車輛懸架模型的仿真與分析

徐一剛 王超

摘 要：目前，關(guān)于汽車模型的研究很多。詹長(zhǎng)書等人研究了二自由度懸架模型的頻域響應(yīng)特性。李俊等人模擬了不同車速和路況下二自由度車輛模型的動(dòng)力學(xué)。鄭兆明研究了二自由度車輪動(dòng)載荷的均方值。基于Matlab建立了更加復(fù)雜的懸架模型，分析了其在模擬路面作用下的響應(yīng)，分析了系統(tǒng)阻尼參數(shù)和剛度參數(shù)變化對(duì)車身動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：汽車懸架；模型；模擬

據(jù)公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)，截至2019年3月底，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.3億輛，其中汽車達(dá)2.46億輛，駕駛?cè)诉_(dá)4.1億，機(jī)動(dòng)車、駕駛?cè)丝偭考霸隽烤邮澜绲谝弧ｋS著汽車數(shù)量的迅速增加，人們開始越來越重視汽車的乘坐舒適性，平順性是舒適性的重要組成部分。振動(dòng)是影響平順性的主要因素，因此車身系統(tǒng)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)對(duì)提高汽車的舒適性和安全性具有重要意義。

1車輛懸架模型

傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)一般由彈性元件和參數(shù)固定的阻尼元件組成。本文選擇汽車后輪的任意懸架系統(tǒng)建立四分之一模型。該模型的簡(jiǎn)圖如下圖1所示。其中，1是螺旋彈簧，2是縱向推力桿，3是減震器，4是橫向穩(wěn)定器，5是定向推力桿。

2懸架剛度分析

2.1懸架垂直剛度分析

懸架系統(tǒng)的垂直剛度可以通過分析懸架兩個(gè)車輪在同一方向上的運(yùn)行情況來獲得。因?yàn)檠b有發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛的前軸載荷變化很大，所以前懸架通過調(diào)節(jié)螺旋彈簧的剛度和自由長(zhǎng)度來確保車身姿態(tài)。后懸架的軸重變化不大，只有螺旋彈簧的自由長(zhǎng)度略有調(diào)整，后懸架螺旋彈簧的剛度沒有調(diào)整。這導(dǎo)致帶有發(fā)動(dòng)機(jī)的B車型前懸架剛度略有增加。

除了懸架結(jié)構(gòu)和參數(shù)的匹配外，前后懸架固有頻率的正確匹配是降低車輛振動(dòng)耦合度、有效提高車輛乘坐舒適性的重要方法之一。由于B型前懸架的軸重變化很大，通過調(diào)整前懸架螺旋彈簧的剛度，前懸架和后懸架的偏置頻率比幾乎不變。

2.2懸架傾角的剛度分析

一般來說，乘用車的前后側(cè)傾剛度比要求在1.4和2.6之間，以滿足略微不足的轉(zhuǎn)向特性的要求。B車型前懸架的側(cè)傾剛度略高于C車型，這是由前懸架剛度的增加引起的。前懸架側(cè)傾剛度的增加有助于減小側(cè)傾角度，但變化很小。

3三個(gè)雙輪同向跳躍分析

車輪從半負(fù)載狀態(tài)分別上下跳動(dòng)70毫米。其中，紅實(shí)線是帶發(fā)動(dòng)機(jī)的B型發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果，藍(lán)虛線是C型試驗(yàn)車的仿真結(jié)果。

3.1前束角隨車輪跳動(dòng)的變化

車輪跳起和落下時(shí)的前束變化對(duì)車輛的直線行駛穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)（轉(zhuǎn)向不足、轉(zhuǎn)向過度）特性有很大影響，是車輛懸架的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。車輪跳動(dòng)時(shí)，前懸架的前束角一般呈微弱的負(fù)變化趨勢(shì)，變化量越小越好。一般要求車輪在80毫米內(nèi)上下跳動(dòng)，前束變化量在0度到1度之間。直行過程中路面凸凹引起的前束變化受到控制，以確保良好的直行穩(wěn)定性。

3.2外傾角隨車輪跳動(dòng)而變化

為了確保輪胎的轉(zhuǎn)彎性能，汽車懸架通常被設(shè)計(jì)成當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)外傾角向負(fù)值變化，從而確保在轉(zhuǎn)向過程中外部輪胎和地面之間的完全接觸，提高輪胎抓地力并減少輪胎磨損。

3.3腳輪角度隨車輪跳動(dòng)而變化

對(duì)于汽車來說，主銷的后傾角越大，高速扶正扭矩越大，汽車的穩(wěn)定性效果越強(qiáng)。然而，過大的扶正扭矩會(huì)導(dǎo)致過度的向前轉(zhuǎn)動(dòng)，加速前輪擺振，使轉(zhuǎn)向變重。半負(fù)荷時(shí)，B型前懸架主銷的后傾角為2.654°，兩種車型的變化趨勢(shì)基本相同。

3.4腳輪拖車因車輪跳動(dòng)而異

主銷后傾角在車輛的高速對(duì)準(zhǔn)性能中起著非常重要的作用。在半負(fù)荷時(shí)，原基礎(chǔ)車型前懸架的主銷后傾角為16.62毫米，而B車型前懸架的主銷后傾角為16.58毫米，兩種車型基本相同。

3.5腳輪角度隨車輪跳動(dòng)而變化

主銷內(nèi)傾角在車輛低速對(duì)準(zhǔn)性能中起著重要作用。主銷內(nèi)傾角越大，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩越大。然而，過大的主銷內(nèi)傾角會(huì)增加輪胎的側(cè)向力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過度。因此，在設(shè)計(jì)主銷內(nèi)傾角時(shí)，應(yīng)綜合考慮。主銷內(nèi)傾角通常在7°到13°之間。在半載荷下，設(shè)計(jì)車輛前懸架主銷內(nèi)傾角為11.637°，B型車輛前懸架主銷的后傾角為12.642°。兩輛車相對(duì)較近，符合總體設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

基于Matlab建立了汽車1/4懸架的簡(jiǎn)單振動(dòng)模型，分析了其在路面作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究了系統(tǒng)阻尼參數(shù)和剛度參數(shù)對(duì)車身動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

然而，本文并不認(rèn)為汽車實(shí)際上是一個(gè)多自由度動(dòng)力學(xué)模型。它可以進(jìn)一步考慮多自由度非線性汽車系統(tǒng)的研究，從而獲得更準(zhǔn)確的結(jié)論。

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（作者單位：湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院）