汽車被動(dòng)懸架的建模與仿真

李濱

摘 要：汽車最早應(yīng)用的是被動(dòng)懸架，懸架是汽車行駛系的重要組成部分。目前被動(dòng)懸架應(yīng)用廣泛，通過計(jì)算機(jī)建模，并建立微分方程，利用現(xiàn)代控制理論的知識(shí)，建立二自由度懸架模型的仿真模擬圖。分析了懸架在隨機(jī)輸入情況下的懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移。仿真出頻率函數(shù)響應(yīng)結(jié)果曲線。在計(jì)算機(jī)的模擬與仿真下，對(duì)被動(dòng)懸架有了更深的了解，為進(jìn)一步工程研究提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)懸架 建模與仿真 MATLAB/Simulink 1/4懸架

Modeling and Simulation of Automobile Passive Suspension

Li Bin

Abstract：Automobile manufacture first adopted the passive suspension. The suspension is important part of running system of vehicle. The passive suspension is widely used at present. Through computer modeling and establishing differential equation， the simulation diagram of 2-DOF suspension model is established by using the knowledge of modern control theory. The dynamic displacement of suspension and dynamic travel of tire with random input is analyzed in the article. The response curve of frequency function is simulated. Under the computer simulation， we have a deeper understanding of the passive suspension， which provides a foundation for further engineering research.

Key words：passive suspension， modeling and simulation， MATLAB/Simulink， 1/4 automobile suspension

1 引言

懸架（suspension）的定義是汽車底盤的最重要組成部分，使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器、變速箱、傳動(dòng)軸及汽車車橋的半軸和輪胎的連接將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成汽車的直線運(yùn)動(dòng)。懸架利用剛度和阻尼的變化緩沖地面的沖擊，減少汽車的振動(dòng)。提高汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。且懸架是汽車運(yùn)動(dòng)中直接與地面接觸的部件，是汽車運(yùn)動(dòng)不可缺少的部件。連接車身和車輪。汽車懸架主要由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和阻尼器等三部分組成。懸架按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)型式、彈性元件和阻尼元件的不同，可分成不同的懸架型式。懸架按彈性元件的不同可分為：鋼板彈簧懸架、螺旋彈簧懸架、扭桿彈簧懸架、空氣彈簧懸架、油氣彈簧懸架和橡膠彈簧懸架。懸架按阻尼元件的不同可分為：阻尼系數(shù)固定和阻尼系數(shù)可調(diào)（半主動(dòng)懸架）。從懸架的參數(shù)可控方面講，汽車懸架有主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架之分。從懸架參數(shù)是否完全可控角度主動(dòng)懸架分為主動(dòng)懸架（剛度、阻尼都可控），和半主動(dòng)懸架（阻尼和剛度之一可控）。主動(dòng)懸架按是否有動(dòng)力源可分為四大類：全主動(dòng)懸架（有源主動(dòng)懸架）、慢主動(dòng)懸架（部分有源主動(dòng)懸架）、半主動(dòng)懸架（無源主動(dòng)懸架）和饋能主動(dòng)懸架。從主動(dòng)懸架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可分為全主動(dòng)懸架和慢主動(dòng)懸架。阻尼可調(diào)的半主動(dòng)懸架又可分為連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架（continuous damping control，無級(jí)）和可切換半主動(dòng)懸架（有級(jí)）。根據(jù)汽車兩側(cè)車輪運(yùn)動(dòng)是否相互關(guān)聯(lián)，汽車懸架可分為非獨(dú)立懸架（rigid axle suspension）和獨(dú)立懸架（independent suspension）兩種形式。獨(dú)立懸架又分為縱臂式懸架、橫臂式懸架、多連桿懸架、燭式懸架、麥弗遜懸架、雙叉臂懸架。主動(dòng)懸架的剛度、減震器的阻尼力以及車身的高度能主動(dòng)適應(yīng)汽車行駛狀況的懸架。本文介紹被動(dòng)懸架，被動(dòng)懸架是彈性元件的剛度和減震器的阻尼力（不變）只能被動(dòng)適應(yīng)汽車行駛狀況的懸架。被動(dòng)懸架的缺點(diǎn)是：當(dāng)載荷、車速、路況等行駛狀態(tài)變化時(shí)，懸架不能滿足各種行駛狀態(tài)下對(duì)懸架行能的較高要求。圖1中輸入包括路面不平度和車速，振動(dòng)系統(tǒng)由彈簧、阻尼和車身—車輪質(zhì)量組成。振動(dòng)系統(tǒng)輸出是車身傳至人體的加速度（m/s2），懸架彈簧動(dòng)撓度fd（m）和車輪與路面之間的動(dòng)載Fd（N）。系統(tǒng)輸出的評(píng)價(jià)指標(biāo)是加權(quán)加速度均方根值aw（m/s2），撞擊懸架限位概率和行駛安全性。

2 建立1/4車模型

1/4懸架模型運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程：

m22+k2（x2-x1）+c（2-1）=0

m11+c（1-2）+k2（x1-x2）+k1 （x1-q）=0

3 MATLAB/Simulink仿真圖

MATLAB是科學(xué)計(jì)算的有效工具，既可以編程又可以進(jìn)行無需大量編程的語言或工具。MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)是MATLAB2015b最重要的組件之一，能夠使用戶和系統(tǒng)交互進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析。利用Simulink toolbox工具箱的仿真模塊建立系統(tǒng)的仿真圖，得出1/4被動(dòng)懸架的車身動(dòng)位移、車輪動(dòng)位移的仿真結(jié)果。

通過MATLAB/Simulink的建模與仿真，使被動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)計(jì)算可視化。為懸架的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。在仿真的基礎(chǔ)上，利用仿真結(jié)果繪制出頻率響應(yīng)結(jié)果曲線和時(shí)域響應(yīng)結(jié)果曲線，為被動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)提供了參考。更真實(shí)的反應(yīng)了被動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)情況。

3 結(jié)語

目前對(duì)被動(dòng)懸架的模擬與仿真參考文獻(xiàn)較少，本文的目的是為了為工程師、研究生的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)被動(dòng)懸架提供了依據(jù)。為懸架參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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