基于MATLAB的對(duì)行駛平順性影響因素的分析

王子軒

基于MATLAB的對(duì)行駛平順性影響因素的分析

王子軒

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

通過(guò)分析現(xiàn)代車(chē)輛的結(jié)構(gòu)形式，簡(jiǎn)化條件，確定二自由度模型。根據(jù)二自由度模型中運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立系統(tǒng)的微分方程，利用Matlab/Simulink仿真軟件建立求解的整車(chē)二自由度振動(dòng)仿真模型，然后輸入隨機(jī)激勵(lì)，分析車(chē)身加速度響應(yīng)、輪胎垂直方向動(dòng)載荷等行駛平順性指標(biāo)，得到減振器阻尼和懸架剛度對(duì)行駛平順性的影響。

二自由度；MATLAB；行駛平順性；懸架剛度

汽車(chē)振動(dòng)是影響汽車(chē)性能的重要因素，這種振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重地影響汽車(chē)的平順性和操縱穩(wěn)定性以及汽車(chē)零部件的疲勞壽命[1]。此外，嚴(yán)重的汽車(chē)振動(dòng)還會(huì)影響汽車(chē)的駕駛速度同時(shí)產(chǎn)生噪聲。因此研究車(chē)輛振動(dòng)同時(shí)將它盡可能降到最低，將是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的任務(wù)。

MOHD研究了車(chē)輛在反彈、俯仰、側(cè)傾以及懸架位移方面的加速度，并得出懸架系統(tǒng)可改善動(dòng)態(tài)特性的最佳參 數(shù)[2]。譚喜峰等人研究了前懸架系統(tǒng)的二自由度振動(dòng)模型，推導(dǎo)出主頻率與主振型，并分析出高速通過(guò)該路面容易引起車(chē)輛的高頻振動(dòng)，振幅較大，行駛速度過(guò)高加大了車(chē)輛的翻車(chē)危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性與乘車(chē)舒適性[3]。

本文針對(duì)以上現(xiàn)狀，以二自由度汽車(chē)模型為對(duì)象，進(jìn)行基礎(chǔ)分析，構(gòu)建車(chē)輛振動(dòng)系統(tǒng)物理模型、數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)MATLAB/Simulink分析車(chē)身加速度響應(yīng)、輪胎垂直方向動(dòng)載荷等整車(chē)舒適性指標(biāo)，為改善汽車(chē)的行駛平順性提供 參考。

1 二自由度汽車(chē)模型建立

1.1 簡(jiǎn)化條件

本文研究的對(duì)象是某型家用轎車(chē)，基礎(chǔ)研究因路面不平整產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的整車(chē)振動(dòng)響應(yīng)，重點(diǎn)考慮整車(chē)的垂直方向振動(dòng)。為便于模型建立和模型求解及分析，特定假設(shè)將研究對(duì)象簡(jiǎn)化為二自由度車(chē)輛模型。建立汽車(chē)二自由度系統(tǒng)振動(dòng)方程時(shí)，對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化處理。

筒式減振器阻尼力采用線(xiàn)性黏滯阻尼模型，阻尼系數(shù)為；空氣彈簧簡(jiǎn)化為無(wú)阻尼的線(xiàn)性彈性元件，剛度為。

為了模型簡(jiǎn)單化，優(yōu)先考慮路面不平振動(dòng)輸入的低頻區(qū)域輸入，低頻振動(dòng)區(qū)域更能影響駕駛員和乘客的整車(chē)舒適性能。所以本模型在仿真過(guò)程中，忽略高頻部分僅考慮路面不平振動(dòng)輸入源[4]。

1.2 汽車(chē)二自由度物理模型

二自由度模型一般是為了降低車(chē)身的垂直振動(dòng)而采用的模型，這種模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，前、后懸掛獨(dú)立存在，幾乎不會(huì)受到彼此振動(dòng)影響，所以選用二自由度汽車(chē)振動(dòng)模型，也能較為準(zhǔn)確反映整車(chē)振動(dòng)情況和汽車(chē)的平順性特性。

為描述汽車(chē)振動(dòng)的結(jié)果及進(jìn)行分析，引入輪胎和底盤(pán)懸架2個(gè)自由度，建立汽車(chē)振動(dòng)系統(tǒng)二自由度模型，如圖1所示。在圖1所示模型中，1為非懸掛質(zhì)量（車(chē)輪質(zhì)量），2為懸掛質(zhì)量（車(chē)身質(zhì)量），t為輪胎剛度，為懸架剛度，為減振器阻尼系數(shù)，為路面不平激勵(lì)，1為車(chē)輪垂直位移，2為車(chē)身垂直位移。

圖1 汽車(chē)二自由度物理模型

1.3 汽車(chē)二自由度數(shù)學(xué)模型

根據(jù)牛頓第二定律，建立汽車(chē)二自由度系統(tǒng)微分方程：

在此狀態(tài)方程中需要確定，，，四個(gè)參數(shù)，求得四個(gè)參數(shù)如下：

1.4 建立Simulink模型

根據(jù)微分方程，若激勵(lì)為隨機(jī)激勵(lì)，隨機(jī)不平路面可以用白噪聲積分器或由一階濾波器產(chǎn)生，其時(shí)域模型為：

式（9）中：0為濾波器的下極限截止頻率[5]；r為路面位移；Z（0）為路面不平度系數(shù)；為車(chē)輛行駛速度；（）為白噪音。根據(jù)國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，按照路面功率譜密度將路面不平程度分為8級(jí)，選擇路面等級(jí)B級(jí)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 B級(jí)隨機(jī)不平路面相關(guān)參數(shù)

