車輛半主動(dòng)懸架減振支柱的剛度特性分析

黃大星

韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院 廣東省韶關(guān)市 512005

汽車懸架結(jié)構(gòu)關(guān)系到汽車平順性能，隨著我國(guó)車輛保有量的增加，車輛使用者對(duì)車輛的舒適性、操縱性、穩(wěn)定性和可靠性的要求日益提高。為了提高車輛使用性能，車輛設(shè)計(jì)者們努力不斷，加之電子技術(shù)以及傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，為電控懸架的產(chǎn)業(yè)化提供了保障，汽車懸架系統(tǒng)控制技術(shù)的研發(fā)不斷受到動(dòng)力學(xué)及其控制領(lǐng)域的關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)電控減振支柱組成結(jié)構(gòu)分析，推導(dǎo)了一種新型減振支柱關(guān)鍵部件——雙氣室空氣彈簧的數(shù)學(xué)模型，對(duì)進(jìn)行仿真分析。

1 新型減振支柱的結(jié)構(gòu)組成

汽車獨(dú)立懸架主要使用的類型有橫臂式獨(dú)立懸架、縱臂式獨(dú)立懸架，車輪沿主銷移動(dòng)式懸架和多桿式懸架，其中車輪沿主銷移動(dòng)式懸架主要是燭式懸架和麥弗遜式懸架。麥弗遜式懸架普通運(yùn)用于汽車的前獨(dú)立懸架，其減振支柱是內(nèi)外嵌套式結(jié)構(gòu)，主要組成構(gòu)件為螺旋彈簧和液壓減振器。為了提高乘用車平順性，本文在原有的前、后懸架減振支柱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將單向筒液力減振器與空氣彈簧進(jìn)行同軸一體式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型減振支柱的結(jié)構(gòu)組成

同軸一體式減振支柱結(jié)構(gòu)組成是由支承座1、浮動(dòng)活塞13 與油缸筒10 形成一個(gè)浮動(dòng)氣室，減振支柱中主氣室的組成主要由上密封板6、橡膠氣囊5 和氣囊4 本體構(gòu)成，這時(shí)外筒9 充當(dāng)空氣彈簧的活塞。

由振動(dòng)原理可知，汽車行駛到不平路面時(shí)（或左右輪胎氣壓不一致時(shí)），車輛懸架中減振器受到外界壓力（當(dāng)壓縮行程時(shí)）或愛(ài)以到外界拉伸（當(dāng)伸張行程時(shí)），減振器活塞向上或向下移動(dòng)，導(dǎo)致作用在空氣彈簧上的載荷發(fā)生了變化，空氣彈簧的剛度特性也隨之發(fā)生變化，這時(shí)減振器體現(xiàn)出的阻尼特性就會(huì)直接影響到減振支柱壓縮作用力與復(fù)原作用力的比值。由于汽車懸架行程變化的動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，主要包括非線性、外界干擾、控制時(shí)滯等復(fù)雜特性，本文所設(shè)計(jì)的新型減振支柱結(jié)構(gòu)可以通過(guò)浮動(dòng)活塞13 形成動(dòng)力學(xué)耦合聯(lián)動(dòng)的關(guān)系，將汽車行駛導(dǎo)致懸架行程變化的復(fù)雜特性，通過(guò)浮動(dòng)活塞13 的縱向運(yùn)動(dòng)來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)懸架空氣彈簧的彈性緩沖與減振器的振動(dòng)衰減的平衡。

2 雙氣室空氣彈簧的數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用流體力學(xué)中節(jié)流孔氣體“質(zhì)量流量”模型理論，結(jié)合熱力學(xué)理論中變質(zhì)量開(kāi)口絕熱方程，這時(shí)可得雙氣室空氣彈簧的流經(jīng)孔口的氣體“質(zhì)量流量”數(shù)學(xué)模型[1][2][3]：

式中：Pmax=max {P1,P2}，Pa；Pmin=min {P1,P2}，Pa；Tmax——壓力較大氣室氣體的溫度，K；A——節(jié)流口的有效流通面積，m2，把節(jié)流口的有效流通面積與節(jié)流口的實(shí)際面積A0關(guān)系表示為A0=εA，ε稱作收縮系數(shù)，ε取值范圍在0.6～0.9之間[4]。P1——主氣室內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，Pa；P2——浮動(dòng)氣室內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，Pa；

