試析MATLAB在汽車振動分析及控制中的運用

摘要：隨著汽車振動會對汽車造成一定的危害，影響汽車的正常運行，因此要對汽車振動的原因進行分析，并提出合理的解決對策。而MATLAB在汽車有巨大的作用，既能夠應(yīng)用與汽車的振動分析和控制中，還能夠預(yù)測到汽車的反映，在實際中有較高的使用價值。

關(guān)鍵詞：汽車振動；MATLAB；控制；應(yīng)用

在實際中汽車振動具有巨大的危害，因此一方面為了減少振動對汽車的零部件和使用性能造成的損害，另一方面還要針對汽車振動進行研究，盡量把汽車振動運用到汽車設(shè)計的服務(wù)中來，同時還要盡量利用振動的原理來制造推動機，減少汽車部件工作的強度，從而來提高工作效率。

1.汽車振動產(chǎn)生的原因分析

機械的振動實際上是一種形式特殊的運動，構(gòu)成振動系統(tǒng)的主要因素有阻尼、彈性、質(zhì)量以及激勵。汽車本身就是具有阻尼、彈簧以及質(zhì)量的系統(tǒng)，在汽車內(nèi)部各部分具有不同的頻率，因而汽車在平時的行駛中就往往會因為路面不平坦、運動方向以及車速的改變、發(fā)動機車輪與傳送系統(tǒng)不平衡、汽車齒輪之間的沖擊等各種內(nèi)部與外部的激振作用造成汽車的局部或者是整體發(fā)生強烈的振動。這種振動現(xiàn)象就會使汽車在運動時由于動力性能沒有得到充分的發(fā)揮就容易出現(xiàn)一些問題。另外，振動還會對汽車操作的平順性與穩(wěn)定性以及汽車的通過性造成不利的影響，還會使乘員在乘坐時產(chǎn)生不舒服的感覺，嚴(yán)重情況下還會對汽車的零部件造成損壞，縮短汽車正常的使用壽命。

2. 汽車振動的理論分析

2.1.汽車振動的模型

在實際中當(dāng)一個振動系統(tǒng)比較復(fù)雜的時候，而建立的相應(yīng)的模型也比較復(fù)雜，就越接近于真實的情況，相應(yīng)的模擬情況就越真實，但是這卻增加了對系統(tǒng)分析的難度，所以在建立振動的力學(xué)模型時就需要在逼真模擬與系統(tǒng)分析之間找出一個平衡點。在進行汽車振動分析時需要把握的一個關(guān)鍵因素就是在實際中要根據(jù)研究的要求和研究內(nèi)容，把研究的對象和外界的作用力進行簡化，同時還要保證簡化的模型能夠與原來的系統(tǒng)模型在動態(tài)分析方面進行等效對比。但是由于汽車系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的多個系統(tǒng)組成的振動系統(tǒng)，因此在汽車的實際工作中每一個系統(tǒng)都容易出現(xiàn)一些問題，這樣就容易出現(xiàn)振動現(xiàn)象，例如是汽車的發(fā)動系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)、車架和車身系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)等。因此在研究汽車振動時可以對振動系統(tǒng)進行簡化分析，具體的簡化方案有：首先是在遠(yuǎn)離汽車車輪的部分，由于固有的頻率是10-16HZ，這樣在一個較低的激振頻率范圍里，輪胎就會發(fā)生很小的動變形，這樣就可以幾乎忽略掉輪胎的質(zhì)量和彈性了。其次是在汽車的前軸和后軸懸架的質(zhì)量分配達(dá)到一定的數(shù)值時，這時其次前后懸架系統(tǒng)發(fā)生的垂直運動就幾乎是相互獨立的，因此可以對汽車系統(tǒng)進行簡化。第三是當(dāng)汽車在中軸線上對稱時，這是汽車的車身就只有俯仰振動與垂直振動會對其平順性產(chǎn)生最大的影響。此時由于輪胎的阻尼比較小，因此可以忽略不計。

2.2.建立振動運動的方程式與求解

首先要根據(jù)振動系統(tǒng)每個部分的隔離體的受力作用來分析，在根據(jù)達(dá)朗貝爾的原理或者是牛頓第二定律來建立起運動的微分方程式，如果對物體的受力分析比較困難時，還可以采用拉格朗日方程來建立起物體的運動方程式。其次，在根據(jù)方式來進行求解，以得到汽車系統(tǒng)的響應(yīng)，從而來掌握振動的運行規(guī)律，即根據(jù)求解方程來得到物理量的速度、位移以及加速度等隨著時間發(fā)生的變化規(guī)律。同時，也可以根據(jù)運動方程來得到系統(tǒng)運動的頻率方程或者是運動特征的方程，這樣就可以求出系統(tǒng)運動的固有頻率以及振動的模態(tài)等。

3. MATLAB在汽車振動分析及控制中的運用

MATLAB在實際中是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)值計算的一種高級技術(shù)計算語言技術(shù)。在世界上MATLAB工程計算軟件也有著廣泛的應(yīng)用，因而在分析汽車振動過程中就可以利用MATLAB的超強數(shù)學(xué)計算的功能，在循序漸進的研究中進行層層深入，在由易到難，對汽車系統(tǒng)的振動進行分析。例如在對汽車單自由度有阻尼的強迫振動系統(tǒng)進行分析時，就需要根據(jù)系統(tǒng)來建立一定的模型，在實際中雖然簡諧振動比較簡單， 但是卻很重要，具有很重要的研究價值，因而在對汽車單自由度有阻尼的強迫振動系統(tǒng)研究時可以把汽車看作是一個大的振動系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)在外力作用下受到的受迫振動，就是系統(tǒng)在脈沖的過渡函數(shù)與外力作用下的卷積結(jié)果。因此在MATLAB計算中，可以利用建立的函數(shù)關(guān)系來求解脈沖過渡的函數(shù)值，之后可以利用卷積函數(shù)來求解二者的卷積值，這樣就可以根據(jù)脈沖函數(shù)與系統(tǒng)的輸入來得到系統(tǒng)響應(yīng)。

運用MATLAB的計算結(jié)果不僅可以來對汽車振動的理論結(jié)果進行驗證分析，還可以通過把MATLAB計算、理論分析與實驗相結(jié)合來更好的研究汽車的振動問題，因而在實際實驗中還需要建立起由計算機試驗的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、監(jiān)控操作系統(tǒng)、激振臺等組成的懸架性能的試驗臺。這樣在電動機通電之后，就可以帶動其偏心凸輪的旋轉(zhuǎn)，從而引起激振臺發(fā)生運動，在實驗中在對左右輪的振動組合來調(diào)節(jié)在實際中的模擬值輸入，來驗證實驗數(shù)據(jù)，從而可以利用MATLAB的強大數(shù)據(jù)分析能力來對數(shù)據(jù)進行處理分析。

4.總結(jié)

綜上所述，在汽車振動研究中運用MATLAB具有很強的實用效果，在實際中可以通過對MATLAB的數(shù)值計算來驗證汽車振動的分析結(jié)果，同時還可以利用MATLAB的數(shù)值計算結(jié)果來預(yù)測汽車在實際中對某個激勵做出的響應(yīng)，而在對汽車振動的分析中MATLAB的技術(shù)結(jié)果還具有可視化效果。但是，在實際中MATLAB的應(yīng)用范圍還很廣，因此就需要在汽車振動中對MATLAB進一步研究，促進其更好地應(yīng)用。

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