气动式馈能悬架动力学性能仿真研究

孙富权+马思顺

摘 要：对带有新型馈能减振器及空气弹簧的新型馈能悬架系统进行了研究，在MATLAB/Simulink中进行了建模与仿真。首先文章建立了时域路面不平度的仿真模型以提供模仿路面不平度给悬架系统所带来的刺激，然后分别建立了空气弹簧的仿真模型，进而建立了馈能悬架的仿真模型。对所馈能悬架系统进行仿真，得出数据进行分析。计算在不同等级路面及不同速度下悬架系统的车身加速度的均方根值，对新型悬架系统进行评价。

关键词：路面不平度；空气弹簧；馈能；悬架；仿真模型

中图分类号：U463 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0007-03

随着能源问题的不断加剧，各国纷纷出台法令限制汽车尾气的排放和鼓励新能源汽车的发展，节能已经变成汽车设计（特别是电动车设计）中的首先需要考虑的目标之一。面对解决供能成本与能量利用效率的问题，“馈能”这一概念应运而生。所谓“饋能”就是将汽车散失掉的能量回收进行二次利用以达到降低供能成本和提高能量利用效率的目的。

汽车悬架是一个含有阻尼和弹性元件的非线性振动系统，在发动机和路面不平度等振源的刺激下会产生随机振动。在传统的汽车悬架系统中，这部分由于随机振动而产生的机械能会被减振器以热能的形式耗散掉。许多学者研究表明由减振器阻尼力所产生的能耗在汽车的总能耗中占有很大比重（约占20%左右），可是这部分振动能量却一直未能引起人们的关注从而对它进行利用[1]。悬架作为保证汽车平顺性与舒适性的主要组成部分，在回收能量的过程中其力学特性也是值得关注的。进行实物建模的话，经历时间长、成本高，计算机仿真建模耗时短，成本低，使得产品的研发费用与效率大幅度的提高。利用MATLAB/Simulink仿真软件可以建立数学模型对悬架系统进行仿真研究，并分析悬架系统的主要性能指标。

1 气动式馈能悬架系统模型

1.1 气动式馈能悬架系统工作原理

气动式馈能悬架系统主要由空气弹簧、空气弹簧阀、进排气阀、压力传感器、单向阀、高压气罐、气动馈能马达、干燥剂、空气泵和储气罐组成。当汽车行驶过程中受到路面刺激，底盘发生振动时，空气弹簧由于瞬间的位移变化，内部会产生高压气体，高压气体通过单向阀进入高压储气罐进行稳压后驱动馈能气动马达，产生电能经过调理电路储存到蓄电池中，气动式馈能悬架的工作原理如图1所示。

1.2 二自由度1/4馈能悬架车辆模型

运用车辆动力学模型建立了1/4车体半主动馈能悬架2自由度模型，通过已建立的白噪声时域路面不平度仿真模型仿真其路面刺激在时域内实现仿真。通过仿真我们可以得到装有馈能减振器悬架系统的车身加速度，车身加速度的均方根值可以作为评价悬架系统的平顺性的性能指标。

根据相关的力学与运动学知识可以得1/4车辆模型的运动方程如下所示：

（1）

根据馈能悬架空气弹簧的力学特性数学模型如下所示：

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

式中，A0表示空气弹簧平衡时的有效面积；β表示为空气弹簧有效面积随高度的变化系数；x表示空气弹簧的高度；V0表示空气弹簧平衡时的有效容积；α表示空气弹簧有效容积随高度的变化率；x表示空气弹簧的高度。p为终了状态气体压力；P0为初始状态气体压力；Pa为大气压；V为终了空气弹簧有效容积；γ表示气体多边指数，与气体的热量系数相关。

通过仿真我们可以得到装有馈能悬架系统的车身加速度，车身加速度的均方根值可以作为评价悬架系统的平顺性的性能指标。

1.3 馈能悬架的MATLAB/Simulink模型

馈能悬架系统模型主要由三大部分组成，分别是白噪声路面不平度输入模块、空气弹簧子系统模块，馈能减振器子系统模块。馈能悬架系统的仿真模型如图3所示。

2 仿真与结果分析

汽车的平顺性主要是用来评价汽车在行驶途中，由于路面不平度刺激所带来的冲击和振动对载乘人员舒适性的影响，所以平顺性可以由乘员主观感受进行判断，对于载货汽车还包括保持货物不受损坏的能力，汽车的平顺性是现代高速汽车的重要性能之一。而客观评价法主要是采用车身加速度的均方根值来评价汽车的平顺性[4，5]。其具体计算方法如式（9）计算函数的加权加速度均方根值：

（9）

分别对馈能悬架系统输入A、B和C级路面30km/h、60km/h和90km/h的白噪声路面不平度波形作为馈能悬架的路面刺激进行仿真，模拟车辆在A、B和C级路面分别以30km/h、60km/h和90km/h行驶的情况。从而得出馈能悬架的簧上质量（车身质量）的加速度波形及数据，进而对其进行平顺性的评价。通过仿真结果得出气动式馈能悬架在A、B、C级路面均满足汽车平顺性要求，仿真结果如图4、图5、图6所示。

3 结束语

此处我们通过本文对馈能悬架系统的建模，将不同等级路面及不同速度的路面不平度仿真波形输入对馈能悬架系统进行仿真，可以得出所设计的气动式馈能悬架系统具有机械结构相对简单和平顺性较好等优点。

参考文献：

[1]李志成.汽车馈能悬架的结构选型与性能仿真[D].长春：吉林大学，2009.

[2]黄昆，张勇超，喻凡，等.电动式主动馈能悬架综合性能的协调性优化[J].上海交通大学学报，2009（2）：226-230.

[3]肖启端.车辆工程仿真与分析——基于MATLAB的实现[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]姜鹏.汽车悬架系统的仿真分析与参数优化设[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]曹观波.汽车前悬架系统建模仿真与分析[D].长春：吉林大学，2012.

[6]寇发荣，杜嘉峰，王哲，等.电液半主动馈能悬架非线性建模与协调性优化[J].中国机械工程，2017，28（14）：1701-1707.endprint