装有动力调节悬架系统车辆的频域建模与仿真

张邦基+易金花+张农+章杰+王立夫+熊传枫

摘 要：以某越野车为样车，首次建立了装有动力调节悬架系统的车辆动力学频域模型，采用阻抗传递矩阵获得油路的阻抗阵，通过数值优化迭代寻根方法，求解模态特征值，并与建立的不带横向稳定杆的整车模型和带横向稳定杆的整车模型进行模态参数对比和模态分析.结果表明，动力调节悬架系统使车辆在保持原有乘坐舒适性的同时，能有效抑制转弯时车体的侧倾运动，且大幅降低簧下的扭转刚度，越野路面时车轮能充分接触地面，提高车辆通过性能.

关键词：模态分析；动力调节悬架系统；整车动力学模型；阻抗阵

中图分类号：U463.33 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）10-0008-08

Abstract：This paper took an SUV vehicle as the prototype， established a frequency-domain model of vehicle with KDSS-fitted， based on the transfer matrix method to derive the impedance matrix of hydraulic subsystem， solved the eigenvalue in numerical optimization iteration method， compared and analyzed the modal parameters of KDSS-fitted vehicle， ARB-fitted vehicle and no-ARB-fitted vehicle model. The results indicate that KDSS is able to effectively reduce the roll motion of sprung mass in the same way as anti-roll bar， and simultaneously maintain the ride comfort performance. At the same time， the wheel torsion stiffness， compared with ARB， is greatly reduced. This gives the wheels full contact with the ground and improves the passing ability of the vehicle.

Key words：modal analysis；kinetic dynamic suspension system； vehicle dynamics model； impedance matrix eigenvalue identification

汽车横向稳定杆（Anti-Roll Bar， ARB）能提高侧倾刚度，抑制转弯时车身侧倾，但ARB将左右车轮互联，在通过越野路面时，降低了车辆的通过性和越野性.针对这一问题，目前主要的解决方法有主动式横向稳定杆、液压互联悬架、主动悬架及动力调节悬架系统（Kinetic Dynamic Suspension System， KDSS）等.

主动式横向稳定杆一方面能平衡车身的侧倾力矩，提高车辆稳定性，另一方面能调节力矩的分配，从而调节汽车的动力特性，保证车辆的通过性.Gosselin-Brisson等[1]设计的一款主动式横向稳定杆，对越野路面的通过性及乘客舒适性都有很大的提高；Cronje等[2]设计的主动横向稳定器与半主动悬架结合，实现越野车在平顺性、操稳性模式之间的切换；李显生[3]对装有主动横向稳定器的实车进行了多项实验研究.

液压互联悬架系统是一套悬架辅助系统，不同的互联形式和结构对车辆行驶性能影响不同.郭孔辉等[4]提出多种液压式耦联悬架系统以改善车辆的操稳性和通过性；文献[5-7]提出了液压悬架不同的互联方式，对车辆有抗侧倾、抗俯仰、抗垂向和消扭等不同的作用效果，在频域和时域对液压互联悬架进行了理论推导和试验验证.

主动悬架能够根据车辆的运动状态，实时调节悬架的刚度和阻尼，但需要较大的能量输入，且成本较高.Aoyama等[8]研发的主动油气悬架系统将压力控制阀同小型蓄能器和液压油缸相结合以降低能量损耗，并实现对刚度和阻尼的调节；郭孔辉等[9-11]建立了车辆模型，从车辆平顺性和操稳性出发，设计最优控制器；周兵等[12-14]对主动悬架控制器进行了深入研究和有效设计.

KDSS包含断开式横向稳定杆及液压系统[15]，相比于传统横向稳定杆，兼具抗侧倾和消扭性能；相比于液压互联悬架，结构更为简单；相比于主动和半主动悬架，成本更低，无电子控制部分.该技术虽已运用到丰田公司的部分高端越野车上，但缺乏深入系统的理论分析.本文通过建立KDSS频域模型，结合整车7自由度模型，与传统的不带ARB车辆和带ARB车辆进行整车性能对比分析，从理论上验证KDSS能提高车辆侧倾刚度，降低簧下扭转刚度，且对车身垂向刚度和俯仰刚度影响很小.

3 结果分析

根据表2～表4的结果，对装有KDSS整车分别与不带ARB、带ARB的车辆进行模态对比分析.

安装KDSS之后，越野车的各模态产生了变化.相对于不带ARB车辆的侧倾模态频率1.5 Hz，装KDSS车辆增大到1.546 Hz，说明KDSS能提高整车的侧倾刚度，而侧倾模态的阻尼比变化很小，说明在不考虑作动器和管路阻尼的情况下，KDSS对原车阻尼影响很小；相对于不带ARB悬架车辆的俯仰模态频率3.36 Hz，装KDSS车辆增大到3.4 Hz，说明KDSS对整车的抗俯仰性能有所提高，但幅度较小；车身垂向模态的固有频率从1.95 Hz 增大至 1.96 Hz，幅度很小，可以忽略.以上结果证明安装KDSS之后整车车身侧倾模态的固有频率提高了，对车身垂向模态和俯仰模态的影响不大，装有KDSS车辆的车身侧倾刚度提高可以有效地提高车辆在转弯时的安全性，抑制车辆侧翻现象的发生.

相对于带ARB车辆，安装KDSS车辆的车轮扭转模态固有频率从12.90 Hz 减小到12.57 Hz，有明显降低，与不带ARB车辆的车轮扭转模态固有频率相差较小，扭转固有频率的下降说明KDSS在扭转路面时会解除ARB的作用，使悬架的动挠度增大，车轮能充分接触到地面，车辆的越野性和通过性变好.对于在崎岖山路行驶的越野车辆而言，它的作用是必不可少的，并且对车身而言，减小或消除了4个橡胶套接触点扭转力的作用，释放了车身受到的扭转力，延长了车辆的使用寿命.

4 结 论

建立了装有KDSS的车辆频域模型，利用传递矩阵法推导出液压系统每个回路的阻抗阵，组成通路矩阵，运用寻根求最优特征值方法，获得了机械液压耦合系统的特征值.分析了KDSS的模态特性，与不带ARB车辆和带ARB车辆的频域模型进行了对比，结果表明，KDSS与传统ARB一样，提高了车辆侧倾刚度，并且KDSS消除了稳定杆的扭转，降低了簧下的扭转刚度， 使车轮能充分接触地面，保证了车辆良好的通过性.

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