汽車懸架模型仿真及分析

張作森 丁欣欣

摘要： 本文首先通過分析轎車的懸架系統的結構及作用，并將其簡化。建立汽車懸架1/4模型，應用MATLAB軟件里面的Simulink對懸架的1/4模型進行仿真，觀察其加速度，輸出位移等特性，然后改變相應的剛度參數、阻尼參數來觀察并分析其動態響應。最后得出系統在仿真路面下，其振動有低頻振動與高頻振動兩種，低頻振動為車輪的振動，高頻振動為車身的振動。

關鍵詞：1/4模型；仿真； 動態響應

中圖分類號：580.2010

引言

據公安部交管局統計，截至2017年3月底，全國機動車保有量首次突破3億輛，其中汽車達2億輛。汽車數量的劇增，人們開始越來越重視汽車的乘坐舒適性，而平順性是舒適性的一個重要部分。振動是影響平順性的主要因素，因此合理設計車身系統參數對于提高汽車舒適性，安全性具有重要意義。

目前，對于汽車模型有很多研究.詹長書[1]等對二自由度懸架模型的頻域響應特性進行了研究； 李俊[2]等對不同車速和路面情況下的二自由度車輛模型進行了動力學仿真； 鄭昭明[3]研究了二自由度汽車車輪動載荷的均方值.

本文基于Matlab 建立較為復雜的懸架的1/4模型，分析了其在仿真路面作用下的響應，并分析了改變系統阻尼參數和剛度參數對車身動態響應的影響。

1.汽車懸架1/4模型

傳統的懸架系統一般由具有固定參數的彈性元件和阻尼元件組成，本文選取汽車后輪任意一個懸架系統建立1/4模型，模型的簡圖如下圖一所示。其中m1為非簧載質量（kg），m2為簧載質量（kg），路面不平度對系統的輸入為X0（m），非簧載質量的響應為X1（m），簧載質量的響應為X2（m），k1是輪胎的剛度（kN/m），k2是彈簧的剛度（kN/m）。

c1是阻尼器的阻尼系數（Ns m-1）。

1.1系統運動微分方程及矩陣方程

車身垂直位移坐標的原點取在靜力平衡位置[4]，根據牛頓第二定律建立系統的運動微分方程：

將狀態方程寫成矩陣的形式如下[5]：

2. 靈敏度分析

2.1汽車懸架模型的仿真

首先選取系統的仿真參數如下：

m1=36kg： m2=340kg： k1=127000N/m： k2=10300N/m： c1=1100 Ns

本文利用MATLAB中的Simulink建立仿真模型，如下圖二所示。

在輸入模塊選擇Band Limited White Noise，經積分后得到仿真路面。實際路面上可以看作路面速度功率頻譜值在整個范圍里為一常數。

人體對平順性、舒適度最敏感的是車身振動的頻率和強度，本仿真輸出模塊選取示波器和功率頻譜分析器對加速度進行分析。

2.2仿真分析

建立仿真模型后就可以開始對懸架系統進行動態仿真。得到如圖三所示的汽車懸架系統仿真結果。

從圖三中可以看出系統在仿真路面下低頻振動為車輪的振動，高頻振動為車身的振動。

2.3模型對比分析

本次仿真以改變系統剛度參數為例。改變統剛度參數如下：

k1=116000 ： k2=26282 ，其余參數保持不變。

得到改變參數后的模型結果如圖五所示。

3 .結論

本文基于Matlab建立了簡單的汽車1/4懸架振動模型，分析其在路面作用下的動態響應，并研究了系統阻尼參數和剛度參數對車身動態響應的影響。

但是本文未考慮汽車實際是一個多自由度的動力學模型，可進一步考慮到多自由度非線性汽車系統的研究，從而得到更精確的結論。

參考文獻：

[1] 詹長書，呂文超. 汽車懸架的二自由度建模方法及分析[J].拖拉機與農用運輸車，2010， 37（ 6） ： 9 - 15.

[2] 李俊，張維強，袁俊. 基于Matlab 的二自由度車輛的動力學仿真[J]. 科學技術與工程，2010（ 4） .

[3] 鄭昭明. 二自由度汽車車輪動載荷的均方值計算公式[J]. 武漢交通科技大學學報， 1996（ 1） .

[4] 余志生. 汽車理論[M]. 北京： 機械工業出版社，2007.

[5] 聞邦春。機械振動學[M].北京：冶金工業出版社，2000