汽车被动悬架的建模与仿真

李滨

摘 要：汽车最早应用的是被动悬架，悬架是汽车行驶系的重要组成部分。目前被动悬架应用广泛，通过计算机建模，并建立微分方程，利用现代控制理论的知识，建立二自由度悬架模型的仿真模拟图。分析了悬架在随机输入情况下的悬架动行程、轮胎动位移。仿真出频率函数响应结果曲线。在计算机的模拟与仿真下，对被动悬架有了更深的了解，为进一步工程研究提供了基础。

关键词：被动悬架 建模与仿真 MATLAB/Simulink 1/4悬架

Modeling and Simulation of Automobile Passive Suspension

Li Bin

Abstract：Automobile manufacture first adopted the passive suspension. The suspension is important part of running system of vehicle. The passive suspension is widely used at present. Through computer modeling and establishing differential equation， the simulation diagram of 2-DOF suspension model is established by using the knowledge of modern control theory. The dynamic displacement of suspension and dynamic travel of tire with random input is analyzed in the article. The response curve of frequency function is simulated. Under the computer simulation， we have a deeper understanding of the passive suspension， which provides a foundation for further engineering research.

Key words：passive suspension， modeling and simulation， MATLAB/Simulink， 1/4 automobile suspension

1 引言

懸架（suspension）的定义是汽车底盘的最重要组成部分，使汽车发动机通过离合器、变速箱、传动轴及汽车车桥的半轴和轮胎的连接将旋转运动变成汽车的直线运动。悬架利用刚度和阻尼的变化缓冲地面的冲击，减少汽车的振动。提高汽车的平顺性和操纵稳定性。且悬架是汽车运动中直接与地面接触的部件，是汽车运动不可缺少的部件。连接车身和车轮。汽车悬架主要由弹性元件、导向机构和阻尼器等三部分组成。悬架按导向机构型式、弹性元件和阻尼元件的不同，可分成不同的悬架型式。悬架按弹性元件的不同可分为：钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气弹簧悬架、油气弹簧悬架和橡胶弹簧悬架。悬架按阻尼元件的不同可分为：阻尼系数固定和阻尼系数可调（半主动悬架）。从悬架的参数可控方面讲，汽车悬架有主动悬架和被动悬架之分。从悬架参数是否完全可控角度主动悬架分为主动悬架（刚度、阻尼都可控），和半主动悬架（阻尼和刚度之一可控）。主动悬架按是否有动力源可分为四大类：全主动悬架（有源主动悬架）、慢主动悬架（部分有源主动悬架）、半主动悬架（无源主动悬架）和馈能主动悬架。从主动悬架的动态响应可分为全主动悬架和慢主动悬架。阻尼可调的半主动悬架又可分为连续可调半主动悬架（continuous damping control，无级）和可切换半主动悬架（有级）。根据汽车两侧车轮运动是否相互关联，汽车悬架可分为非独立悬架（rigid axle suspension）和独立悬架（independent suspension）两种形式。独立悬架又分为纵臂式悬架、横臂式悬架、多连杆悬架、烛式悬架、麦弗逊悬架、双叉臂悬架。主动悬架的刚度、减震器的阻尼力以及车身的高度能主动适应汽车行驶状况的悬架。本文介绍被动悬架，被动悬架是弹性元件的刚度和减震器的阻尼力（不变）只能被动适应汽车行驶状况的悬架。被动悬架的缺点是：当载荷、车速、路况等行驶状态变化时，悬架不能满足各种行驶状态下对悬架行能的较高要求。图1中输入包括路面不平度和车速，振动系统由弹簧、阻尼和车身—车轮质量组成。振动系统输出是车身传至人体的加速度（m/s2），悬架弹簧动挠度fd（m）和车轮与路面之间的动载Fd（N）。系统输出的评价指标是加权加速度均方根值aw（m/s2），撞击悬架限位概率和行驶安全性。

2 建立1/4车模型

1/4悬架模型运动学微分方程：

m22+k2（x2-x1）+c（2-1）=0

m11+c（1-2）+k2（x1-x2）+k1 （x1-q）=0

3 MATLAB/Simulink仿真图

MATLAB是科学计算的有效工具，既可以编程又可以进行无需大量编程的语言或工具。MATLAB/Simulink仿真系统是MATLAB2015b最重要的组件之一，能够使用户和系统交互进行动态系统建模、仿真和综合分析。利用Simulink toolbox工具箱的仿真模块建立系统的仿真图，得出1/4被动悬架的车身动位移、车轮动位移的仿真结果。

通过MATLAB/Simulink的建模与仿真，使被动悬架的设计计算可视化。为悬架的设计优化提供依据。在仿真的基础上，利用仿真结果绘制出频率响应结果曲线和时域响应结果曲线，为被动悬架的设计提供了参考。更真实的反应了被动悬架的动力学情况。

3 结语

目前对被动悬架的模拟与仿真参考文献较少，本文的目的是为了为工程师、研究生的学习和设计被动悬架提供了依据。为悬架参数设计与优化提供了技术基础。

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