氣動式饋能懸架動力學性能仿真研究

孫富權+馬思順

摘 要：對帶有新型饋能減振器及空氣彈簧的新型饋能懸架系統進行了研究，在MATLAB/Simulink中進行了建模與仿真。首先文章建立了時域路面不平度的仿真模型以提供模仿路面不平度給懸架系統所帶來的刺激，然后分別建立了空氣彈簧的仿真模型，進而建立了饋能懸架的仿真模型。對所饋能懸架系統進行仿真，得出數據進行分析。計算在不同等級路面及不同速度下懸架系統的車身加速度的均方根值，對新型懸架系統進行評價。

關鍵詞：路面不平度；空氣彈簧；饋能；懸架；仿真模型

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0007-03

隨著能源問題的不斷加劇，各國紛紛出臺法令限制汽車尾氣的排放和鼓勵新能源汽車的發展，節能已經變成汽車設計（特別是電動車設計）中的首先需要考慮的目標之一。面對解決供能成本與能量利用效率的問題，“饋能”這一概念應運而生。所謂“饋能”就是將汽車散失掉的能量回收進行二次利用以達到降低供能成本和提高能量利用效率的目的。

汽車懸架是一個含有阻尼和彈性元件的非線性振動系統，在發動機和路面不平度等振源的刺激下會產生隨機振動。在傳統的汽車懸架系統中，這部分由于隨機振動而產生的機械能會被減振器以熱能的形式耗散掉。許多學者研究表明由減振器阻尼力所產生的能耗在汽車的總能耗中占有很大比重（約占20%左右），可是這部分振動能量卻一直未能引起人們的關注從而對它進行利用[1]。懸架作為保證汽車平順性與舒適性的主要組成部分，在回收能量的過程中其力學特性也是值得關注的。進行實物建模的話，經歷時間長、成本高，計算機仿真建模耗時短，成本低，使得產品的研發費用與效率大幅度的提高。利用MATLAB/Simulink仿真軟件可以建立數學模型對懸架系統進行仿真研究，并分析懸架系統的主要性能指標。

1 氣動式饋能懸架系統模型

1.1 氣動式饋能懸架系統工作原理

氣動式饋能懸架系統主要由空氣彈簧、空氣彈簧閥、進排氣閥、壓力傳感器、單向閥、高壓氣罐、氣動饋能馬達、干燥劑、空氣泵和儲氣罐組成。當汽車行駛過程中受到路面刺激，底盤發生振動時，空氣彈簧由于瞬間的位移變化，內部會產生高壓氣體，高壓氣體通過單向閥進入高壓儲氣罐進行穩壓后驅動饋能氣動馬達，產生電能經過調理電路儲存到蓄電池中，氣動式饋能懸架的工作原理如圖1所示。

1.2 二自由度1/4饋能懸架車輛模型

運用車輛動力學模型建立了1/4車體半主動饋能懸架2自由度模型，通過已建立的白噪聲時域路面不平度仿真模型仿真其路面刺激在時域內實現仿真。通過仿真我們可以得到裝有饋能減振器懸架系統的車身加速度，車身加速度的均方根值可以作為評價懸架系統的平順性的性能指標。

根據相關的力學與運動學知識可以得1/4車輛模型的運動方程如下所示：

（1）

根據饋能懸架空氣彈簧的力學特性數學模型如下所示：

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

式中，A0表示空氣彈簧平衡時的有效面積；β表示為空氣彈簧有效面積隨高度的變化系數；x表示空氣彈簧的高度；V0表示空氣彈簧平衡時的有效容積；α表示空氣彈簧有效容積隨高度的變化率；x表示空氣彈簧的高度。p為終了狀態氣體壓力；P0為初始狀態氣體壓力；Pa為大氣壓；V為終了空氣彈簧有效容積；γ表示氣體多邊指數，與氣體的熱量系數相關。

通過仿真我們可以得到裝有饋能懸架系統的車身加速度，車身加速度的均方根值可以作為評價懸架系統的平順性的性能指標。

1.3 饋能懸架的MATLAB/Simulink模型

饋能懸架系統模型主要由三大部分組成，分別是白噪聲路面不平度輸入模塊、空氣彈簧子系統模塊，饋能減振器子系統模塊。饋能懸架系統的仿真模型如圖3所示。

2 仿真與結果分析

汽車的平順性主要是用來評價汽車在行駛途中，由于路面不平度刺激所帶來的沖擊和振動對載乘人員舒適性的影響，所以平順性可以由乘員主觀感受進行判斷，對于載貨汽車還包括保持貨物不受損壞的能力，汽車的平順性是現代高速汽車的重要性能之一。而客觀評價法主要是采用車身加速度的均方根值來評價汽車的平順性[4，5]。其具體計算方法如式（9）計算函數的加權加速度均方根值：

（9）

分別對饋能懸架系統輸入A、B和C級路面30km/h、60km/h和90km/h的白噪聲路面不平度波形作為饋能懸架的路面刺激進行仿真，模擬車輛在A、B和C級路面分別以30km/h、60km/h和90km/h行駛的情況。從而得出饋能懸架的簧上質量（車身質量）的加速度波形及數據，進而對其進行平順性的評價。通過仿真結果得出氣動式饋能懸架在A、B、C級路面均滿足汽車平順性要求，仿真結果如圖4、圖5、圖6所示。

3 結束語

此處我們通過本文對饋能懸架系統的建模，將不同等級路面及不同速度的路面不平度仿真波形輸入對饋能懸架系統進行仿真，可以得出所設計的氣動式饋能懸架系統具有機械結構相對簡單和平順性較好等優點。

參考文獻：

[1]李志成.汽車饋能懸架的結構選型與性能仿真[D].長春：吉林大學，2009.

[2]黃昆，張勇超，喻凡，等.電動式主動饋能懸架綜合性能的協調性優化[J].上海交通大學學報，2009（2）：226-230.

[3]肖啟端.車輛工程仿真與分析——基于MATLAB的實現[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]姜鵬.汽車懸架系統的仿真分析與參數優化設[D].杭州：浙江大學，2006.

[5]曹觀波.汽車前懸架系統建模仿真與分析[D].長春：吉林大學，2012.

[6]寇發榮，杜嘉峰，王哲，等.電液半主動饋能懸架非線性建模與協調性優化[J].中國機械工程，2017，28（14）：1701-1707.endprint