車輛半主動懸架與路面系統的分析和建模研究

摘要：在車輛高速化的進程中，人們對車輛的乘坐舒適性、安全性等方面提出了更高的要求，傳統的被動懸架由于其自身特點的局限性己逐漸不能滿足人們的這一需求。本文建立了四分之一車輛被動、半主動懸架系統模型，并簡要介紹了路面模型，并對被動阻尼懸架系統進行動力學特性分析，為懸架系統控制策略設計與仿真分析提供理論基礎。

關鍵詞：懸架；路面系統；建模

中圖分類號：U260.6文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2007）10-0278-02

1四分之一車輛模型

車輛系統是一個復雜的多自由度非線性系統，為便于分析懸架系統動力學特性，需要對其進行簡化，否則解釋系統性能的變化就非常困難。目前常用的動力學模型有單自由度模型、兩自由度模型、半車模型和整車模型。因本文主要研究半主動懸架系統特性，故采用目前比較常用的四分之一車輛模型。它是一個二自由度系統，是能夠仿真乘坐舒適性、車身位移、車輪動載和懸架位移的最小模型，在該模型中，因輪胎的阻尼較小而予以忽略，并假設輪胎和路面是始終接觸的。

基于磁流變減振器的半主動懸架系統二自由度1/4車輛模型如圖1所示，由于基于磁流變減振器的懸架系統是一種阻尼可連續調節的半主動懸架系統，是通過調節減振器的阻尼來實現控制的半主動懸架系統，所以這里將磁流變減振器模型表示成由基值阻尼C和可調阻尼Ccu兩部分組成。由牛頓第二定律得系統運動學微分方程為：

對于車輛懸架系統，設計準則是：在有限的懸架工作空間內，為駕駛員和乘客提供良好的乘坐舒適性、可接受的車身姿態以及對車輪動載荷的合理控制。其中各個變量定義及該準則的細化描述為：懸架系統動行程定義為車輪中心相對車架（或車身）的垂直位移，表達式為Xb-Xw。在懸架系統控制中必須保證懸架動行程在一定的范圍之內，因為懸架的工作空間是有限的；車身加速度為Xb-車身加速度水平降至最低是被廣為接受的車輛乘坐舒適性的評價指標；輪胎動位移是指車輪中心相對路面的偏離位移，表達式為Xw-Xr，輪胎動位移與輪胎剛度的乘積K2（Xw-Xr）即為輪胎動載荷一是車輛操縱穩定性的評價指標，必須將其控制在合理的范圍之內，以保證車輛在操縱轉向時具有良好的輪胎接地性。

2懸架系統動力學和階躍響應特性分析

如果將基于磁流變減振器的阻尼可調的半主動懸架系統的阻尼系數固定的話，那么它就可看作是一被動懸架系統了。本文考查阻尼系數的改變對懸架系統性能的影響，并期望對它的分析能有助于指導半主動懸架系統控制策略的設計及控制器參數的優化。被動懸架系統模型如圖2所示：

其中C；為懸架系統的被動阻尼，其余各參數的意義可參見表1。

在使用傳遞函數描述懸架系統并對其進行階躍響應分析時，由于Mablab在數值計算求解過程中因截斷誤差而造成仿真結果出錯，故下面采用狀態空間方程來描述懸架系統的運動學特性并對其進行求解。取狀態變量X=［Xb-XwXw-XrX·bX·w］T，則運動學微分方程可轉換成狀態空間方程形式如下：

計算可得，車身加速度幅值與輪胎動位移幅值隨著懸架阻尼的變化有著相反的變化趨勢，說明車輛的乘坐舒適性和操縱穩定性是一對較難協調的矛盾。若從減小沖擊以提高車輛乘坐舒適性出發，則應設置小懸架阻尼，此時車身加速度收斂速度將相應變慢；而從提高車輛操縱轉向時的輪胎接地性出發，則需設置大懸架阻尼。

3道路模型

車輛在行駛時，路而的小平將激發車輛的振動，雖然引起車輛振動的振源還有發動機、傳動系等，但路面不平是車輛振動的基本輸入。按路面不平度類型不同可將路面激勵分為隨機激勵和離散事件激勵，前者來自于路面連續的隨機的不平整，而后者則來自于路面的凹坑和凸起等。

對于離散事件激勵路面類型，通常采用階躍函數、矩形脈沖函數和半正弦波等來描述實際路面中的凹坑和凸起；而對于隨機激勵路面類型，則主要采用路面功率譜密度來描述其不平度統計特性，路面功率譜密度Gq(n)的擬合表達式，如下：

Gq(n0)為路面不平度系數，A-E七個等級路面分別對應有不同的路面不平度系數Gq(n0)的幾何平均值；W為頻率指數，分級路面譜的頻率指數取為2。

實際上，上式與實際情況仍有不符之處，在時間頻率了趨向于零時，路面功率譜將趨向無窮大，而實際路面并非如此。本文在對半主動懸架控制系統進行仿真時，將選用更能反應實際路面情況的道路譜模型，總之，對路面模型的描述和建模，是為了在仿真時利用其對懸架系統性能進行檢驗，使懸架系統能適應各種路況，并找出懸架系統設計中存在的問題，為懸架系統及其控制策略設計提供幫助。關于A-E級路面理論與仿真結果如表2所示：

4小結

分析了四分之一車輛被動、半主動懸架系統模型，指出基于磁流變減振器的半主動懸架系統其本質是通過調節阻尼進行控制的系統，并將基于阻尼控制的參數時變半主動急架系統模型作為本文的研究對象。

為懸架系統控制策略設計與仿真分析提供理論基礎，本章對懸架系統的動力學特性進行了分析，從頻域和時域兩個角度研究了懸架阻尼系數變化對懸架系統性能的影響。由頻域分析結果可知，在不同頻段范圍內，阻尼變化對懸架系統動力學特性的影響存在顯著差異。并且在某些頻段內，車輛平順性與輪胎接地性隨阻尼的變化有著相反的變化趨勢，成為一對較難調和的矛盾，因而在這些頻段內因視具體要求設置阻尼。從階躍響應的分析結果可知，車輛的乘坐舒適性和操縱穩定性是一對較難協調的矛盾。若從減小沖擊以提高車輛乘坐舒適性出發，則應設置小懸架阻尼，此時車身加速度收斂速度將相應變慢；而從提高車輛操縱轉向時的輪胎接地性出發，則需設置大懸架阻尼。

參考文獻

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”