汽車懸架檢測(cè)的建模與仿真分析

易佳 熊光耀 李駿

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013，中國(guó))

汽車懸架檢測(cè)的建模與仿真分析

易佳 熊光耀 李駿

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013，中國(guó))

諧振式汽車懸架檢測(cè)臺(tái)是汽車性能檢測(cè)設(shè)備之一。本文建立了考慮整軸結(jié)構(gòu)的懸架檢測(cè)臺(tái)“車-臺(tái)”系統(tǒng)模型，通過實(shí)例仿真分析得到了可信的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的正確、有效。模型的建立為分析懸架檢測(cè)結(jié)果的影響因素和優(yōu)化檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了理論依據(jù)。

汽車，懸架檢測(cè)，模型，仿真

汽車懸架是汽車行駛系的重要組成部分,是汽車行駛安全性的重要部件之一。而減振器是汽車懸架裝置最易發(fā)生故障的部件。研究表明，有相當(dāng)比例的汽車上至少有一個(gè)減振器工作不正常。當(dāng)減振器工作不正常時(shí)，汽車會(huì)出現(xiàn)跳躍、接地力減少、轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄、彎道行駛車身晃動(dòng)、制動(dòng)跑偏和側(cè)滑等現(xiàn)象，并導(dǎo)致舒適性降低、危及駕駛安全。尤其在當(dāng)前車輛行駛速度大大提高情況下，汽車的操作穩(wěn)定性和行駛安全性尤為重要，且與懸架裝置有直接關(guān)系。所以汽車懸架性能的檢測(cè)十分重要，在JT/T448-2001《汽車懸架裝置檢測(cè)臺(tái)技術(shù)條件》，規(guī)定把懸架吸收率作為評(píng)價(jià)懸架性能的指標(biāo)。

以前對(duì)懸架裝置的檢測(cè)主要通過外觀檢測(cè)，看彈簧是否有裂紋、彈簧和導(dǎo)向裝置的連接螺釘是否松動(dòng)、減振器是否漏油等。這種方法的主要缺點(diǎn)是人為因素大，不全面，效率低，且對(duì)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。隨著汽車檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，諧振式懸架檢測(cè)臺(tái)因性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠而被普遍使用。

針對(duì)諧振式汽車懸架檢測(cè)進(jìn)行建模和仿真研究，是分析檢測(cè)影響因素和檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要手段。目前多數(shù)文獻(xiàn)建立的是由四分之一車輛模型與懸架檢測(cè)臺(tái)構(gòu)成的“車-臺(tái)”系統(tǒng)，不能反映整軸結(jié)構(gòu)的影響。本文在分析諧振式懸架檢測(cè)臺(tái)工作原理的基礎(chǔ)上，建立了考慮車輛整軸結(jié)構(gòu)的懸架檢測(cè)臺(tái)“車-臺(tái)”系統(tǒng)六自由度模型，并進(jìn)行仿真分析，探討相關(guān)影響，以期為分析懸架檢測(cè)結(jié)果的影響因素和優(yōu)化檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 諧振式懸架檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理

諧振式懸架檢測(cè)臺(tái)一般由機(jī)械部分和微機(jī)控制兩部分組成。通過機(jī)械部分的電機(jī)、偏心輪、儲(chǔ)能飛輪、臺(tái)面組成激振器,使汽車懸架系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。開啟電機(jī)使轉(zhuǎn)速達(dá)到檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定后,斷開電源,儲(chǔ)能飛輪存貯的動(dòng)能通過偏心輪、臺(tái)面對(duì)車輪進(jìn)行掃頻激振。由于設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速比汽車懸架的固有頻率高,通過飛輪逐漸減速掃頻,當(dāng)激振頻率達(dá)到汽車懸架的固有頻率時(shí),檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生共振。微機(jī)控制部分經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,可得到懸架的振動(dòng)頻率、振幅及相應(yīng)的振動(dòng)波形,通過振動(dòng)頻率、振幅及異常波形分析，計(jì)算懸架系統(tǒng)的吸收率，可對(duì)汽車懸架的綜合性能及故障進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)判。其工作原理如圖1所示，左右兩側(cè)車輪分別由兩套獨(dú)立的激振系統(tǒng)控制。測(cè)試時(shí),一般車軸兩側(cè)的懸架分別單獨(dú)激振和測(cè)試。

2 懸架檢測(cè)系統(tǒng)六自由度模型建模分析

2.1 物理模型分析

從圖1分析可知，每一側(cè)激振臺(tái)面由兩個(gè)相同的偏心輪驅(qū)動(dòng)，它們與一個(gè)較大慣量的儲(chǔ)能飛輪相連，組成一個(gè)對(duì)汽車車輪的激振系統(tǒng)。本文首先建立了反映整軸結(jié)構(gòu)的車輛模型，再針對(duì)車軸的被檢測(cè)懸架一側(cè)采用“車-臺(tái)”四自由度模型，由此構(gòu)建了如圖2所示的六自由度模型。其自由度包括：汽車整軸（前軸或后軸）承載質(zhì)量的質(zhì)心垂直自由度z1及其繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度θ1，激振系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度θ及臺(tái)板繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度β，整軸懸架左右側(cè)非簧載質(zhì)量的垂直自由度z2l， z2r。

