基于Simulink的1/4車輛懸架建模及仿真

鄭麗輝　張月忠

摘 要：本文以1/4車輛懸架為研究對象，根據(jù)懸架動力學(xué)理論，建立動力學(xué)微分方程。并在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建路面激勵模型和1/4懸架系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，對衡量懸架舒適性的車身加速度、懸架動行程、車輪動載荷三方面評價指標(biāo)進(jìn)行仿真研究，為懸架設(shè)計提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：1/4車輛懸架 舒適性 仿真研究

Modeling and Simulation of 1/4 Vehicle Suspension Based on Simulink

Zheng Lihui Zhang Yuezhong

Abstract：The article takes 1/4 vehicle suspension as the research object， and establishes dynamic differential equations based on suspension dynamics theory. In Matlab/Simulink environment， a road excitation model and a 1/4 suspension system dynamics simulation model are built to simulate the three evaluation indexes of body acceleration， suspension dynamic stroke， and wheel dynamic load to measure the comfort of suspension， so as to provide technical reference for suspension design.

Key words：1/4 vehicle suspension， comfort， simulation research

1 引言

車輛懸架連接車身與車輪，傳遞兩者之間的作用力和力矩，并通過彈性元件和阻尼元件的相互作用衰減不平路面引起的車輛振動，提高車輛平順性與舒適性。車輛懸架的類型可劃分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架三種，若懸架系統(tǒng)各元件的特性參數(shù)不可調(diào)整的稱為被動懸架，可調(diào)整的稱為半主動懸架，能根據(jù)控制反饋信號產(chǎn)生主動控制力，適應(yīng)路況和車況變化的稱為主動懸架。

本文以1/4車輛懸架為研究對象，根據(jù)其二自由度的簡化力學(xué)模型建立微分方程，并基于Matlab/Simulink建立了仿真模型。以某車型懸架參數(shù)為例，在以帶限白噪聲模擬的路面激勵下，對衡量懸架舒適性的三方面評價指標(biāo)進(jìn)行仿真研究，為懸架設(shè)計提供技術(shù)參考。

2 1/4車輛懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型

由于車輛結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了車輛懸架是多自由度互相耦合的非線性系統(tǒng)。為分析問題方便，常將實車懸架模型簡化成1/4車輛懸架二自由度模型。簡化過程作如下假設(shè)：

（1）忽略簧載質(zhì)量m2的變形，視其為剛體。

（2）車輪剛度k1和懸架減震彈簧剛度k2均為線性，忽略懸架減震器阻尼的遲滯現(xiàn)象。

（3）車輛行駛過程中，輪胎始終未脫離地面。

1/4車輛懸架二自由度力學(xué)模型如圖1所示。圖中，m1為車輪質(zhì)量，m2為車身質(zhì)量，k1為車輪等效剛度，k2為懸架減震彈簧等效剛度，c為懸架減震器等效阻尼系數(shù)，q為路面激勵，z1為車輪垂向位移，z2為車身垂向位移，F(xiàn)d為主動控制力。

以上懸架參數(shù)中若減震彈簧等效剛度k2或減震器等效阻尼系數(shù)c可調(diào)則為半主動懸架，若主動控制力Fd≠0則為主動懸架。本文只針對被動懸架進(jìn)行建模仿真分析，即k2與c保持不變，F(xiàn)d=0。

根據(jù)牛頓第二運動定律可得到懸架二自由度的四分之一車輛模型的運動微分方程為：

其中，表示車輪垂向速度，表示車身垂向速度，表示車輪垂向加速度，表示車身垂向加速度。

3 路面激勵模型

根據(jù)GB 7031-86《車輛振動輸入路面平度表示方法》中規(guī)定的路面功率譜密度的擬合表達(dá)式，本文本文采用一階濾波帶限白噪聲的方法建立隨機(jī)路面激勵模型如式（2）所示。

式（2）中，表示下截止頻率;表示隨機(jī)路面激勵信號;表示路面不平度系數(shù)，對于仿真的B級路面，=6.4*10-5;表示車速，取仿真速度60km/h，即=16.7m/s;表示均值為0的高斯白噪聲信號。路面激勵仿真模型如圖2所示，仿真得到隨機(jī)路面激勵信號如圖3所示。

4 1/4車輛懸架Simulink仿真及分析

本文研究對象為某家用轎車，仿真車輛懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)運動微分方程式（1）在Simulink環(huán)境下搭建1/4懸架系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

車輛懸架舒適性的評價指標(biāo)主要是車身加速度、懸架動行程、車輪動載荷三方面，針對這三個性能指標(biāo)的仿真結(jié)果如圖5至圖7所示。

5 總結(jié)

本文根據(jù)1/4車輛懸架動力學(xué)理論，建立了動力學(xué)微分方程。以一階濾波帶限白噪聲的方法模擬路面激勵，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建路面激勵模型和1/4懸架系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，并對衡量懸架舒適性的車身加速度、懸架動行程、車輪動載荷三方面評價指標(biāo)進(jìn)行仿真研究，為懸架設(shè)計提供技術(shù)參考。

基金項目：衢州市科技計劃指導(dǎo)性項目（2019003）：車輛半主動懸架智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

參考文獻(xiàn)：

[1]崔勝民.汽車系統(tǒng)動力學(xué)及仿真[M].北京：農(nóng)北京大學(xué)出版社，2014.

[2]陳杰平，陳無畏，祝輝，等.基于Matlab/Simulink的隨機(jī)路面建模與不平度仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41（3）：11-15.

[3]夏偉.基于Simulink的汽車主動懸架仿真分析[J].汽車實用技術(shù)，2018，（21）：38-41.

[4]張潮，郭京波，張海東，等.四分之一車輛懸架平順性研究[J].機(jī)械工程與自動化，2019，（2）：11-12.

[5]張志飛，徐中明，賀巖松.汽車平順性客觀評價方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2010，33（4）：14-20.