阻尼可調(diào)半主動懸架八自由度仿真模型建立

李重重，黃鎮(zhèn)穎，王振宇，高玉

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 212023）

前言

懸架系統(tǒng)的主要功能是連接底盤系統(tǒng)和車身并緩和地面對車身的沖擊力以及衰減車身的振動，從而提高乘坐的舒適性和車輛行駛時的平順性。為提高上述兩個性能，各國學(xué)者對于懸架系統(tǒng)中的兩個關(guān)鍵參數(shù)剛度和阻尼進行大量研究，研究表明：剛度可調(diào)懸架系統(tǒng)或阻尼可調(diào)懸架系統(tǒng)可根據(jù)行駛工況自適應(yīng)調(diào)節(jié)，能夠有效提高乘坐舒適性和行駛平順性，而阻尼可調(diào)懸架系統(tǒng)具有更好的工作適應(yīng)性，提升效果更加明顯，具有更加廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

目前，剛度可調(diào)懸架系統(tǒng)已日漸成熟，如帶附加氣室的空氣懸架系統(tǒng)和互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)，上述兩種懸架已在部分量產(chǎn)車上且運行效果較好。而對于阻尼可調(diào)懸架系統(tǒng)的研究大多還停留在1/4 車的模型建立、特性仿真階段，而1/4 車模型并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)整車振動、減振情況，對于提升車輛在不同使用條件下的乘坐舒適性和行駛平順性有很大局限性[4-6]。

因此，本文在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化整車模型的準(zhǔn)確的，根據(jù)可變阻尼懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立八自由度整車阻尼可調(diào)半主動懸架仿真模型，某款轎車相關(guān)參數(shù)如表1 所示。阻尼可調(diào)懸架系統(tǒng)整車八個自由度分別為：車輛質(zhì)心處的垂向位移（包括位移、速度、加速度）、車內(nèi)座椅的垂向位移（包括位移、速度、加速度）、車身左右側(cè)傾角度、車身前后俯仰角度以及四個車輪處的垂向位移（包括位移、速度、加速度）[7-9]。

設(shè)置四個懸架與車身連接處的垂直位移為：SfL、SfR、SrL、SrR，則有：

式中：Scb為整車車身質(zhì)心處垂向位移，單位為米；θ為車身的左右側(cè)傾角度，單位為度；φ為車身前后俯仰角度，單位為度；lf前軸的水平距離、lr為后軸的水平距離，單位為米；d為前輪輪距（本文假設(shè)前后輪距相同），單位為米。

四個懸架的懸架力為：

式中：FfL、FrL、FfR、FrR為四個懸架和車身連接處的垂向作用力；kf、kr分別為前后懸架的剛度；Cf為前懸架減振器阻尼系數(shù)、Cr為后懸架減振器阻尼系數(shù)；SfL、SL、SR、SrR分別為四個車輪的垂向位移。

根據(jù)牛頓定律可得：

式中：lfL左前輪受到的路面沖擊后的垂直位移，單位為米、lrL右前輪受到的路面沖擊后的垂直位移，單位為米、lfL左后輪受到的路面沖擊后的垂直位移，單位為米、lrR右后輪受到的路面沖擊后的垂直位移，單位為米；mwf、mwr分別為前后輪胎質(zhì)量，單位為千克；mcb為簧載質(zhì)量，單位千克；Jx為整車質(zhì)量繞質(zhì)心縱向的轉(zhuǎn)動慣量；Jy為整車質(zhì)量繞其質(zhì)心橫向的轉(zhuǎn)動慣量。

表1 整車相關(guān)參數(shù)

根據(jù)上述式（1）、式（2）和式（3）所建立的整車數(shù)學(xué)模型，利用式（3）中的方程組在MATLAB/Simulink 軟件中建立阻尼可調(diào)半主動懸架整車八自由度仿真模型，如圖1 所示。

本文以車輛質(zhì)心處的垂向位移（包括位移、速度、加速度）、車內(nèi)座椅的垂向位移（包括位移、速度、加速度）、車身左右側(cè)傾角度、車身前后俯仰角度以及四個車輪處的垂向位移（包括位移、速度、加速度）這八個自由度為基礎(chǔ)，建立阻尼可調(diào)半主動懸架八自由度仿真模型，為后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化和控制研究奠定理論模型基礎(chǔ)。

圖1 八自由度整車仿真模型

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].第三版.北京:機械工業(yè)出版社,2009:199-225. Chen Jiarui. Automobile structure[M]3rd ed. Beijing: China Mach -ine Press, 2009:199-225(in Chinese).

[2] 姚嘉伶,蔡偉義,陳寧.汽車半主動懸架系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r[J].汽車工程,2006,28(03):276-280.

[3] LauwerysC, Swevers J, S as P.Model Free ControlDesign for aSemi- active Suspension of a Passenger Car[C].Proceedings of ISMA, 2004:75-86.

[4] 琚龍玉,李仲興,江洪,等.附加氣室容積可調(diào)空氣懸架多目標(biāo)參數(shù)匹配[J].汽車技術(shù),2014,(06):29-33.

[5] ArakiY. Previewcontrolo factivesuspensionusing disturbancein forma -tionof frontwheel[J].TransactionsoftheJapanSocietyof Mechanical Engineers,1994,60(578):3405-3408.

[6] 李重重.附加氣室容積可調(diào)空氣懸架剛度和阻尼控制[D].江蘇大學(xué),2016.

[7] Wei Liu,RuochenWang,RenkaiDing,XiangpengMeng,Lin Yang. On -line estimation of road profile in semi-active suspension based on unsprung mass acceleration[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2020,135.

[8] TianheJin,ZhimingLiu,ShuaishuaiSun,ZunsongRen,LeiDeng, BoYang, Matthew Daniel Christie,Weihua Li. Development and evaluation of a versatile semi-active suspension system for high-speed railway vehicles[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2020,135.

[9] D. H. Shi,L.Chen,R. C. Wang,C. C. Yuan,Y. L. Liu. Research on Energy-Regenerative Performance of Suspension System with Semi -active Control[J].Journal of Vibration Engineering & Technologies, 2019,7(5).

[10] 楊軍杰.基于T-S 模糊模型的主動懸架系統(tǒng)容錯控制研究[D].西安理工大學(xué),2019.