轮式车辆半主动悬挂系统动态特性研究

王 强，陈 敏，蔡青格

（63981部队，武汉 430311）

轮式车辆半主动悬挂系统动态特性研究

王 强，陈 敏，蔡青格

（63981部队，武汉 430311）

本文简要介绍目前轮式车辆常用的三种悬挂，对比三种悬挂的系统特性，分析半主动悬挂的优点。以半主动悬挂为研究对象，利用最优控制方法建立，建立轮式车辆半主动悬挂的整车模型，推导半主动悬挂整车模型的状态方程，并利用非经典模态分析法对轮式车辆半主动悬挂进行了推导得到矩阵方程，为后续研究打下基础。

半主动悬挂；整车模型；状态方程

1 前言

悬挂系统起着弹性连接车架与轮胎、减缓和衰减不同道路情况颠簸而引起的冲击振动，确保车辆行驶平稳与驾驶人员的舒适性。性能良好的悬挂应满足车辆高速机动性、高通过性和高乘员舒适性［1］。

被动悬挂系统：主要由弹簧和减振器组成，减振器的阻尼力随着振动速度的增大而增大，振动频率增加，等效刚度增大，对高频衰减能力降低，不能随着路面情况的变化进行调节，结构简单，减振效果一般。

主动悬挂系统：悬挂系统中加入有源可控元件—作动器，按照控制规律产生合适的悬挂力，抑制振动，它由执行机构和决策机构构成闭合控制系统，结构复杂，减振效果优异。

半主动悬挂系统：使阻尼器按照路线和车辆实际情况调整阻尼的大小，做到无极调节，避免了主动悬挂中高成本的作动器和复杂的能量控制系统，结构相对简单，减振效果好。

半主动悬挂相对于被动悬挂在减震效果上有明显的优势，在达到接近主动悬挂性能的同时，又具备结构简单、成本低廉、能耗较低等特点，具有良好的工程应用前景，已成为车辆工程领域的研究热点。彭志召对半主动悬挂的频域控制算法进行了研究［2］，陈兵对履带车辆的半主动悬挂的仿真进行了分析等。本文将以半主动悬挂为研究对象，利用最优控制方法建立半主动悬挂整车模型，通过非经典线性系统模型分析法对整车状态方程进行研究和分析。

2 模型建立

目前对半主动悬挂系统的研究多采用四分之一车体或者半车模型，虽然能够分析，但是和实际工况的响应有着一定的出入，为符合实际运行情况下轮式车辆悬挂的减振效果，考虑车体质心振动和各个车轮轮心自由度的相关性。

假设车身为刚性的，在垂直方向，左右倾斜，前后俯仰方向有三个自由度，通过悬挂系统与车身连接的四个轮子简化成质点，由此组成七个自由度的系统，由动力学理论可得其动力学方程为：

为了更明确的表达系统的振动，用状态方程形式表达得：

用加速计测算出垂直方向的运动（例如

和

这样就得到了轮式车辆半主动悬挂系统整车的状态方程：

得到状态方程后可对车辆进行力学系统状态的分析，为后续悬挂的研究和优化提供基础。

3 模态分析

由于半主动悬挂阻尼器可以调节，不能用经典线性力学系统进行分析，因此采用非经典模态分析法

由公式（3）可得半主动悬挂系统整车模型无外激励情况下的状态方程：

在半主动悬挂系统中可采用LQR优化算法，得到反馈增益矩阵。可得：

以矩阵形式表示可得：

通过对以上分线性系统模态分析方法的分析得到了轮式车辆半主动悬挂矩阵方程，推导分析可以得到系统的特征值和特征向量。

4 总结

本文以轮式车辆为研究对象，建立整车模型，推导出整车的状态方程，再通过非经典模态分析法，得到矩阵方程，可进一步了解整车模型的固有特性和灵敏度。以此为依据考察个参数对整个悬挂系统减振效果的影响，为后续的优化设计体统理论依据。

［1］陈家瑞，马天飞.汽车构造［M］.北京：人民交通出版社，2009：226-242.

［2］彭志召，张进秋，张雨等.车辆半主动悬挂的频域控制算法［J］.装甲兵工程学院学报，2013，27（04）：36-42.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.221