某轿车前悬架系统参数设计与仿真分析

2018-05-26薛玉斌沈子鉴李刚

汽车实用技术 2018年8期

薛玉斌，沈子鉴，李刚

（1.锦州万得汽车技术有限公司，辽宁锦州 121007；2.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州 121001）

前言

汽车平顺性也称为汽车舒适性，是汽车重要性能之一[1]。对于轿车而言，客观上要求具有良好的平顺性，而悬架系统设计直接影响轿车的平顺性的好坏，如何对轿车悬架系统参数进行合理设计，同时缩短开发周期，是轿车开发中的一个重要课题。文献[2-5]给出了悬架系统和弹性部件设计方法，但是对于参数最终选取合理性没有给出仿真实验验证方法。论文以某轿车为例，进行前悬架系统参数设计，并通过仿真手段对重要参数选取合理性进行验证。

1 悬架刚度和挠度计算

整车轴距为 2300mm，前轮轮距 1215mm，满载时前轴荷为530kg，后轴荷为490kg。前悬架非簧载质量约占簧载质量的1/6。设前悬架簧载质量为m1，计算得到m1为454kg。

1.1 刚度计算

汽车前悬架与其簧载质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。悬架自振频率选取的主要依据是ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》。乘用车前悬架满载固有频率要求在 1.00―1.45Hz，一般在0.80―1.15Hz[2-3]。设该轿车前悬架固有频率为n1，选取为1.1Hz。汽车前悬架固有频率n1可用下式表示：

式中，c1为前悬架的刚度（N/m）；m1为前悬架簧上质量。将m1代入上式，得：

单边刚度为10839.5。

1.2 静挠度与动挠度计算

1.2.1 静挠度计算

悬架的静挠度是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时的悬架的刚度之比。悬架的静挠度直接影响车身振动的频率，必须正确选取悬架的静挠度保证汽车平顺性。当采用弹性特性为线性变化的悬架时，计算前悬架的静挠度：

式中：g为重力加速度，取9810mm/s2。

1.2.2 动挠度计算

悬架的动挠度是指悬架从满载静平衡位置开始压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对于车架（或车身）的垂直位移。为了防止在不平路面上行驶时经常冲击缓冲块，悬架还必须具备足够大的动挠度，轿车静、动挠度取值范围为分别为 100mm～300mm、70mm～90mm，动挠度与静挠度之比一般大于0.5。设前悬架动挠度为fd1，则= 102.5mm，取fd1=103mm。

2 减振器性能参数计算

2.1 减振器相对阻尼系数

相对阻尼系数的物理意义是减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量ms的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。ψ值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击传到车身；ψ值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数ψY取得小些，伸张行程的相对阻尼系数ψS取得大些。两者之间保持ψY=(0.25～0.50)ψS的关系。

设计时，先选取ψY与ψS的平均值ψ。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取ψ=0.25～0.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，ψ值取小些。对于行使路面条件较差的汽车，ψ值应取大些，一般取ψS＞0.3；为避免悬架碰撞车架，取ψY=0.50ψS[2-3]。

该轿车为微型轿车选取：前悬架相对阻尼系数ψ前=0.3，则伸张行程时的相对阻尼系数ψS=0.4，压缩行程时的相对阻尼系数ψY=0.2[2-3]。

2.2 减振器阻尼系数δ的确定

减振器阻尼系数则前悬架阻尼系数δf。

由此可得伸张阻尼系数δs=2510Ns/m，压缩阻尼系数δY=1255Ns/m。

3 振动系统建模与仿真分析

汽车在一定路面上行驶时，其振动量（振幅、振动速度及加速度）的大小取决于汽车的质量、悬架刚度、阻尼等结构参数。论文建立 1/4汽车振动系统模型，应用Matlba/Simulink建立仿真模型，对设计的参数进行仿真分析。

建立二自由度汽车振动系统动力学模型[6]如图1所示。

图1 汽车振动系统模型

图中参数意义：Z1为非簧载质量垂直位移；Z2为簧载质量（车身质量）垂直位移；q为路面不平度；K为悬架刚度；Kt为轮胎刚度；C为减振器阻尼系数。

将车辆两自由度振动模型动力学方程写成矩阵形式：

即：

对式子（2）进行求解：

按这种方法对（3）进行求解，即可得到公式（4）求出簧载质量和非簧载质量的垂直加速度。

路面不平度即路面谱可通过基于滤波白噪声法建立路面随机激励时域进行描述：

u是纵向车速，（B级路面）是参考空间频率n0=0.1m-1下路面功率谱密度值，n00=0.01m-1是路面空间截止频率。

悬架动挠度：

车轮动载荷：

车轮相对动载荷：

根据前面公式（2）～（8），应用Matlab/simulink[7]建立的车辆振动两自由度动力学模型，如图2所示。仿真工况B级路面，车速70km/h，仿真曲线如图3到图6所示。

图2 车辆振动两自由度动力学Matlab/Simulink模型

图3 路面谱功率谱密度曲线

图4 车身垂直加速度功率谱密度

如图3-图6为路面功率谱密度、车身垂直加速度、悬架动挠度、车轮相对动载荷功率谱密度仿真曲线。如图 4、5所示，可以看到所设计的前悬架刚度和阻尼匹配后车身振动固有频率为1.1Hz，悬架动挠度对应固有频率为1.2Hz，二者峰值较小，悬架系统能保证车辆振动过程中避免悬架限位块对车架撞击，图6所示的车轮相对动载曲线峰值较小，说明在较高速行驶时汽车具有良好安全性，设计出的悬架刚度和阻尼参数满足平顺性要求。