二分之一车辆悬架系统的动力学仿真研究

作者:唐志桥 刊名:公路与汽运 上传者:王全

【摘要】建立了二分之一车辆悬架系统的数学模型,应用MATLAB/Simulink建立该系统的仿真模型,对车辆以两种速度分别通过台阶和坡路时悬架各性能指标的响应进行研究,分析不同路面激励、不同速度对悬架性能的影响;提出在悬架设计时应考虑车辆行驶在特殊路面的情况以实现悬架参数最佳匹配,从而使悬架性能达到最优,扩大悬架在更大范围内的适应性和实用性。

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悬架系统将车轮与车身联系起来,其主要作用是缓和由于路面不平而传给车身的冲击,衰减由路面冲击引起的车身振动,传递作用在车轮和车身之间的力和力矩。轿车性能与其悬架有着密不可分的关系,悬架系统对轿车的操纵稳定性、行驶平顺性等起着重要作用。悬架系统是一个比较复杂的多体系统,其构件之间的运动关系十分复杂。为研究悬架的性能,该文对悬架系统进行简化,建立其数学和仿真模型,运用MATLAB/Simulink进行仿真研究。1悬架系统动力学方程的建立二分之一车辆悬架系统模型如图1所示。mc为二分之一车身质量;Ic为二分之一车身转动惯量;c为车身质心处的俯仰角;zc为质心垂直位移;z2、z4为前、后车身垂直位移;a、b为车身质心至前、后轴的距离;L为轴距,L=a+b;mwf、mwr为前、后轮非簧载质量;Ktf、Ktr为前、后轮胎的刚度;z0f、z0r为前、后轮地面垂直位移;Ksf、Ksr为前、后悬架减振弹簧的刚度;Csf、Csr为前、后悬架阻尼系数;z1、z3为前、后轮胎垂直位移。图1二分之一车辆悬架系统模型由于前后轮行驶在同一车辙上,前、后轮处路面输入z0f、z0r只相差一时间滞后量t:t=L/u(1)式中:u为车速。以弹簧不变形时的位置为坐标原点建立系统动力学方程。其中上面半个车身的受力如图2所示,其平衡方程为:Ff+mcg+FI+Fr=0(2)Icc-aFf+bFr=0(3)式中:Ff为前悬架力,Ff=Ksf(z2-z1)+Csf(z2-z1);Fr为后悬架力,Fr=Ksr(z4-z3)+Csr(z4-z3);FI为质心惯性力,FI=mczc。图2半个车身的受力分析将Ff、Fr、FI的计算公式代入式(2)和式(3)并整理得:mczc=-Ksf(z2-z1)-Csf(z2-z1)-Ksr(z4-z3)-Csr(z4-z3)-mcg(4)Icc=aKsf(z2-z1)+aCsf(z2-z1)-bKsr(z4-z3)-bCsr(z4-z3)(5)前轮的受力分析如图3所示,其平衡方程为:Ftf+mwfg+FIf+Ff=0(6)式中:Ftf为前轮垂直力;FIf为前轮惯性力,FIf=mwfz1;Ff为前悬架力,Ff=-Ff。图3前轮的受力分析将Ff、FIf、Ff的计算公式代入式(6)并整理得:mwfz1=-Ftf+Ksf(z2-z1)+Csf(z2-z1)-mwfg(7)同理可得后轮的运动方程为:mwrz3=-Ftr+Ksr(z4-z3)+Csr(z4-z3)-mwrg(8)这里规定Ftf值如下:Ftf=0z1z0fKtf(z1-z0f)z1<z烅烄烆0f(9)同样地,后轮垂直力Ftr也符合这个规定。因此,当轮胎脱离地面(z1z0f,z3z0r)时,二分之一车辆悬架动力学方程为:mczc=-Ksf(z2-z1)-Csf(z2-z1)-Ksr(z4-z3)-Csr(z4-z3)-mcgIcc=aKsf(z2-z1)+aCsf(z2-z1)-bKsr(z4-z3)-bCsr(z4-z3)mwfz1=Ksf(z2-z1)+Csf(z2-z1)-mwfgmwrz3=Ksr(z4-z3)+Csr(z4-z3)-mwr烅烄烆g(10)当轮胎接地(z1<z0f,z3<z0r)时,二分之一车辆悬架动力学方程为:mczc=-Ksf(z2-z1)-Csf(z2-z1)-Ksr(z4-z3)-Csr(z4-z3)-mcgIcc=aKsf(z2-z1)+aCsf(z2-z1)-bKsr(z4-z3)-bCsr(z4-z3)mwfz1=-Ktf(z1-z0f)+Ksf(z2-z1)+Csf(z2-z

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