裝有動力調節(jié)懸架系統(tǒng)車輛的頻域建模與仿真

張邦基+易金花+張農+章杰+王立夫+熊傳楓

摘 要：以某越野車為樣車，首次建立了裝有動力調節(jié)懸架系統(tǒng)的車輛動力學頻域模型，采用阻抗傳遞矩陣獲得油路的阻抗陣，通過數(shù)值優(yōu)化迭代尋根方法，求解模態(tài)特征值，并與建立的不帶橫向穩(wěn)定桿的整車模型和帶橫向穩(wěn)定桿的整車模型進行模態(tài)參數(shù)對比和模態(tài)分析.結果表明，動力調節(jié)懸架系統(tǒng)使車輛在保持原有乘坐舒適性的同時，能有效抑制轉彎時車體的側傾運動，且大幅降低簧下的扭轉剛度，越野路面時車輪能充分接觸地面，提高車輛通過性能.

關鍵詞：模態(tài)分析；動力調節(jié)懸架系統(tǒng)；整車動力學模型；阻抗陣

中圖分類號：U463.33 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）10-0008-08

Abstract：This paper took an SUV vehicle as the prototype， established a frequency-domain model of vehicle with KDSS-fitted， based on the transfer matrix method to derive the impedance matrix of hydraulic subsystem， solved the eigenvalue in numerical optimization iteration method， compared and analyzed the modal parameters of KDSS-fitted vehicle， ARB-fitted vehicle and no-ARB-fitted vehicle model. The results indicate that KDSS is able to effectively reduce the roll motion of sprung mass in the same way as anti-roll bar， and simultaneously maintain the ride comfort performance. At the same time， the wheel torsion stiffness， compared with ARB， is greatly reduced. This gives the wheels full contact with the ground and improves the passing ability of the vehicle.

Key words：modal analysis；kinetic dynamic suspension system； vehicle dynamics model； impedance matrix eigenvalue identification

汽車橫向穩(wěn)定桿（Anti-Roll Bar， ARB）能提高側傾剛度，抑制轉彎時車身側傾，但ARB將左右車輪互聯(lián)，在通過越野路面時，降低了車輛的通過性和越野性.針對這一問題，目前主要的解決方法有主動式橫向穩(wěn)定桿、液壓互聯(lián)懸架、主動懸架及動力調節(jié)懸架系統(tǒng)（Kinetic Dynamic Suspension System， KDSS）等.

主動式橫向穩(wěn)定桿一方面能平衡車身的側傾力矩，提高車輛穩(wěn)定性，另一方面能調節(jié)力矩的分配，從而調節(jié)汽車的動力特性，保證車輛的通過性.Gosselin-Brisson等[1]設計的一款主動式橫向穩(wěn)定桿，對越野路面的通過性及乘客舒適性都有很大的提高；Cronje等[2]設計的主動橫向穩(wěn)定器與半主動懸架結合，實現(xiàn)越野車在平順性、操穩(wěn)性模式之間的切換；李顯生[3]對裝有主動橫向穩(wěn)定器的實車進行了多項實驗研究.

液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)是一套懸架輔助系統(tǒng)，不同的互聯(lián)形式和結構對車輛行駛性能影響不同.郭孔輝等[4]提出多種液壓式耦聯(lián)懸架系統(tǒng)以改善車輛的操穩(wěn)性和通過性；文獻[5-7]提出了液壓懸架不同的互聯(lián)方式，對車輛有抗側傾、抗俯仰、抗垂向和消扭等不同的作用效果，在頻域和時域對液壓互聯(lián)懸架進行了理論推導和試驗驗證.

主動懸架能夠根據(jù)車輛的運動狀態(tài)，實時調節(jié)懸架的剛度和阻尼，但需要較大的能量輸入，且成本較高.Aoyama等[8]研發(fā)的主動油氣懸架系統(tǒng)將壓力控制閥同小型蓄能器和液壓油缸相結合以降低能量損耗，并實現(xiàn)對剛度和阻尼的調節(jié)；郭孔輝等[9-11]建立了車輛模型，從車輛平順性和操穩(wěn)性出發(fā)，設計最優(yōu)控制器；周兵等[12-14]對主動懸架控制器進行了深入研究和有效設計.

KDSS包含斷開式橫向穩(wěn)定桿及液壓系統(tǒng)[15]，相比于傳統(tǒng)橫向穩(wěn)定桿，兼具抗側傾和消扭性能；相比于液壓互聯(lián)懸架，結構更為簡單；相比于主動和半主動懸架，成本更低，無電子控制部分.該技術雖已運用到豐田公司的部分高端越野車上，但缺乏深入系統(tǒng)的理論分析.本文通過建立KDSS頻域模型，結合整車7自由度模型，與傳統(tǒng)的不帶ARB車輛和帶ARB車輛進行整車性能對比分析，從理論上驗證KDSS能提高車輛側傾剛度，降低簧下扭轉剛度，且對車身垂向剛度和俯仰剛度影響很小.

3 結果分析

根據(jù)表2～表4的結果，對裝有KDSS整車分別與不帶ARB、帶ARB的車輛進行模態(tài)對比分析.