圖2 中：k2l，k2r分別為左右輪胎剛度；k，c分別為檢測(cè)臺(tái)兩側(cè)緊固彈簧的剛度和阻尼；m1，I1分別為整軸承載質(zhì)量質(zhì)心處的質(zhì)量和側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；s，d為該質(zhì)心到左右兩側(cè)懸架的距離；z2，z4表示左右兩側(cè)懸架的垂直位移；Fl，F(xiàn)r分別表示懸架系統(tǒng)中同軸左右兩側(cè)的懸架力；m2l，m2r分別為整軸懸架左右兩側(cè)非簧載質(zhì)量；M(t)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

2.2 數(shù)學(xué)建模

采用拉格朗日方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，其動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中a為檢測(cè)臺(tái)兩側(cè)彈簧到臺(tái)板x軸的距離，z3為檢測(cè)臺(tái)板的垂直位移。將方程進(jìn)行綜合可以簡(jiǎn)化為：

式中

式（1）為非線性數(shù)學(xué)模型，可應(yīng)用Matlab/ Simulink進(jìn)行仿真求解和分析。

3 實(shí)例仿真分析

3.1 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證理論模型的有效性和正確性，針對(duì)某一車型在某國(guó)產(chǎn)懸架檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行了懸架檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的懸架吸收率為62.7%。采用原四自由度模型仿真計(jì)算得到的吸收率為65.3%，而采用本文所建考慮整軸結(jié)果的六自由度模型仿真得到的吸收率為61.5%，表明本文所建模型的正確、有效。應(yīng)用本文所建模型模擬懸架檢測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，得到懸架下面車輪部分位移信號(hào)和懸架吸收率的時(shí)間歷程曲線分別如圖4和圖5所示，結(jié)果表明隨著激振系統(tǒng)頻率逐漸減小到非簧載質(zhì)量的固有頻率，非簧載質(zhì)量出現(xiàn)共振，驗(yàn)證了模型能很好地反映懸架各部分隨掃頻激勵(lì)的變化。

3.2 懸架故障實(shí)例仿真

為了分析本文模型對(duì)懸架故障檢測(cè)的有效性，也為能進(jìn)一步說明以吸收率作為評(píng)價(jià)懸架性能指標(biāo)的合理性，針對(duì)上述實(shí)例，本文假設(shè)減振器出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，即體現(xiàn)為減振器阻尼降低。本文假設(shè)減振器阻尼降低30%，再次通過仿真分析，得到吸收率的時(shí)間信號(hào)如圖6所示，吸收率為50.1%。比較圖5、圖6和計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)減振器阻尼下降30%時(shí)，其懸架吸收率從61.5%降到50.1%，減少了11.4%。說明該模型能很好地反映減振器阻尼變化對(duì)懸架性能的影響，體現(xiàn)了懸架吸收率對(duì)減振器阻尼參數(shù)變化的敏感，也進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確，可以為分析懸架檢測(cè)結(jié)果影響因素和優(yōu)化檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供幫助。

4 結(jié)論

（1）本文通過對(duì)諧振式懸架檢測(cè)臺(tái)的原理分析,建立了考慮整軸結(jié)構(gòu)的汽車懸架檢測(cè)的“車-臺(tái)”振動(dòng)系統(tǒng)理論模型，通過實(shí)例仿真驗(yàn)證，表明本理論模型是正確有效的。

（2）現(xiàn)有文獻(xiàn)所建“車-臺(tái)”模型多以四分之一車輛模型導(dǎo)入，不能反映整軸質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及另一側(cè)懸架結(jié)構(gòu)的影響。本文所建模型解決了這一方面的不足，能反映更多相關(guān)影響因素，仿真分析更接近于實(shí)際檢測(cè)。

（3）本文所建模型，有助于懸架檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化分析，比如偏心輪的偏心距、激振系統(tǒng)的慣量等；也有助于對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果的因素進(jìn)行分析，比如非檢測(cè)側(cè)懸架及輪胎參數(shù)的影響，為懸架檢測(cè)分析提供了更多的選擇。

Modeling and Simulation of Automotive Suspension Test

YI Jia, XIONG Guangyao, LI Jun
(East China Jiaotong University, School of Mechatronic Engineering, Nanchang Jiangxi,330013,China)

The resonant automotive suspension test rig is one of the automotive performance testing equipment. A model of suspension test rig based on the whole axle suspension was presented in the paper. Simulation analysis for two cases was given and the correct results were obtained. So the validation of the model was confirmed. It is helpful to analyze the influence factors of suspension test results and optimize the structural parameters of the test rig.

automotive; suspension test; model; simulation