基于SIMULINK悬架系统动力学仿真分析

研究生课程论文答题本科目：汽车动力学授课教师：乔维高年级专业：学生姓名：学生学号：是否进修生？是□否■基于SIMULINK悬架系统动力学仿真分析（武汉理工大学汽车工程学院）摘要：汽车行驶平顺性的优劣直接影响到乘员的乘坐舒适性，并影响车辆动力性和经济性的发挥，是车辆在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。因而如何最大限度地降低汽车在行驶过程中所产生的振动，成为汽车行业的研究重点。本文以某轿车为例，对其进行力学分析，建立四自由度半振动微分方程，以不同等级路面和不同车速下的随机路面激励谱作为输入，利用Matlab/Simulink仿真软件建立了动态模型，进行计算机仿真，并分析了动力学参数的改变对汽车行驶平顺性影响。关键词：悬架系统；平顺性；仿真SuspensionSystemdynamicsimulationanalysisBasedonSIMULINKAbstract:CarRidewilldirectlyaffectoccupantcomfortandaffectvehicledynamicsandeconomyoftheplay,isavehicletocompeteforadvantageinthemarketcompetitionisanimportantperformanceindicators.Sohowtominimizevibrationduringdrivingcarsproduced,becamethefocusoftheautomotiveindustryresearch.Takingacar,forexample,itsmechanicsanalysis,fourandahalfdegreesoffreedomvibrationdifferentialequations,randomroadpavementanddifferentlevelsofexcitationspectraunderdifferentspeedastheinput,usingMatlab/Simulinksimulationsoftwaretoestablishadynamicmodelforcomputersimulationandanalysisofthechangingdynamicsoftheparametersaffectingthecarridecomfort.Keywords:SuspensionSystem；ridingcomfort;dynamicsimulation1汽车动力学振动模型的建立四自由度半车模型既能表征车身的质心加速度和速度的变化，又能表征车身绕其质心轴的俯仰角加速度和角速度的变化，结构也不太复杂，因此其仿真结果具有一定的代表性。四自由度半车模型的建立，必须作如下假设：整个系统为线性系统；前轴与前轮质量之和为前簧下质量；后轴与后轮质量之和为后簧下质量；非悬挂分布质量由集中质量块m1f、m1r代替，车轮的力学特性简化为一个无质量的弹簧，不计阻尼；汽车对称于其纵轴线，且左、右车辙的不平度函数相等。车身振动的四自由度模型如图1所示。车身质量根据动力学等效的原则分为前轴上后轴上及质心上的三个集中质量m2f、m2r、m2c，三个质量由无质量的刚性杆连接。图1四自由度汽车模型1.1四自由度半车模型自由振动方程(1)采用z2f、z2r坐标系的自由振动方程以车身为研究对象，对前、后端取力矩平衡，得：222221221/L(zz)(z)0ffccffffffmzmzbKCz（1）222221221/L(zz)(zz)0rrccrrrrrrmzmzaKC（2）式中：z2f、z2r、zc、z1f、z1r分别表示前、后轴上集中质量、车身质心、前、后轴非悬挂分布质量的垂直振动位移；K2f、K2r分别为前、后轴悬架刚度；C2f、C2r是前、后悬架减振器阻尼系数；L、a、b为轴距及质心至前、后轴的距离。以前、后非悬挂质量为研究对象得：1121221211(zz)(zz)K(z)0fffffffffffmzKCq（3）1121221211(zz)C(zz)K(zq)0rrrrrrrrrrrmzK（4）式中：qf、qr为前、后轮路面不平度激励。(2)采用zc、Φ坐标系时的自由振动方程以车身为研究对象由垂直方向力的平衡和绕质心的力矩平衡得：222121221221(zz)C(zz)K(zz)C(zz)0cfffffrrrrrrmzK（5）22221221221221(zz)bC(zz)K(zz)C(zz)0yrrrrrrffffffmbKaa（6）1.2状态空间模型建立状态方程和输出方程，选取状态向量为123456781111,,,,,,,,,,,,,,TTfrcfrcXxxxxxxxxzzzzzz123456781111,,,,,,,,,,,,,,TTfrcfrcXxxxxxxxxzzzzzz输入向量T[q,q]fru输出向量T12345678T22212111112222[y,y,y,y,y,y,y,y][z,z,zz,zz,K(zq),K(zq),(zzb)/L,(zz)/L]frffrrfffrrrrfrfYa建立状态方程和输出方程+XAXBuYCXDu（7）其中，A,B,C,D如下：12222221111111222222111111222222222222222222222222000010000000010