車輛半主動懸架減振支柱的剛度特性分析

黃大星

韶關學院 智能工程學院 廣東省韶關市 512005

汽車懸架結構關系到汽車平順性能，隨著我國車輛保有量的增加，車輛使用者對車輛的舒適性、操縱性、穩定性和可靠性的要求日益提高。為了提高車輛使用性能，車輛設計者們努力不斷，加之電子技術以及傳感器技術的快速發展，為電控懸架的產業化提供了保障，汽車懸架系統控制技術的研發不斷受到動力學及其控制領域的關注。本文通過對電控減振支柱組成結構分析，推導了一種新型減振支柱關鍵部件——雙氣室空氣彈簧的數學模型，對進行仿真分析。

1 新型減振支柱的結構組成

汽車獨立懸架主要使用的類型有橫臂式獨立懸架、縱臂式獨立懸架，車輪沿主銷移動式懸架和多桿式懸架，其中車輪沿主銷移動式懸架主要是燭式懸架和麥弗遜式懸架。麥弗遜式懸架普通運用于汽車的前獨立懸架，其減振支柱是內外嵌套式結構，主要組成構件為螺旋彈簧和液壓減振器。為了提高乘用車平順性，本文在原有的前、后懸架減振支柱結構的基礎上，將單向筒液力減振器與空氣彈簧進行同軸一體式設計，結構如圖1 所示。

圖1 新型減振支柱的結構組成

同軸一體式減振支柱結構組成是由支承座1、浮動活塞13 與油缸筒10 形成一個浮動氣室，減振支柱中主氣室的組成主要由上密封板6、橡膠氣囊5 和氣囊4 本體構成，這時外筒9 充當空氣彈簧的活塞。

由振動原理可知，汽車行駛到不平路面時（或左右輪胎氣壓不一致時），車輛懸架中減振器受到外界壓力（當壓縮行程時）或愛以到外界拉伸（當伸張行程時），減振器活塞向上或向下移動，導致作用在空氣彈簧上的載荷發生了變化，空氣彈簧的剛度特性也隨之發生變化，這時減振器體現出的阻尼特性就會直接影響到減振支柱壓縮作用力與復原作用力的比值。由于汽車懸架行程變化的動力學特性十分復雜，主要包括非線性、外界干擾、控制時滯等復雜特性，本文所設計的新型減振支柱結構可以通過浮動活塞13 形成動力學耦合聯動的關系，將汽車行駛導致懸架行程變化的復雜特性，通過浮動活塞13 的縱向運動來優化調節，以實現懸架空氣彈簧的彈性緩沖與減振器的振動衰減的平衡。

2 雙氣室空氣彈簧的數學模型

運用流體力學中節流孔氣體“質量流量”模型理論，結合熱力學理論中變質量開口絕熱方程，這時可得雙氣室空氣彈簧的流經孔口的氣體“質量流量”數學模型[1][2][3]：

式中：Pmax=max {P1,P2}，Pa；Pmin=min {P1,P2}，Pa；Tmax——壓力較大氣室氣體的溫度，K；A——節流口的有效流通面積，m2，把節流口的有效流通面積與節流口的實際面積A0關系表示為A0=εA，ε稱作收縮系數，ε取值范圍在0.6～0.9之間[4]。P1——主氣室內氣體的絕對壓力，Pa；P2——浮動氣室內氣體的絕對壓力，Pa；

為了簡化運算，提出以下三個條件假設：（1）假定汽車懸架工作條件為常壓；（2）假定汽車懸架工作條件為常溫；（3）假定懸架中的空氣視作理想氣體[4]。這時車輛半主動懸架減振支柱可看作變質量開口系統，當此系統處于絕熱過程時，其方程可近似表示為：

式中：P——氣體絕對壓力，Pa；V——氣體容積，m3；m——氣體質量，kg；k——絕熱指數，基于上述三種條件假設，這時k值取1.4。

車輛半主動懸架減振支柱中空氣彈簧主氣室與浮動氣室內氣體的的“質量流量”方程可表示為：

綜上，減振支柱雙氣室空氣彈簧的數學模型可表示為[5][6]：

3 車輛半主動懸架減震支柱剛度特性的仿真模型與仿真分析

3.1 車輛半主動懸架減震支柱剛度特性的仿真建模

為了明確一體式懸架減震支柱剛度特性，運用MATLAB/Simulink仿真軟件對其建立仿真模型，如圖2 所示。

圖2 減振支柱剛度特性的Simulink 模型圖

半主動懸架減振支柱模型所使用的參數如表1。

表1 半主動懸架減振支柱的仿真參數

3.2 車輛半主動懸架減震支柱特性的仿真分析

3.2.1 剛度特性的仿真分析

利用MATLAB/Simulink 仿真模型，將表2 相關性能參數代入，仿真模型的初始充氣壓力設定為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa 三種情況，對半主動懸架前、后新型一體式減振支柱總成剛度與行程的關系進行分析，仿真結果如圖3 和圖4 所示。圖3 是前減振支柱與行程的關系曲線圖，由圖形曲線可得，當行程為-20mm 時，呈現階躍。空氣彈簧主氣室的初始氣壓為0.56MPa，半主動懸架處于靜平衡狀態。半主動懸架前減振支柱剛度值約為10N/mm 時，半主動懸架位移處于零點位置。圖4 是后減振支柱與行程的關系曲線圖，由圖形曲線可得，當行程為-20mm 時，呈現階躍。空氣彈簧主氣室的初始氣壓為0.46MPa，半主動懸架處于靜平衡狀態。半主動懸架后減振支柱剛度值約為12.5 N/mm 時，半主動懸架位移處于零點位置。綜上，認為本文所設計的半主動懸架減振支柱剛度的基本滿足要求。

圖3 前減振支柱總成剛度與行程的關系

圖4 后減振支柱總成剛度與行程的關系

3.2.2 總成彈性力的仿真分析

利用MATLAB/Simulink 仿真模型，將表2 相關性能參數代入，仿真模型的初始充氣壓力設定為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa 三種情況，對半主動懸架前、后新型一體式減振支柱總成彈性力與行程的關系進行分析，仿真結果如圖5 和圖6 所示。綜合圖5 和圖6 均可以得出，當減振支柱總成處在相同的初始壓力時，減振支柱的彈性力隨著壓縮行程的變大而變大，隨著拉伸行程的變大而變小，并且呈非線性變化。還可以得到隨著減振支柱總成主氣室初始壓力的變大，減振支柱的總成彈性力也隨之變大。

圖5 前減振支柱總成彈性力與行程的關系

圖6 后減振支柱總成彈性力與行程的關系

4 結語

為了提高汽車行駛平順性和操縱穩定性，提出了一種半主動懸架減振支柱一體化結構，利用MATLAB/Simulink仿真工具，對新型一體式減振支柱剛度特性進行仿真分析，發現對懸架前后減振支柱與行程的關系進行的仿真圖中，當行程為-20mm 時，前后減振支柱總剛度均呈現階躍，滿足半主動懸架減振支柱剛度的基本要求，為搭建半主動懸架一體化減振車輛整車性能分析提供理論。