摘 要: 車輛懸架系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分,,其性能好壞會影響到車輛的平順性與穩(wěn)定性,。以1/4車輛模型為例,從被動懸架到主動懸架,,將車輛懸架系統(tǒng)動力學原理與MATLAB仿真軟件相結(jié)合,,即首先利用動力學理論建立其數(shù)學模型,然后在仿真軟件中建立其相對應(yīng)的模型進而動態(tài)仿真,,最后對比結(jié)果,。實驗結(jié)果表明,在車輪動載荷大致相同的條件下,,設(shè)計的主動懸架有效地降低了車體的垂直加速度,,與被動懸架相比,優(yōu)化了約17%,,提高了車輛在行駛過程的平順性和駕駛的穩(wěn)定性,。
關(guān)鍵詞: 車輛,;懸架系統(tǒng),;建模;控制仿真
0 引言
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,,人們的生活水平日益提高,。越來越多的個人、家庭擁有了屬于自己的汽車,。乘坐汽車時,,人們對于坐車舒適感的要求日漸提高,所以車輛在行駛時的平順性和操縱的穩(wěn)定性開始被更多專家所關(guān)注,。傳統(tǒng)意義的汽車懸架系統(tǒng)多為被動懸架系統(tǒng),,其彈簧剛度和減震器阻尼系數(shù)是固定而不能改變的,,這樣的被動懸架系統(tǒng)很難適應(yīng)人們乘坐汽車舒適性的要求。為使車輛懸架系統(tǒng)在不同路面的激勵作用和在不同行駛速度等外在條件的影響下,,其操縱穩(wěn)定性和行駛平順性受到的影響較小,,各種新型懸架系統(tǒng)正在成為研究的熱門,出現(xiàn)了一系列的懸架系統(tǒng)的減振控制技術(shù),,包括半主動懸架系統(tǒng)和主動懸架系統(tǒng)[1],。
懸架系統(tǒng)包括彈性元件、減振器,、導向機構(gòu)以及橫向穩(wěn)定器等部分,。它的主要功能是將車身與車軸由彈性元件連在一起。導向裝置的功能是傳遞系統(tǒng)間的各種力,,減震器用來減小車身和輪胎之間摩擦振動能量,,保證車輛在行駛過程中的安全,增強乘坐汽車的舒適感,。彈性元件用來緩沖外界環(huán)境對車體引起的振動,,吸收振動的能量[2]??傊?,這些機構(gòu)都是為了使車輛的平順性達到最佳狀態(tài)。
在懸架系統(tǒng)的仿真中,,普遍采用建立數(shù)學模型的方式,,所謂的數(shù)學模型就是在物理系統(tǒng)和數(shù)學方程間設(shè)立一套完整的規(guī)則,數(shù)學模型研究方法比較多樣,,周期短,,成本低。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展,,處理數(shù)學模型的手段有了較大突破,,可以把若干個參數(shù)和運動方程進行互相聯(lián)系[3-5]。以車輛的1/4模型為例,,建立被,、主動懸架數(shù)學模型,然后進行仿真實驗,。
1 車輛懸架系統(tǒng)模型
汽車是較復雜的系統(tǒng),,在分析復雜系統(tǒng)時,次要問題可以忽略,,將模型進行簡化,。為便于分析,采用1/4車輛模型,其簧載質(zhì)量為mv,,包括車體,、車架及其以上部分的總重。懸架通過減振器和彈簧元件與車軸,、輪胎相連接,。輪胎和車軸構(gòu)成的非懸架的質(zhì)量為ml。
在模型中,,考慮人們乘坐汽車的舒適性,,即車輛的平順性,在分析車體質(zhì)量時,,主要考慮垂直,、俯仰、側(cè)傾三個自由度,。將車輛簡化為1/4模型時,,車身只具有垂直的自由度,這個自由度的振動對車體的平順性影響較大,,可以將車輛簡化成兩自由度模型,。
此模型中,車胎的阻尼較小,,暫且不予考慮,,簡化后1/4模型如圖1、2所示,。圖中車體的總重為mv,,車胎的質(zhì)量為ml,被動懸架剛度為ks,,被動懸架阻尼系數(shù)為cs,,車胎的剛度為kt,簧載質(zhì)量位移為xv,,非簧載質(zhì)量位移為xl,,路面不平整度的位移為xn,白噪聲信號輸入為 w(t),,主動懸架的制動力為U(t),。
1.1 車輛被動懸架仿真模型的建立
圖1所示的被動車輛懸架模型,根據(jù)牛頓定律,,建立被動懸架系統(tǒng)的運動微分方程,,即:
選取狀態(tài)變量為:xa=xv-xl,,xb=v,,xc=xn-xl,xd=
l,,組成各個狀態(tài)的向量為:X=[xa,,xb,,xc,xd]T,,其中,,xa為車輛懸架的動擾度,xb為車速,,xc車胎動位移,,xd為輪速。由式(1),、(2)可得被動懸架系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:
測試車輛懸架性能,,主要從該懸架系統(tǒng)對車輛的平順性和駕駛的穩(wěn)定性的影響來考慮,主要涉及3個參數(shù):ya=v=
b,,代表車身加速度(ACC),;yb=xv-xl=xa,代表懸架的動擾度(SWS),;yc=xn-xl=xc,,代表輪胎動載荷(DTL)。
輸出向量U=-KX,。由式(1),、(2)得出系統(tǒng)的輸出方程為:
Y=CX(5)
其中,
1.2 車輛主動懸架仿真模型的建立
主動懸架與被動懸架的區(qū)別在于前者除了具有彈性元件,、減振器之外,,在車體與車軸之間還安裝有制動器,可以調(diào)節(jié)對汽車的簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的力,,從而加強車輛的平順性和操作的穩(wěn)定性,。
