基于MATLAB的汽车主动悬架仿真研究

邓利军

（襄樊学院 机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053)

基于MATLAB的汽车主动悬架仿真研究

邓利军

（襄樊学院 机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053)

针对不同悬架的性能特点，分别建立了被动悬架、主动悬架的车身与车轮两自由度振动模型，基于Matlab软件用白噪声法模拟了路面不平度随机输入，在此基础上，对被动悬架与主动悬架的性能进行了仿真对比. 仿真结果表明：主动悬架能更好地衰减振动，因此具有更佳的平顺性.

汽车；主动悬架；被动悬架；Matlab

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称，用以把路面作用于车轮上的各种力和力矩传递到车架上[1]，同时还起到缓和冲击、吸收振动、提高平顺性与乘坐舒适性的作用.传统悬架的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，在汽车行驶过程中，其性能不变，也无法调节，从而使汽车平顺性与乘坐舒适性受到一定的影响，因此称这种悬架系统为被动悬架. 主动悬架可根据汽车的行驶条件的变化对刚度和阻尼进行动态地自适应调节，因此能使悬架系统始终处于最佳状态[2].

车身垂直位移决定了汽车振动时振幅的大小，悬架行程直接影响撞击限位的概率，而车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标[3]，因此，本研究主要从车身垂直位移、车身加速度、悬架行程等几个方面比较主动悬架与被动悬架的特性.

1 车身与车轮两自由度振动模型的建立

1.1 被动悬架系统模型

汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化. 参照文献[3]，通常可以将汽车振动系统简化为单质量系统和双质量系统. 在远离车轮部分固有频率的较低激振频率范围，轮胎变形很小，可忽略其弹性与车轮质量，从而得到最简单的单质量系统；当汽车悬挂质量分配系数的数值接近1时，可认为前后悬架系统的垂直振动几乎是独立的，此时可以简化为车身与车轮两个自由度的双质量系统. 因双质量系统除了能反映车身部分的动态特性之外，还能反映车轮部分在产生高频共振时的动态特性，更接近汽车悬挂系统的实际情况，因此一般将汽车振动系统简化为双质量系统. 图 1是被动悬架车身与车轮两自由度振动系统模型简图. 其中，m2为悬挂质量（车身质量）；m1为非悬挂质量（车轮质量）；K为悬挂刚度；C为阻尼器阻力系数；Kt为轮胎刚度.

图1 被动悬架两自由度振动系统

车轮与车身垂直位移坐标为 z1、z2，q为输入的路面不平度函数，坐标原点选在各自的平衡位置，其微分方程为：

1.2 主动悬架系统模型

图 2是主动悬架系统车身与车轮两自由度振动系统模型简图. 它将传感器测量系统运动状态信号输入电控单元，电控单元经过分析、判断后给力发生器发出指令，产生主动控制力，从而满足不同工况对悬架系统特性参数变化的要求. 其中 l1、l2、l3为根据优化得到的反馈系数；u为主动控制力，在此选择其他参数与被动悬架系统相同.

其运动方程为：

2 路面不平度随机激励时域模型的建立

路面不平度随机激励时域模型的模拟方法很多，在此采用白噪声法[4]：

图2 主动悬架两自由度振动系统

其中：q( t)——路面位移（m） ；

Gq ( n0)——路面不平度系数，m3/cycle；

u——汽车前进速度 m/s；

w( t)——均值为零的高斯白噪声；

f0——下截止频率，Hz

3 Matlab/Simulink仿真模型的建立

根据以上建立的物理模型及微分方程，在Matlab/Simulink环境下建立仿真模型. 图3是通过式（1）的微分方程组建立起来的被动悬架系统仿真模型，其中q为路面不平度激励；分别为车轮与车身垂直位移为车身位移与车轮位移之差，即为悬架行程；为车身加速度. 图 4是通过式（2）的微分方程组建立起来的主动悬架系统仿真模型，图中参数与图3相同. 图5是通过式（3）的微分方程建立起来的路面不平度随机激励时域模型，输出为路面不平度激励q.

图3 被动悬架系统仿真模型

图4 主动悬架系统仿真模型

图5 路面不平度随机激励时域模型

4 仿真结果输出与分析

选择某汽车悬架参数值作为仿真参数，被动悬架系统的参数为：m1=24kg、m2=240kg、K=9475N/m、Kt=85270N/m、C=754N·s/m；主动悬架反馈系数的选择为l1=7592 N/m、l2=-481 N·s/m、l3=1916 N·s/m，汽车行驶车速取u=20m/s. 在Matlab/simulink环境中，更改路面不平度系数便可得到不同等级的路面模拟[5-6].因C级路面的状况比B级路面稍差，为了更好的对比被动悬架与主动悬架的性能差异，以下均以C级路面的不平度作为车辆振动输入. 图6为两种悬架在相同路面不平度激励下车身位移的对比，可以看出主动悬架的车身位移明显比被动悬架小，说明在相同路面激励下，主动悬架的振幅明显比被动悬架小；图7为两种悬架在相同路面不平度激励下的车身加速度的对比，同样也可以看出，主动悬架的车身加速度明显小于被动悬架，说明主动悬架能更好的衰减振动；图8为两种悬架的悬架行程的对比，可以看出主动悬架的悬架行程小于被动悬架，但是差异并不大，这主要与主动悬架的反馈系数的选择有关，在具体设计时可以同过优化设计的方法选择最佳值，从而达到最理想的效果.

图6 两种悬架车身位移对比

图7 两种悬架车身加速度对比

图8 两种悬架的悬架行程对比

5 结语

通过建立被动悬架与主动悬架的车身车轮两自由度振动模型，在Matlab/simulink环境中进行了仿真，并对两种悬架的车身垂直位移、车身加速度、悬架行程等几个方面进行了对比. 对比结果表明，主动悬架能通过对刚度和阻尼的动态调节，使汽车在任何行驶工况下都能更好的起到吸收冲击、衰减振动的作用，表现出更佳的平顺性和乘坐的舒适性.

[1] 陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[2] 陈家瑞, 马天飞. 汽车构造[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008.

[3] 余志生. 汽车理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[4] CROLLA DAVE, 喻 凡. 车辆动力学及其控制[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

[5] 劳毅仁. 汽车主动悬架控制系统的研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[6] 王正林, 王胜开. MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

(责任编辑：徐 杰)

Simulation Research on Active Suspension of Vehicle Based on Matlab

DENG Li-jun
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiangfan University, Xiangyang, 441053)

Considering different suspensions have their own performance characteristics, the body and wheel two degrees of freedom vibration model of passive suspension and active suspension have been established respectively, using the white noise method to imitate road roughness random input which was based on Matlab and comparing the performance of passive suspension and active suspension. The simulation results showed that the active suspension can attenuate vibration greatly which made it has better ride comfort.

Vehicle; Active suspension; Passive suspension; Matlab

U461.4; U463.33

A

1009-2854(2012)02-0025-04

2011-11-21

邓利军(1981— ), 男, 湖北天门人, 襄樊学院机械与汽车工程学院助教.