汽车半主动悬架减震器阻尼匹配设计

郭建辉，邹金校，高恩壮

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

设计研究

汽车半主动悬架减震器阻尼匹配设计

郭建辉，邹金校，高恩壮

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

半主动悬架作为汽车悬架发展的主要方向，具有良好的性价比。对于阻尼可控半主动悬架，阻尼的匹配对悬架系统至关重要。文章从保证汽车舒适性和安全性角度出发，研究汽车半主动悬架最佳阻尼匹配方法。首先分别从保证悬架系统最舒适和最安全出发研究悬架阻尼比，然后确定半主动悬架最佳阻尼比[1]，最后匹配悬架最佳阻尼系数。

减震器；阻尼匹配；阻尼比

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-01-03

前言

汽车的悬架系统与汽车的两个主要性能指标——行驶平顺性和操纵稳定性是密切相关的。对于长期占统治地位的被动悬架是在一种特定路面输入条件下假设悬架系统的刚度和阻尼参数是固定不变的，这样的悬架系统不能满足使用的各种工况变化，如：汽车空载、满载时悬挂质量的变化，车速和路况在行驶过程中的较大变化[2]。而以实时控制为目的、同时兼顾行驶舒适性和操纵稳定性的主动悬架系统，需要高响应带宽作动器，而高带宽的作动器必然机构复杂，造价高、耗能巨大，因此主动悬架会大大增加成本和能量消耗，还无法得以普遍应用[3]。介于被动悬架和主动悬架之间的半主动悬架则结构较简单，性能上接近于主动悬架，成本和能量消耗却比主动悬架低得多而得以迅速发展。综合考虑性能和成本的因素，半主动悬架的性价比最高，应该是今后悬架系统的主要发展方向，具有广阔的市场前景。

减振器是车辆悬架的主要阻尼元件，它和悬架弹性元件并联于车身和车轮之间，应用最多的是筒式液压减振器，其阻尼力主要是由减振器阀系参数，即复原阀、补偿阀、压缩阀和流通阀决定的。目前，国内外对减振器阀系参数设计还没有准确、可靠的设计方法，大都是凭经验首先确定一个设计参数，然后经过反复试验和修改，最后才确定出参数值。然而，减振器有多个阀系参数，它们之间是相互影响的，对于每个设计参数需要经多次试验才可最终确定。因此，传统减振器阀系参数设计方法，不能满足汽车减振器设计和生产的需要[4]。

对于阻尼可变式的半主动悬架，可根据行驶情况改变减震器的阻尼系数来保证汽车行驶的舒适性和安全性。但阻尼系数调节要在保证行驶舒适性和安全性的范围内进行调节，本文从保证汽车行驶安全性和舒适性出发，讨论半主动悬架最佳阻尼匹配的设计方法。

1、悬架系统模型

悬架系统阻尼比是由悬架系统参数所决定的[5]，即有簧上质量、悬架弹簧和减震器阻尼所决定的，它决定车辆悬架的特性，对车辆行驶平顺性和安全性具有重要的影响，同时，悬架系统阻尼比的设计或选取，也是设计悬架系统各组成部件所依据的重要参数。

1.1 二自由度悬架系统

当悬架质量分配系数的数值接近1时，可以把汽车悬架简化为二自由度振动系统，如图1所示。

二自由度悬架系统的振动微分方程可以表示为：

对式（1）进行拉普拉斯变换，可得：

图1 二自由度悬架系统

式中，rk为刚度比，rm为质量比，ω0为车身固有频率

令s=jω,带入式（2），求得z1和z2对路面不平度输入q的频响函数分别为：

根据振动响应与输入量的频率响应函数之间的关系[6]，可求得车轮与车身振动相应加速度和，对路面不平度输入速度的频响函数分别为：

1.2 车身垂直加速度均方值

当车辆在不同等级公路上行驶时，可把路面速度输入的谱视为白噪声，即：

式中，n0为参考空间频率，n0=0.1 m-1，v为车速。

根据配置模型公式(6)与(7)与求解步骤，经过三次赋值，得出江苏省各地区医疗卫生资源床位数与医生数的现状年(2016年)最优配置方案，如表1所示。

根据随机振动理论，响应均方值为：

因此，根据频响函数式（4）及式（5），可得到车身垂直加速度˙的均方值为：

2、半主动悬架动力模型

四分之一汽车半主动悬架模型，如图2所示，作为阻尼可变式半主动悬架，需要确定其阻尼的变化范围。

图2 四分之一汽车半主动悬架模型

二自由度四分之一汽车半主动悬架的振动方程为：

因此需要确定减震器阻尼系数的范围，需要研究阻尼匹配方法。

3、阻尼匹配方法

3.1 基于舒适性的车辆悬架最佳阻尼比

3.2 基于安全性的悬架系统最佳阻尼比

根据车轮动载荷频响函数式（5），（7）和（8），可得到车轮动载荷的均方值为：

因此，基于安全性的车辆悬架最佳阻尼比为：

3.3 半主动悬架系统最佳阻尼匹配

半主动悬架系统基于安全性和舒适性的数学模型为：

式中，ξ*为基于不同行驶路况、车速v和单轮簧上质量情况下的最佳阻尼比为悬架系统最舒适所对应的阻尼比；ξoc为悬架系统最安全所对应阻尼比。

半主动悬架系统最佳阻尼系数为：

4、设计实例

对于某半主动悬架的轿车，质量比rm=10，刚度比rk=9，因此，将其带入式（12）可求得基于舒适性的车辆悬架最佳阻尼比为ξoc=0.1748；带入式（14），可得基于安全性的车辆悬架最佳阻尼比为ξos=0.4136。

则该车半主动悬架基于安全性和舒适性的数学模型[8]为：

其中，csc为最舒适时悬架系统所要求的阻尼系数，为最安全时悬架系统所要求的阻尼系数，

由此得半主动悬架系统最佳阻尼匹配时阻尼系数的范围。此范围为半主动悬架的阻尼系数的调节范围。

[1]余志生.汽车理论机械[M].工业出版社,1999.

[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社,2009.

[3]徐伟，周长城.农业装备与车辆工程[J].汽车悬架阻尼匹配研究及减震器设计2009：19-22.

[4]王世明.半主动悬架及其控制技术.汽车技术,1999(12)：1-3.

[5]崔胜民.汽车系统动力学与仿真[M].北京：北京大学出版社,2014.

[6]李清泉.自适应控制理论设计与应用.科学出版社,1990：32-49.

[7]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社,2004.

[8]靳晓雄,张立军,江浩.汽车振动分析.同济大学出版社,2002：90-130.

Damping Matching Design of Automotive Semi-active Suspension

Guo Jianhui, Zou Jinxiao, Gao Enzhuang
( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi 'an 710064 )

Semi-active suspension as the main direction of the development of automotive suspension, has a good price. For damping controlled semi-active suspension, the damping of the matching is essential to the suspension system.In this paper, from the perspective of vehicle comfort and safety, this paper studies the optimum damping matching method of automotive semi active suspension system.At first, the suspension damping ratio is studied from the most comfort and safety of the suspension system, and then the optimal damping ratio of the semi-active suspension is determined[1], and the optimal damping coefficient of the suspension system is matched.

shock absorber; the damping match; damping ratio

U461.9

A

1671-7988(2017)02-01-03

郭建辉，就读于长安大学汽车学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.001