為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，提出以下三個(gè)條件假設(shè)：（1）假定汽車懸架工作條件為常壓；（2）假定汽車懸架工作條件為常溫；（3）假定懸架中的空氣視作理想氣體[4]。這時(shí)車輛半主動(dòng)懸架減振支柱可看作變質(zhì)量開(kāi)口系統(tǒng)，當(dāng)此系統(tǒng)處于絕熱過(guò)程時(shí)，其方程可近似表示為：

式中：P——?dú)怏w絕對(duì)壓力，Pa；V——?dú)怏w容積，m3；m——?dú)怏w質(zhì)量，kg；k——絕熱指數(shù)，基于上述三種條件假設(shè)，這時(shí)k值取1.4。

車輛半主動(dòng)懸架減振支柱中空氣彈簧主氣室與浮動(dòng)氣室內(nèi)氣體的的“質(zhì)量流量”方程可表示為：

綜上，減振支柱雙氣室空氣彈簧的數(shù)學(xué)模型可表示為[5][6]：

3 車輛半主動(dòng)懸架減震支柱剛度特性的仿真模型與仿真分析

3.1 車輛半主動(dòng)懸架減震支柱剛度特性的仿真建模

為了明確一體式懸架減震支柱剛度特性，運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)其建立仿真模型，如圖2 所示。

圖2 減振支柱剛度特性的Simulink 模型圖

半主動(dòng)懸架減振支柱模型所使用的參數(shù)如表1。

表1 半主動(dòng)懸架減振支柱的仿真參數(shù)

3.2 車輛半主動(dòng)懸架減震支柱特性的仿真分析

3.2.1 剛度特性的仿真分析

利用MATLAB/Simulink 仿真模型，將表2 相關(guān)性能參數(shù)代入，仿真模型的初始充氣壓力設(shè)定為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa 三種情況，對(duì)半主動(dòng)懸架前、后新型一體式減振支柱總成剛度與行程的關(guān)系進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖3 和圖4 所示。圖3 是前減振支柱與行程的關(guān)系曲線圖，由圖形曲線可得，當(dāng)行程為-20mm 時(shí)，呈現(xiàn)階躍?？諝鈴椈芍鳉馐业某跏?xì)鈮簽?.56MPa，半主動(dòng)懸架處于靜平衡狀態(tài)。半主動(dòng)懸架前減振支柱剛度值約為10N/mm 時(shí)，半主動(dòng)懸架位移處于零點(diǎn)位置。圖4 是后減振支柱與行程的關(guān)系曲線圖，由圖形曲線可得，當(dāng)行程為-20mm 時(shí)，呈現(xiàn)階躍?？諝鈴椈芍鳉馐业某跏?xì)鈮簽?.46MPa，半主動(dòng)懸架處于靜平衡狀態(tài)。半主動(dòng)懸架后減振支柱剛度值約為12.5 N/mm 時(shí)，半主動(dòng)懸架位移處于零點(diǎn)位置。綜上，認(rèn)為本文所設(shè)計(jì)的半主動(dòng)懸架減振支柱剛度的基本滿足要求。

圖3 前減振支柱總成剛度與行程的關(guān)系

圖4 后減振支柱總成剛度與行程的關(guān)系

3.2.2 總成彈性力的仿真分析

利用MATLAB/Simulink 仿真模型，將表2 相關(guān)性能參數(shù)代入，仿真模型的初始充氣壓力設(shè)定為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa 三種情況，對(duì)半主動(dòng)懸架前、后新型一體式減振支柱總成彈性力與行程的關(guān)系進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。綜合圖5 和圖6 均可以得出，當(dāng)減振支柱總成處在相同的初始?jí)毫r(shí)，減振支柱的彈性力隨著壓縮行程的變大而變大，隨著拉伸行程的變大而變小，并且呈非線性變化。還可以得到隨著減振支柱總成主氣室初始?jí)毫Φ淖兇?，減振支柱的總成彈性力也隨之變大。

圖5 前減振支柱總成彈性力與行程的關(guān)系

圖6 后減振支柱總成彈性力與行程的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，提出了一種半主動(dòng)懸架減振支柱一體化結(jié)構(gòu)，利用MATLAB/Simulink仿真工具，對(duì)新型一體式減振支柱剛度特性進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)懸架前后減振支柱與行程的關(guān)系進(jìn)行的仿真圖中，當(dāng)行程為-20mm 時(shí)，前后減振支柱總剛度均呈現(xiàn)階躍，滿足半主動(dòng)懸架減振支柱剛度的基本要求，為搭建半主動(dòng)懸架一體化減振車輛整車性能分析提供理論。