汽車被動懸架的建模與仿真

李濱

摘 要：汽車最早應用的是被動懸架，懸架是汽車行駛系的重要組成部分。目前被動懸架應用廣泛，通過計算機建模，并建立微分方程，利用現代控制理論的知識，建立二自由度懸架模型的仿真模擬圖。分析了懸架在隨機輸入情況下的懸架動行程、輪胎動位移。仿真出頻率函數響應結果曲線。在計算機的模擬與仿真下，對被動懸架有了更深的了解，為進一步工程研究提供了基礎。

關鍵詞：被動懸架 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，使汽車發動機通過離合器、變速箱、傳動軸及汽車車橋的半軸和輪胎的連接將旋轉運動變成汽車的直線運動。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。提高汽車的平順性和操縱穩定性。且懸架是汽車運動中直接與地面接觸的部件，是汽車運動不可缺少的部件。連接車身和車輪。汽車懸架主要由彈性元件、導向機構和阻尼器等三部分組成。懸架按導向機構型式、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：阻尼系數固定和阻尼系數可調（半主動懸架）。從懸架的參數可控方面講，汽車懸架有主動懸架和被動懸架之分。從懸架參數是否完全可控角度主動懸架分為主動懸架（剛度、阻尼都可控），和半主動懸架（阻尼和剛度之一可控）。主動懸架按是否有動力源可分為四大類：全主動懸架（有源主動懸架）、慢主動懸架（部分有源主動懸架）、半主動懸架（無源主動懸架）和饋能主動懸架。從主動懸架的動態響應可分為全主動懸架和慢主動懸架。阻尼可調的半主動懸架又可分為連續可調半主動懸架（continuous damping control，無級）和可切換半主動懸架（有級）。根據汽車兩側車輪運動是否相互關聯，汽車懸架可分為非獨立懸架（rigid axle suspension）和獨立懸架（independent suspension）兩種形式。獨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。主動懸架的剛度、減震器的阻尼力以及車身的高度能主動適應汽車行駛狀況的懸架。本文介紹被動懸架，被動懸架是彈性元件的剛度和減震器的阻尼力（不變）只能被動適應汽車行駛狀況的懸架。被動懸架的缺點是：當載荷、車速、路況等行駛狀態變化時，懸架不能滿足各種行駛狀態下對懸架行能的較高要求。圖1中輸入包括路面不平度和車速，振動系統由彈簧、阻尼和車身—車輪質量組成。振動系統輸出是車身傳至人體的加速度（m/s2），懸架彈簧動撓度fd（m）和車輪與路面之間的動載Fd（N）。系統輸出的評價指標是加權加速度均方根值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懸架模型運動學微分方程：

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是科學計算的有效工具，既可以編程又可以進行無需大量編程的語言或工具。MATLAB/Simulink仿真系統是MATLAB2015b最重要的組件之一，能夠使用戶和系統交互進行動態系統建模、仿真和綜合分析。利用Simulink toolbox工具箱的仿真模塊建立系統的仿真圖，得出1/4被動懸架的車身動位移、車輪動位移的仿真結果。

通過MATLAB/Simulink的建模與仿真，使被動懸架的設計計算可視化。為懸架的設計優化提供依據。在仿真的基礎上，利用仿真結果繪制出頻率響應結果曲線和時域響應結果曲線，為被動懸架的設計提供了參考。更真實的反應了被動懸架的動力學情況。

3 結語

目前對被動懸架的模擬與仿真參考文獻較少，本文的目的是為了為工程師、研究生的學習和設計被動懸架提供了依據。為懸架參數設計與優化提供了技術基礎。

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