車輛主動懸架模型的運動方程即:
對于被動懸架和主動懸架,選取狀態(tài)變量,,建立被,、主動懸架的狀態(tài)方程,可以較好地反映懸架系統(tǒng)的運動特性,,輸出變量也可以反映駕駛車輛的平順性和操縱性,。
2 車輛懸架系統(tǒng)仿真實例計算
在MATLAB/Simulink中建立1/4車輛懸架的計算機仿真模型,然后進行被動懸架和主動懸架的性能分析,。以某轎車的后懸架為例,,計算各輸入?yún)?shù),如表1所示,。
2.1 被動懸架系統(tǒng)仿真
對于被動懸架模型,,將各參數(shù)代入被動懸架系統(tǒng)方程,在MATLAB中輸入命令[z,p,,k]=ss2zp(A,,B,C,,D),,求出被動懸架系統(tǒng)的閉環(huán)特征根:
極點均位于左半平面,該系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng),,車輛被動懸架系統(tǒng)是穩(wěn)定的,。
2.2 主動懸架系統(tǒng)仿真
對于主動懸架模型,需要獲取系統(tǒng)的制動力,。先求出系統(tǒng)的狀態(tài)變量X,,求出反饋系數(shù)K,將二者相乘,,得到制動力U,。為使系統(tǒng)可以快速響應(yīng),控制信號的加權(quán)系數(shù)R取1,,qa=80 000,,qb=5,所以Q=[80000 0 0 0,;0 0 0 0,;0 0 5 0;0 0 0 0],,在MATLAB中輸入命令[K,,P,E]=LQR[A1,,B1,,Q,R],,可得:
K=[282.84 424.83 -277.37 -4.01]
原狀態(tài)方程可以寫成:
X=(A1-B1K)X+D1w(t)(11)
Y=(C1-EK)X(12)
將各參數(shù)代入主動懸架方程,,在MATLAB中輸入命令[z,p,,k]=ss2zp(A,,B,C,,D),,可以求出主動系統(tǒng)的閉環(huán)特征根:
極點均位于左半平面,符合系統(tǒng)穩(wěn)定的條件,,車輛主動懸架系統(tǒng)是穩(wěn)定的,。
2.3 仿真分析與對比
在MATLAB/Simulink建立被動懸架模型和主動懸架模型的計算機仿真示意圖如圖3,、4所示。
模擬路面時,,白噪聲信號作為路面不平整度的輸入。仿真模塊輸入為有限帶寬白噪聲,,經(jīng)過一次積分后可得到仿真路面,。
人體在感知車輛的平順性和舒適性時,體現(xiàn)在對車體本身振動的頻率的感受,,即車身加速度,。車輛被、主動懸架系統(tǒng)仿真時域變化曲線如圖5~圖7所示,。圖5所示為車身加速度,,圖6為懸架動撓度,圖7為輪胎動載荷,。
仿真條件下,,將車輛被、主動懸架系統(tǒng)作對比,。計算出兩個系統(tǒng)的性能指標的均方根值如表2所示,。
由表2可以看出,在車輪動載荷基本相同的情況下,,所設(shè)計的車輛主動懸架降低了車身加速度,,與被動懸相比較,其均方根值減少了17%,,懸架動撓度也較好地控制在可接受的范圍之內(nèi),。結(jié)果表明車輛的平順性和穩(wěn)定性有一定的提高。人們乘坐車輛的舒適性可有較好的改善,。
3 結(jié)束語
懸架系統(tǒng)是連接車身與車輪之間所有傳遞力裝置的總稱,,其性能的好壞關(guān)乎汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛的平順性,設(shè)計性能較好的懸架系統(tǒng)已成為現(xiàn)代車輛研究的關(guān)鍵,。傳統(tǒng)的設(shè)計方法,,汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)周期長,且成本高,。用計算機輔助設(shè)計和控制理論方法來完成懸架系統(tǒng)的設(shè)計己成為當今工廠,、企業(yè)普遍采用且行之有效的方法,可大大節(jié)省產(chǎn)品成本,。
本文對1/4車模型被,、主動懸架系統(tǒng)進行了分析,對1/4車模型的被,、主動懸架系統(tǒng)進行數(shù)學模型的推導以及仿真模型的建立,。主動懸架相對于被動懸架系統(tǒng)主要區(qū)別在于主動控制器的設(shè)計,,本文主要依據(jù)最優(yōu)控制原理,對1/4車模型主動懸架控制器來進行設(shè)計,,使其性能相對于1/4車模型被動懸架系統(tǒng)有較大的改善,。從仿真實驗結(jié)果來看,主動懸架的各項性能指標均優(yōu)于被動懸架,。
參考文獻
[1] 張海濤.基于半車模型的主動懸架控制器設(shè)計與仿真[D].蕪湖:安徽工程大學,,2012.
[2] 王望予.汽車設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.
[3] 孫義杰,,巢凱年.ADAMS/VIEW在汽車前懸架仿真應(yīng)用及優(yōu)化分析[J].西華大學學報,,2005,24(6):13-17.
[4] 孫殿柱,,王豐元.當前CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].機械,,1998,25(6):47-48.
[5] 曹觀波.汽車前懸架系統(tǒng)建模仿真與分析[D].長春:吉林大學,,2012.