車輛懸架模型的仿真與分析

徐一剛 王超

摘 要：目前，關于汽車模型的研究很多。詹長書等人研究了二自由度懸架模型的頻域響應特性。李俊等人模擬了不同車速和路況下二自由度車輛模型的動力學。鄭兆明研究了二自由度車輪動載荷的均方值。基于Matlab建立了更加復雜的懸架模型，分析了其在模擬路面作用下的響應，分析了系統阻尼參數和剛度參數變化對車身動態響應的影響。

關鍵詞：汽車懸架；模型；模擬

據公安部交通管理局統計，截至2019年3月底，全國機動車保有量達3.3億輛，其中汽車達2.46億輛，駕駛人達4.1億，機動車、駕駛人總量及增量均居世界第一。隨著汽車數量的迅速增加，人們開始越來越重視汽車的乘坐舒適性，平順性是舒適性的重要組成部分。振動是影響平順性的主要因素，因此車身系統參數的合理設計對提高汽車的舒適性和安全性具有重要意義。

1車輛懸架模型

傳統的懸架系統一般由彈性元件和參數固定的阻尼元件組成。本文選擇汽車后輪的任意懸架系統建立四分之一模型。該模型的簡圖如下圖1所示。其中，1是螺旋彈簧，2是縱向推力桿，3是減震器，4是橫向穩定器，5是定向推力桿。

2懸架剛度分析

2.1懸架垂直剛度分析

懸架系統的垂直剛度可以通過分析懸架兩個車輪在同一方向上的運行情況來獲得。因為裝有發動機的車輛的前軸載荷變化很大，所以前懸架通過調節螺旋彈簧的剛度和自由長度來確保車身姿態。后懸架的軸重變化不大，只有螺旋彈簧的自由長度略有調整，后懸架螺旋彈簧的剛度沒有調整。這導致帶有發動機的B車型前懸架剛度略有增加。

除了懸架結構和參數的匹配外，前后懸架固有頻率的正確匹配是降低車輛振動耦合度、有效提高車輛乘坐舒適性的重要方法之一。由于B型前懸架的軸重變化很大，通過調整前懸架螺旋彈簧的剛度，前懸架和后懸架的偏置頻率比幾乎不變。

2.2懸架傾角的剛度分析

一般來說，乘用車的前后側傾剛度比要求在1.4和2.6之間，以滿足略微不足的轉向特性的要求。B車型前懸架的側傾剛度略高于C車型，這是由前懸架剛度的增加引起的。前懸架側傾剛度的增加有助于減小側傾角度，但變化很小。

3三個雙輪同向跳躍分析

車輪從半負載狀態分別上下跳動70毫米。其中，紅實線是帶發動機的B型發動機的仿真結果，藍虛線是C型試驗車的仿真結果。

3.1前束角隨車輪跳動的變化

車輪跳起和落下時的前束變化對車輛的直線行駛穩定性和穩態響應（轉向不足、轉向過度）特性有很大影響，是車輛懸架的重要設計參數之一。車輪跳動時，前懸架的前束角一般呈微弱的負變化趨勢，變化量越小越好。一般要求車輪在80毫米內上下跳動，前束變化量在0度到1度之間。直行過程中路面凸凹引起的前束變化受到控制，以確保良好的直行穩定性。

3.2外傾角隨車輪跳動而變化

為了確保輪胎的轉彎性能，汽車懸架通常被設計成當車輪跳動時外傾角向負值變化，從而確保在轉向過程中外部輪胎和地面之間的完全接觸，提高輪胎抓地力并減少輪胎磨損。

3.3腳輪角度隨車輪跳動而變化

對于汽車來說，主銷的后傾角越大，高速扶正扭矩越大，汽車的穩定性效果越強。然而，過大的扶正扭矩會導致過度的向前轉動，加速前輪擺振，使轉向變重。半負荷時，B型前懸架主銷的后傾角為2.654°，兩種車型的變化趨勢基本相同。

3.4腳輪拖車因車輪跳動而異

主銷后傾角在車輛的高速對準性能中起著非常重要的作用。在半負荷時，原基礎車型前懸架的主銷后傾角為16.62毫米，而B車型前懸架的主銷后傾角為16.58毫米，兩種車型基本相同。

3.5腳輪角度隨車輪跳動而變化

主銷內傾角在車輛低速對準性能中起著重要作用。主銷內傾角越大，轉動力矩越大。然而，過大的主銷內傾角會增加輪胎的側向力，導致轉向過度。因此，在設計主銷內傾角時，應綜合考慮。主銷內傾角通常在7°到13°之間。在半載荷下，設計車輛前懸架主銷內傾角為11.637°，B型車輛前懸架主銷的后傾角為12.642°。兩輛車相對較近，符合總體設計要求。

結論

基于Matlab建立了汽車1/4懸架的簡單振動模型，分析了其在路面作用下的動態響應，研究了系統阻尼參數和剛度參數對車身動態響應的影響。

然而，本文并不認為汽車實際上是一個多自由度動力學模型。它可以進一步考慮多自由度非線性汽車系統的研究，從而獲得更準確的結論。

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.

（作者單位：湖北文理學院機械工程學院）