路面等級(jí)f0n0GZ（n0）u B0.062 8 Hz0.1 m-164×10-6 m320 m/s

根據(jù)二自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型狀態(tài)方程，建立其simulink模型，如圖2所示。

圖2 汽車(chē)二自由度simulink模型

2 仿真分析

2.1 減振器阻尼對(duì)行駛平順性的影響

為分析減振器阻尼對(duì)行駛平順性的影響，采用單一變量的方法，即僅改變減振器阻尼系數(shù)大小，仿真分析車(chē)身加速度響應(yīng)、輪胎垂直方向動(dòng)載荷的變化情況。此時(shí)汽車(chē)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 汽車(chē)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

m1m2ktkt 41.8 kg480 kg224 000 N·m17 900 N·m

減振器阻尼分為三組，分別是=798 N·m/s，= 1 498 N·m/s，=2 198 N·m/s。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 減振器阻尼對(duì)車(chē)身加速度響應(yīng)的影響

圖4 減振器阻尼對(duì)輪胎垂直方向動(dòng)載荷的影響

加速度是人體受振反應(yīng)的物理量之一，從舒適性的角度來(lái)看，汽車(chē)車(chē)身豎直方向上加速度越小越好，由圖3可以分析得，不同減振器阻尼系數(shù)時(shí)，汽車(chē)車(chē)身豎直方向上加速度隨減振器阻尼系數(shù)的增加而增大。動(dòng)載荷即物體在振動(dòng)過(guò)程中受到振動(dòng)、環(huán)境等因素影響下所受的沖擊。由圖4可得，隨著減振器阻尼系數(shù)的增大，輪胎垂直方向動(dòng)載荷峰值增加，但變化幅度變小，振動(dòng)減小。

綜合分析可知，隨著阻尼增加，車(chē)身加速度也增加，但在一定范圍內(nèi)，隨著阻尼的增加，懸架系統(tǒng)振動(dòng)吸能越好，振動(dòng)衰減越快，因此，應(yīng)該合理選擇懸架阻尼的大小，從而提高車(chē)輛行駛的平順性。

2.2 懸架剛度對(duì)行駛平順性的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)減振器的參數(shù)和種類(lèi)可以改變懸架剛度，因此需要探討懸架剛度變化對(duì)行駛平順性的影響。為分析懸架剛度對(duì)行駛平順性的影響，采用單一變量的方法，即僅改懸架剛度大小，仿真分析汽車(chē)車(chē)身加速度、輪胎動(dòng)載荷的變化情況。此時(shí)汽車(chē)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 汽車(chē)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

m1m2k1c 41.8 kg480 kg224 000 N·m1 498 N·m/s

懸架剛度分3組，分別是2=9 900 N·m，2=17 900 N·m，2=25 900 N·m。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5中波的密集程度、峰值高低可以分析得：不同懸架剛度時(shí)，汽車(chē)車(chē)身豎直方向上加速度隨懸架剛度的增加而增加。由圖6可得，隨著懸架剛度的增大，輪胎垂直方向動(dòng)載荷峰值增大。

圖5 懸架剛度對(duì)車(chē)身加速度響應(yīng)的影響

圖6 懸架剛度對(duì)輪胎垂直方向動(dòng)載荷影響

綜合分析可知，隨著懸架剛度的增加，車(chē)輛振動(dòng)加強(qiáng)，平穩(wěn)性變差，適當(dāng)降低懸架剛度，可以減弱車(chē)輛振動(dòng)，提高車(chē)輛行駛平順性。

3 結(jié)論

利用Matlab/Simulink仿真軟件分析整車(chē)二自由度振動(dòng)仿真模型，然后輸入隨機(jī)激勵(lì)，基礎(chǔ)分析影響汽車(chē)行駛平順性的指標(biāo)的變化規(guī)律，并得到以下結(jié)論：①減振器阻尼減小，懸架剛度減小，均會(huì)使汽車(chē)垂直方向上加速度減小，此時(shí)有利于保持車(chē)內(nèi)乘坐者的舒適性；②減振器阻尼增大，懸架剛度增大，均會(huì)使汽車(chē)輪胎垂直方向動(dòng)載荷增大，此時(shí)不利于提高汽車(chē)行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。

［1］靳曉雄.汽車(chē)振動(dòng)分析［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［2］MOHD A.Parametric optimixation for the design of passenger vehicle suspension system with the application of genetic algorithm［J］.International Journal of Vehicle Structures & Systems，2019（4）：154-160.

［3］譚喜峰.二自由度汽車(chē)懸架的動(dòng)態(tài)特性分析［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2017，55（2）： 49-51，88.

［4］王登強(qiáng).基于Sinmulink汽車(chē)振動(dòng)速度響應(yīng)分析［J］.湖北農(nóng)機(jī)化，2019（4）：62.

［5］鮑文博.振動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與MATLAB應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

U461

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.007

2095－6835（2020）08－0018－03

王子軒（1999—），男，本科在讀。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