車輛被動天棚阻尼懸架系統動態特性研究

朱志豪 張志豪 張鑫陽 黃煜棟

摘要：利用“慣容一彈簧一阻尼”懸架結構新體系，提出一種被動實現理想天棚阻尼的方法，設計了被動天棚阻尼懸架系統，建立了半車模型。被動天棚阻尼懸架提高汽車舒適性，驗證了理想天棚阻尼被動實現方法的有效性。

關鍵詞：車輛；懸架；反共振；慣容器；天棚阻尼

一、理想天棚阻尼的被動實現

（一）慣容器與彈簧并聯諧振

“慣容-彈簧-阻尼”機械系統與“電容-電感-電阻”電子系統是相似的。在電路中，當電感與電容并聯電路導納為零時，電路會發生并聯諧振，此時，電感電流與電容電流相互抵消，電感與電容并聯部分相當于開路。同樣，當彈簧與慣容器并聯體的導納為零時，彈簧與慣容器兩端的力抵消，彈簧與慣容器并聯部分相當于開路。因此，當彈簧與慣容器并聯諧振時，彈簧與慣容器的并聯體會阻斷力的傳遞。

（二）“慣容-彈簧-質量”系統的反共振

“慣容-彈簧-質量”系統如圖1所示。當彈簧和慣容器并聯體的導納為零時，彈簧與慣容器會發生并聯諧振，阻斷力向被隔離質量塊的傳遞，此時，盡管輸入位移z0的振幅不為零，但被隔離質量塊的振幅卻為零，即系統發生了反共振現象。“慣容一彈簧一質量”系統的反共振為理想天棚阻尼的被動實現提供了一種解決方法。

（三）理想天棚阻尼的被動實現方法

圖2a是理想天棚阻尼懸架系統，首先，在圖2a中的簧上質量和懸架之間插入并聯的彈簧和慣容器，然后將天棚阻尼器與慣容器并聯，如圖2h所示。

圖2a中理想天棚阻尼懸架系統參數是已知的。在圖2b所示的被動天棚阻尼懸架系統中參數b2和k2未知外，其他參數與倆想天棚阻尼懸架系統相同。確定參數b2和k2的方法如下：

式中：k2——第2級懸架剛度，b2——慣容系數

3.由反共振頻率ω2A與共振頻率ω2相等，確定k2與b2的關系為：

k/m=k2/b2（1）

4.將式（1）作為一約束條件，將簧上質量的位移傳遞率作為優化問題的目標函數，求解該優化問題，即可得到參數k2與b2的值。

二、被動天棚阻尼懸架模型

被動天棚阻尼懸架系統的半車模型如圖三所示。

三、系統頻響分析

對狀態方程式（12）兩端同時做拉普拉斯變換得

sIX（s）=AX（s）+BZg（s）

Y（s）=CX（s）（13）

式中，I為單位矩陣，其階次與矩陣A相同。

由式（13）可得X（s）=（sI-A）-1BZg（s） （14）

由（13）和式（14）可得系統傳遞函數矩陣為

G（s）=Y（s）Zg（s）=C（sI-A）-1B （15）

令s=2πif，代入式（15）得頻響函數矩陣為

G（2πif）=C（2πifI-A）-1B （16）

根據頻響函數繪制的頻響特性曲線如圖4。

由圖4可知，在頻率小于3Hz的低頻部分，傳統被動懸架由于車身共振出現了較大的共振峰，被動天棚阻尼懸架的共振峰較小，理想天棚阻尼懸架沒有明顯的共振峰。三者的質心垂直加速度、車身俯仰加速度增益低頻共振峰值如表2所示。

結合圖4可知，在小于3Hz的低頻部分，與傳統被動懸架相比，被動天棚阻尼懸架的前車身共振頻率從1.1Hz降到了0.7Hz，后車身共振峰頻率從1.3Hz降到了0.8Rz，被動天棚和理想天棚阻尼懸架的質心垂直加速度增益低頻共振峰值分別減小了56.6%和65.8%，車身俯仰加速度減小了55.7%和66.2%，前車身垂直加速度分別減小了56%和68.4%，后車身垂直加速度分別減小了60.3%和69.5%

四、結論

（一）與傳統被動懸架相比，被動天棚阻尼懸架在小于3Hz的低頻部分質心垂直加速度、車身俯仰加速度、前車身垂直加速度和后車身垂直加速度增益低頻共振峰值分別減小了56.6%、55.7%、56%和60.3%。提高汽車舒適性。

（二）被動天棚阻尼懸架能夠實現理想天棚阻尼懸架的只要功能，驗證了理想天棚阻尼被動實現的正確性和有效性。

參考文獻：

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