000000010000000010000fffffffffffffrrrrrrrrrrrrrffrfrffrfrrrffrKKKaKCCaCmmmmmmAKKKbKCCbCmmmmmmKKKaKbKCCCaCbCKCmmmmmmmmaKaKbKbKII222222222222rfrffrfrraKbKaCaCbCaCbCbCIIIIII111100000000000000ffrrKBmKm1100000000000000frDKK2232222222222222222222322222222222222222112222222222101011000000fffrfrfrfrrrfffrfrfrfrrrfrffrfrrKaKKKaKabKaKbKaKabKKabKmImImImIKabKKKabKbKaKbKabKbKKbKmImImImIabCKKKKKaKbKKmmmm22222222223222222222222222222232222222222222222200000ffrfrrfffrfrfrfrrrfffrfrfrfrrraKaKbKaKbKbKIIIICaCCCaCabCaCbCaCabCCabCmImImImICabCCCabCbCaCbCabCbCCbCmImImImI22222222222222220000000000022ffrrrffrfrrCCCCaCfbCmmmmaCaCbCaCbCbCIIII1.3SIMULINK仿真模型建立其SIMULINK仿真模型如图2所示车辆悬架系统的性能用车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷３个基本参数进行定量评价，其中悬架动行程定义为车轮与车身的位移之差，轮胎动载荷定义为相对于初平衡位置的轮胎载荷变化。在白噪声路面输入下，建立悬架系统动力学微分方程。最后通过MATLAB/SIMULINK进行仿真分析，SIMULINK模型如图2所示。图2四自由度汽车SIMULIN仿真模型2路面模型的建立本文采用比较容易实现的滤波白噪声作为路面输入模型，根据滤波白噪声的数学模型,建立其Simulink仿真模型，如图3所示。图3路面激励的时域模型对于多自由度的整车模型，有两个输入，后轮输入按一定的时间滞后与前轮输入相同。利用滤波白噪声法生成的随机路面与规定一致，证明所采用的方法正确，生成的信号合理，可以作为平顺性振动分析的输入激励。3仿真结果分析SIMULINK模型运行后得到的仿真结果如图4所示：图4四自由度悬架系统仿真结果3.1悬架阻尼系数C的影响保持其他条件不变，改变前悬架阻尼系数C2f，仿真结果如图4所示。由于悬挂(车身)质量部分固有频率为1～2Hz，因此重点考虑低频段。由图可知，在1～2Hz附近，随着阻尼的增大,车身质心垂直位移将减小，俯仰角位移变化不大。从结构来看，适当增加前悬挂系统的阻尼可以提高汽车的平顺性。其他条件不变，改变后悬架阻尼系数C2r，仿真结果如图4所示。由下图可以看出，增大后悬架的阻尼系数，在1～2Hz范围内，车身质心垂直位移有波动变化，当在2Hz左右及2～3Hz范围内，车身质心垂直位移振幅将大幅增大，而俯仰角位移也将趋于稳定，表明阻尼系数减小可以有效的抑制车架的垂直振动的振幅。综上所述，适当减小后悬挂系统的阻尼可以提高汽车的平顺性。3.2悬架刚度系数K的影响由仿真结果分析，增大前悬架的刚度系数，在1～2Hz范围内，车身质心垂直位移变化不大，而俯仰角位移幅值有所增大，在2～3Hz范围内，车身质心垂直位移和俯仰角位移都大幅增大。故在设计前减震器时可以适当减小其刚度。所以在设计前悬架时，可以将其设计的刚度适当减小些。增加后悬架的刚度系数，在1～2Hz范围内，车身质心垂直位移略有增大，俯仰角位移大幅减小。但是基于行驶的安全性和操纵的稳定性以及前面所述减小其阻尼而言，适当增加后悬挂的刚度是很有必要的。3.3轮胎刚度系数K1的影响改变前轮的刚度系数，仿真结果如图4所示。仿真曲线表明：轮胎刚度系数变化对车身质心垂直位移和俯仰角位移影响很小，前轮刚度的减小会引起车架垂直位移略有增大，俯仰角位移略有减小，但是轮胎的动载荷会相对减小，因此在给前轮充气时，不宜将前轮胎加气过足。其他参数不变的情况下，改变后轮的刚度系数，结果如图4所示。仿真曲线表明：在1～2Hz范围内，当K1r增加，质心垂直加速度幅值变化不大，俯仰角加速度幅值略有下降，有助于改善其振动特性。综上所述，为改善驾驶员垂直振动和车架俯仰振动，可以适当增大K1r4结论本文建立了汽车动力学四自由度动力学振动模型，以随机路面激励谱作为输入，建立了仿真模型，并分析了动力学参数对汽车平顺性的影响，得到如下结论：1)适当增加前悬挂系统的阻尼和适当减小后悬挂系统的阻尼可以提高汽车的平顺性；2)在设计前悬架时，可以将其设计的刚度适当减小些。适当增加后悬挂的刚度，有助于行驶的安全性和操纵的稳定性；3)前轮胎刚度系数变化对车身质心垂直位移和俯仰角位移影响很小。为改善驾驶员垂直振动和车架俯仰振动，可以适当增大后轮胎刚度系数。参考文献[1].余志生,汽车理论[M],机械工业出版社,2009[2].喻凡、林逸,汽车系统动力学[M],机械工业出版社,2005[3].孙海涛、陈关龙，汽车动力学模型综述[Z],上海交通大学机械与动力工程学院,2002[4].王望予,汽车设计[M],机械工业出版社,2004[5].周长城,汽车平顺性与悬架系统设计[M],机械工业出版社,2011