利用仿真研究悬架阻尼对车辆平顺性的影响
利用仿真研究悬架阻尼对车辆平顺性的影响
摘要
利用四自由度汽车悬架的数学模型，建立了振动微分方程和路面激励矩阵，由此可推导出频率响应函数和均方根值来评估响应变量，在不变的路面状况和行驶速度的条件下，在时域上进行仿真，得到了对悬架控制的三评价指标的悬架阻尼的变化趋势。这为悬架阻尼与减震器阻尼的匹配和车辆的平顺性提供了依据。
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关键词：车辆工程，悬架阻尼，减震，乘坐舒适性
1介绍
由于弹性元件和阻尼元件参数的传统的汽车悬架不是由驱动周期变化，提高交通顺畅舒适性是有限的。因此，半主动悬架的阻尼的研究可调式成为国内外热点。悬架阻尼对车辆平顺性的影响是确定减振器的阻尼可调范围的关键点。基于四自由度车辆悬架系统的数学模型，这是本文建立的建立了仿真框图，应用MATLAB／Simulink软件分析了悬架的影响趋势阻尼三的悬浮控制的评价指标。
2车辆悬架系统的数学模型
因为车辆乘坐舒适性是在直线行驶状态下提出的，因此在此条件下建立了车辆动力模型。假定悬挂质量被视为刚体，则在支撑在地面上的车辆前桥和后桥，由于簧下质量采用两个线性弹簧而不是轮胎，该轮胎阻尼忽略不计。
车辆是两侧对称的，并且两侧轮胎所受到的路面激励是相同的，横向振动和水平振动可以忽略，刚刚研究了垂直运动和俯仰运动实际上是影响车辆驾驶的因素。图1是4自由度车辆动力学模型：
在图中，m1,m2（单位为千克）是前轴和后轴的簧下质量，m3（单位为千克）是簧上质量，m4（单位为kg.）是绕其质量中心的簧载质量惯性矩。K1,k2（单位为n/m）是前后轮轮胎刚度，k3,k4（单位为n/m）是前后悬架的悬架刚度。C3,C4（单位为N.s/m）是前后减震器的阻尼系数。a，b（单位为m）是前轮和后轮轮胎的簧载质量质心质量中心水平距离。q1,q2（单位为m）是前轮和后轮的垂直方向的位移。Z1,z2（单位为m）是前轮和后轮的垂直位移响应。Z3（单位为m）是绕其质量中心的簧上质量垂直运动位移响应。Z4（单位为弧度）是绕其质量中心的簧上质量角位移响应。
基于拉格朗日方程，推导出振动微分方程如下：
其中
3.悬架路面输入响应
1）道路激励 当车辆正在以速度v行驶在路面上时，路面的功率谱密度是：
其中
图1为4自由度系统，激励被表示矩阵的形式，如
其中L-轴距（单位为m）
V-速度（单位为m/s）
2）频率响应函数和均方根响应变量的平方值 激励q1 - q4对基本响应变量z1 - z4的频率响应矩阵：
其中
3 ）评价指标 在本文中，频率响应函数和车身垂直加速度的平方值，轮胎和悬架动挠度的相对动态负载有关。
车身质心的加速度：
前轮的动态负载：
前轮的相对动载：
其中，是前轮的静载荷（N）
后轮的动态负载：
后轮相对动载：
其中，是后轮的静载荷（N）
前悬架动挠度：
后轮的动态挠度：
4.模拟和分析
在本文中，研究对象是某一种车辆。当车辆正在行驶直线，则路面激励和运行速度以参数变化为主。在中国， B类和C类路面最常见的，为了简化起见，平均等效路面被选择为基本 计算路面，并且车辆以中速行驶。在本文中， 在使用MATLAB / SIMULINK工具箱时，仿真条件是在B类和C类路面的平均路况上，车辆行驶的平均速度是80km / h，而仿真的时间是十秒钟，如图2
图2-悬挂系统仿真流程图
那么对于直线运行状态呢？关键是车辆具有良好的乘坐舒适性。用三个指标来评估悬架系统[ 7-8 ] ：车身的垂直加速度的平方根值，悬架的动挠度的平方根值和轮胎动载荷的平方根值。图标2选用车身的垂直加速度，前后悬架的动态变形，正面和背面悬架的动态载荷和俯仰角加速度为模拟输出。
当选用悬挂阻尼系数C3 = 2100N.s / M ，C4 = 1900N.s / M 的悬架进行仿真时，仿真曲线示于图3,4,5,6 。
图3-车身的垂直加速度仿真曲线
图4-前悬架的动挠度的仿真曲线
图5-前悬架系统的动载荷的仿真曲线
图6-俯仰角加速度的仿真曲线
根据时域仿真结果，当弹簧减震器系数有不同的数值时，前悬挂的三个评价指标的平方根值是不同的。当阻尼系数在1000 Ns/m-3600 Ns/m之间变化时，评价指标的平方根值将发生不同程度的改变。当阻尼系数变大时，车身的垂直加速度的平方根值变低，其平稳性变得更好，当悬架阻尼系数超越3600Ns /米时，其值会越来越高，因此其平稳性将变糟。当动挠度的平方根值变低时，车辆的可操纵性变差，则悬架击中帧的概率变低。俯仰角加速度的平方根值变小则会很好的降低车辆的纵向和侧向倾斜。
5.结论
基于在某一条件下汽车的数学模型，通过对车身的垂直加速度，悬架动态挠度和轮胎动态负载三个评价指标的研究和仿真，我们知道的悬架系统匹配能影响汽车行驶稳定性和操纵性。为了使半主动悬架阻尼可调，减震器的阻尼软系数可以根据仿真结果来确定，用以提供可调式避震减振器的阻尼优化设计的基础。
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