?，從而使轎車的動(dòng)力性能、制動(dòng)性能以及轉(zhuǎn)向性能等得到保證。本文設(shè)計(jì)一種轎車懸掛機(jī)構(gòu)模擬裝置，用來模擬汽車在豎直方向的振動(dòng)。當(dāng)調(diào)整轎車懸掛系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，可以評(píng)價(jià)參數(shù)調(diào)整對(duì)轎車系統(tǒng)振動(dòng)造成的影響。

2 轎車系統(tǒng)模型

實(shí)際轎車的振動(dòng)是很復(fù)雜的，影響振動(dòng)的因素很多，這里考慮主要因素，而略去一些次要因素，將系統(tǒng)簡化和抽象為動(dòng)力學(xué)模型。建立合理的汽車振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)于分析和計(jì)算的結(jié)果的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。[1]本文考慮轎車在隨機(jī)不平路面上行駛時(shí)，路面的隨機(jī)輸入對(duì)人產(chǎn)生的響應(yīng)。

轎車在路面上的行駛產(chǎn)生振動(dòng)，測(cè)出其在豎直方向上的位移、速度，為了保證模擬裝置的尺寸及其他參數(shù)與轎車的實(shí)際情況成一定的比例，這里采用如下方法。

1.設(shè)計(jì)的裝置縮小比例為1：5；

2.汽車內(nèi)部質(zhì)量集中設(shè)置，輪胎彈性采用空氣彈簧模擬；

3.地面變化采用凸輪輪廓進(jìn)行模擬。

設(shè)計(jì)的轎車系統(tǒng)模擬裝置簡圖如圖1所示。該系統(tǒng)的理論分析模型簡化為8自由度運(yùn)動(dòng)模型[2]，如圖2所示。8個(gè)自由度分別是：簧載質(zhì)量質(zhì)心處的垂直位移Zc、前面非簧載質(zhì)量質(zhì)心處的垂直位移Z1、后面非簧載質(zhì)量質(zhì)心處的垂直位移Z2、人-椅的系統(tǒng)質(zhì)心處的垂直位移Zp、簧載質(zhì)量橫向角振動(dòng)的角位移ξ、簧載質(zhì)量縱向角振動(dòng)的角位移φ、前排非簧載質(zhì)量橫向角振動(dòng)的

圖1 轎車系統(tǒng)模擬裝置

角位移θ1、后排非簧載質(zhì)量橫向角振動(dòng)的角位移θ2。

圖2 轎車系統(tǒng)計(jì)算模型

轎車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程組的矩陣的形式為[2-5]：

其中，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，M為質(zhì)量矩陣，Q為激勵(lì)矩陣。

3 模擬路面模型

為了更好地描述路面的狀況，同時(shí)又考慮到計(jì)算的可行性，采用模擬函數(shù)描述路面激勵(lì)。在系統(tǒng)分析中，路面激勵(lì)起著重要的作用，它的準(zhǔn)確性很大程度上影響模擬的真實(shí)性。本文采用的路面激勵(lì)為多次諧波函數(shù)疊加函數(shù)：

路面的輸入就能夠粗略地描述如圖3所示。

圖3

4 模擬結(jié)果分析

轎車在不同的路面上行駛振動(dòng)的差別往往比系統(tǒng)參數(shù)的改變要大，路面模擬函數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響十分明顯。表1給出5種路面條件，采用龍格-庫塔（Runge-Kutta）法[5]求解方程（1），得到人-椅系統(tǒng)（Mp）、中間簧載部分（Mc）和前、后非簧載部分（Mf、Mr）的位移和速度模擬結(jié)果，如圖4所示。

表1 5種路面參數(shù)

圖4

5 結(jié) 論

通過5種參數(shù)路面條件下轎車的位移和速度的模擬結(jié)果，得出如下結(jié)論。

1.轎車的人-椅系統(tǒng)、簧載質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)在行駛初始期振動(dòng)很強(qiáng)烈，隨后逐漸趨于平穩(wěn)。

2.轎車系統(tǒng)的角速度系數(shù)具有較大的影響，轎車的人-椅系統(tǒng)的角速度系數(shù)大振動(dòng)振幅大，反之振動(dòng)的振幅小。

3.當(dāng)系統(tǒng)角速度系數(shù)不變的情況下，轎車系統(tǒng)振幅系數(shù)影響顯著，振幅系數(shù)大振動(dòng)就會(huì)大。

4.路面模型5的轎車人-椅系統(tǒng)的振幅值比在路面模型4的振幅值小很多。由此可以看出，并不是路面的不平度越高，轎車行駛時(shí)的振動(dòng)就越劇烈，轎車在不同路面上的振動(dòng)與其行駛的速度等因素也有一定關(guān)系。

[1]陸正煜.汽車獨(dú)立懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力特性的研究與其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京：清華大學(xué),1985：5-19.

[2]丁玉慶.汽車振動(dòng)系統(tǒng)的簡化及數(shù)學(xué)模型的建立[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,25(4)：391-394.

[3]師漢民.機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)——分析、測(cè)試、建模、對(duì)策（上冊(cè)）[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992：32-59.

[4]楊咸啟,常宗瑜.機(jī)電工程控制基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005：168-201.