安裝KDSS之后，越野車的各模態(tài)產生了變化.相對于不帶ARB車輛的側傾模態(tài)頻率1.5 Hz，裝KDSS車輛增大到1.546 Hz，說明KDSS能提高整車的側傾剛度，而側傾模態(tài)的阻尼比變化很小，說明在不考慮作動器和管路阻尼的情況下，KDSS對原車阻尼影響很??；相對于不帶ARB懸架車輛的俯仰模態(tài)頻率3.36 Hz，裝KDSS車輛增大到3.4 Hz，說明KDSS對整車的抗俯仰性能有所提高，但幅度較??；車身垂向模態(tài)的固有頻率從1.95 Hz 增大至 1.96 Hz，幅度很小，可以忽略.以上結果證明安裝KDSS之后整車車身側傾模態(tài)的固有頻率提高了，對車身垂向模態(tài)和俯仰模態(tài)的影響不大，裝有KDSS車輛的車身側傾剛度提高可以有效地提高車輛在轉彎時的安全性，抑制車輛側翻現(xiàn)象的發(fā)生.

相對于帶ARB車輛，安裝KDSS車輛的車輪扭轉模態(tài)固有頻率從12.90 Hz 減小到12.57 Hz，有明顯降低，與不帶ARB車輛的車輪扭轉模態(tài)固有頻率相差較小，扭轉固有頻率的下降說明KDSS在扭轉路面時會解除ARB的作用，使懸架的動撓度增大，車輪能充分接觸到地面，車輛的越野性和通過性變好.對于在崎嶇山路行駛的越野車輛而言，它的作用是必不可少的，并且對車身而言，減小或消除了4個橡膠套接觸點扭轉力的作用，釋放了車身受到的扭轉力，延長了車輛的使用壽命.

4 結 論

建立了裝有KDSS的車輛頻域模型，利用傳遞矩陣法推導出液壓系統(tǒng)每個回路的阻抗陣，組成通路矩陣，運用尋根求最優(yōu)特征值方法，獲得了機械液壓耦合系統(tǒng)的特征值.分析了KDSS的模態(tài)特性，與不帶ARB車輛和帶ARB車輛的頻域模型進行了對比，結果表明，KDSS與傳統(tǒng)ARB一樣，提高了車輛側傾剛度，并且KDSS消除了穩(wěn)定桿的扭轉，降低了簧下的扭轉剛度， 使車輪能充分接觸地面，保證了車輛良好的通過性.

參考文獻

[1] GOSSELIN-BRISSON S，BOUAZARA M，RICHARD M J. Design of an active anti-roll bar for off-road vehicles[J]. Shock and Vibration，2009，16（2）：155-174.

[2] CRONJE′P H，ELS P S. Improving off-road vehicle handling using an active anti-roll bar[J].Journal of Terramechanics，2010，47（3）：179-189.

[3] 李顯生.商用車行駛安全性及主動橫向穩(wěn)定器的研究[D]. 長春：吉林大學汽車工程學院， 2002.

LI Xian-sheng.Driving safety of commercial vehicle with active anti-roll bar[D].Changchun： College of Automotive Engineering， Jilin University， 2002. （In Chinese）

[4] 郭孔輝，陳禹行，莊曄，等.油氣耦連懸架系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2011，38（3）：29-33.

GUO Kong-hui，CHEN Yu-xing，ZHUANG Ye，et al.Modeling and simulation study of hydro-pneumatic interconnected suspension system [J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2011，38（3）：29-33. （In Chinese）

[5] SMITH W A，ZHANG N，HU W.Hydraulically interconnected vehicle suspension： handling performance[J].Vehicle System Dynamics，2011，49（1）：87-106.

[6] ZHANG N， SMITH W A，JEYAKUMARAN J.Hydraulically interconnected vehicle suspension： Background and modelling[J].Vehicle System Dynamics，2010，48（1）：17-40.

[7] 丁飛，張農，韓旭.安裝液壓互聯(lián)懸架貨車的機械液壓多體系統(tǒng)建模及模態(tài)分析[J].機械工程學報，2012，48（6）：116-123.

DING Fei，ZHANG Nong，HAN Xu. Modeling and modal analysis of multi-body truck system fitted with hydraulically interconnected suspension [J].Journal Mechanical Engineering，2012， 48（6）：116-123. （In Chinese）

[8] AOYAMA Y， KAWABATE K， HASEGAWA S. Development of the fully active suspension by Nissan[J]. SAE Paper 901747， 1990，99（6）：77-85.

[9] 郭孔輝，余五輝，章新杰，等.自適應半主動懸架系統(tǒng)控制策略[J]. 湖南大學學報：自然科學版，2013，40（2）：39-44.

GUO Kong-hui，YU Wu-hui，ZHANG Xin-jie，et al.Semi-active suspension adaptive control strategy [J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013， 40（2）：39-44. （In Chinese）

[10]方敏，應艷杰，汪洪波，等.基于整車轉向模型的汽車主動懸架控制研究[J].中國機械工程，2006，17（4）： 431-439.

FANG Min，YING Yan-jie，WANG Hong-bo，et al.Study on active suspension control based on full-vehicle model of steering and suspension systems [J].China Mechanical Engineering，2006，17（4）： 431-439. （In Chinese）