輪式車輛半主動懸掛系統(tǒng)動態(tài)特性研究

王 強(qiáng)，陳 敏，蔡青格

（63981部隊，武漢 430311）

輪式車輛半主動懸掛系統(tǒng)動態(tài)特性研究

王 強(qiáng)，陳 敏，蔡青格

（63981部隊，武漢 430311）

本文簡要介紹目前輪式車輛常用的三種懸掛，對比三種懸掛的系統(tǒng)特性，分析半主動懸掛的優(yōu)點(diǎn)。以半主動懸掛為研究對象，利用最優(yōu)控制方法建立，建立輪式車輛半主動懸掛的整車模型，推導(dǎo)半主動懸掛整車模型的狀態(tài)方程，并利用非經(jīng)典模態(tài)分析法對輪式車輛半主動懸掛進(jìn)行了推導(dǎo)得到矩陣方程，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。

半主動懸掛；整車模型；狀態(tài)方程

1 前言

懸掛系統(tǒng)起著彈性連接車架與輪胎、減緩和衰減不同道路情況顛簸而引起的沖擊振動，確保車輛行駛平穩(wěn)與駕駛?cè)藛T的舒適性。性能良好的懸掛應(yīng)滿足車輛高速機(jī)動性、高通過性和高乘員舒適性［1］。

被動懸掛系統(tǒng)：主要由彈簧和減振器組成，減振器的阻尼力隨著振動速度的增大而增大，振動頻率增加，等效剛度增大，對高頻衰減能力降低，不能隨著路面情況的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，減振效果一般。

主動懸掛系統(tǒng)：懸掛系統(tǒng)中加入有源可控元件—作動器，按照控制規(guī)律產(chǎn)生合適的懸掛力，抑制振動，它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和決策機(jī)構(gòu)構(gòu)成閉合控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，減振效果優(yōu)異。

半主動懸掛系統(tǒng)：使阻尼器按照路線和車輛實(shí)際情況調(diào)整阻尼的大小，做到無極調(diào)節(jié)，避免了主動懸掛中高成本的作動器和復(fù)雜的能量控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對簡單，減振效果好。

半主動懸掛相對于被動懸掛在減震效果上有明顯的優(yōu)勢，在達(dá)到接近主動懸掛性能的同時，又具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、能耗較低等特點(diǎn)，具有良好的工程應(yīng)用前景，已成為車輛工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。彭志召對半主動懸掛的頻域控制算法進(jìn)行了研究［2］，陳兵對履帶車輛的半主動懸掛的仿真進(jìn)行了分析等。本文將以半主動懸掛為研究對象，利用最優(yōu)控制方法建立半主動懸掛整車模型，通過非經(jīng)典線性系統(tǒng)模型分析法對整車狀態(tài)方程進(jìn)行研究和分析。

2 模型建立

目前對半主動懸掛系統(tǒng)的研究多采用四分之一車體或者半車模型，雖然能夠分析，但是和實(shí)際工況的響應(yīng)有著一定的出入，為符合實(shí)際運(yùn)行情況下輪式車輛懸掛的減振效果，考慮車體質(zhì)心振動和各個車輪輪心自由度的相關(guān)性。

假設(shè)車身為剛性的，在垂直方向，左右傾斜，前后俯仰方向有三個自由度，通過懸掛系統(tǒng)與車身連接的四個輪子簡化成質(zhì)點(diǎn)，由此組成七個自由度的系統(tǒng)，由動力學(xué)理論可得其動力學(xué)方程為：

為了更明確的表達(dá)系統(tǒng)的振動，用狀態(tài)方程形式表達(dá)得：

用加速計測算出垂直方向的運(yùn)動（例如

和

這樣就得到了輪式車輛半主動懸掛系統(tǒng)整車的狀態(tài)方程：

得到狀態(tài)方程后可對車輛進(jìn)行力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)的分析，為后續(xù)懸掛的研究和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

3 模態(tài)分析

由于半主動懸掛阻尼器可以調(diào)節(jié)，不能用經(jīng)典線性力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，因此采用非經(jīng)典模態(tài)分析法

由公式（3）可得半主動懸掛系統(tǒng)整車模型無外激勵情況下的狀態(tài)方程：

在半主動懸掛系統(tǒng)中可采用LQR優(yōu)化算法，得到反饋增益矩陣。可得：

以矩陣形式表示可得：

通過對以上分線性系統(tǒng)模態(tài)分析方法的分析得到了輪式車輛半主動懸掛矩陣方程，推導(dǎo)分析可以得到系統(tǒng)的特征值和特征向量。

4 總結(jié)

本文以輪式車輛為研究對象，建立整車模型，推導(dǎo)出整車的狀態(tài)方程，再通過非經(jīng)典模態(tài)分析法，得到矩陣方程，可進(jìn)一步了解整車模型的固有特性和靈敏度。以此為依據(jù)考察個參數(shù)對整個懸掛系統(tǒng)減振效果的影響，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計體統(tǒng)理論依據(jù)。

［1］陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2009：226-242.

［2］彭志召，張進(jìn)秋，張雨等.車輛半主動懸掛的頻域控制算法［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2013，27（04）：36-42.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.221