悬架参数对汽车平顺性影响分析

张丽萍，谢黎明



悬架参数对汽车平顺性影响分析

张丽萍，谢黎明

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

悬架参数在汽车研发过程中占有重要地位，直接影响汽车行驶平顺性能。文章采用系统微分方程，以二自由度汽车悬架为模型，使用MATLAB仿真，绘制出功率谱密度图，以此为根据分析减振器阻尼与悬架刚度对车辆行驶平顺性的影响。得出悬架刚度、减振器阻尼对悬架行驶平顺性影响各异，应该在悬架可用的动行程范围内来尽量保证减振器阻尼与悬架刚度减小来增加行驶的平顺性。通过对汽车悬架参数的研究可以降低汽车的研发成本，在一定程度内缩短研发周期。

平顺性；MATLAB；悬架刚度；减振器阻尼

1 前言

汽车平顺性直接影响汽车的使用性能。平顺性的好坏直接影响车内人员的舒适度和车载货物的完整性，较差的平顺性可以直接导致汽车零部件磨损和疲劳损坏。车辆平顺性受到车辆本身和行驶环境两方面的影响。车辆方面，悬架、轮胎、轴距、轮距、车身质量等结构参数都会影响平顺性；行驶环境中的路面激励、车速、风速等外界激励也对平顺性有直接影响。同时人的心理状态也会对评价汽车汽车平顺性的结果产生偏差。在所有因素中，悬架参数的变化是最主要的。

减少悬架系统振动，可以提高汽车的平顺性。提高平顺性的方法目前有两类，一类是从外部环境改善，即提高路面质量，从汽车行驶环境减少振动，另一类是从改善悬架系统，通过提高悬架系统对路面不平输入的隔振特性来增加平顺性。车辆悬架系统是由弹性元件和阻尼元件构成，它对车辆的减振起主要作用。悬架对于车辆行驶性能是最重要。目前对于悬架系统而言，一般只需要用三项参数就可以定量地评价其性能，分别为[1]：车身加速度，悬架动挠度，轮胎相对动载荷。

综上所述，从悬架系统上来说，以上这三项指标是悬架设计过程中着重考虑的性能依据。车身加速度对于汽车平顺性的影响较大，悬架动挠度对悬架的位移和寿命影响较大，车轮动载荷对汽车的抓地性影响较大。根据三项指标对于悬架系统的影响，在设计悬架时尽可能减小它们的参数。下面通过改变悬架参数来研究这三项指标如何变化。

2 路面激励模型建立

2.1 空间频率功率谱密度

根据国际标准化组织ISO文件对路面不平度功率谱进行了等级划分，我国制定的国家标准GB7031中也采用这种方法[2]。路面不平度功率谱密度表达式为：

式中：为空间频率，单位-1；0=0.1-1表示参考空间频率；为频率指数，通常=2；G(0)表示路面不平度系数，单位3。

将式（1）带入式（2）中，频率指数取=2，得到：

种籽衣作为松仁加工产品副产物因含有活性成分和具有生物活性而被加入到食品中，赵梦雅等[13]将松仁种籽衣应用于酸奶中并研究其对酸奶理化性质的影响，Н.Н.Типсина等[14]将松籽衣添加到面包制品中。松籽常被用来烘焙后食用，Schlörmann等[15]研究证明将榛子、杏仁和夏威夷果在低中温（120～160 ℃）条件下烘焙具有更好的风味和营养价值。而烘焙处理对红松种籽衣中活性成分含量和抗氧化活性产生的影响尚未见报道。

从式（3）可以看出，路面速度功率谱密度幅值在其频率范围内为一个常数，幅值大小只与G(0) 有关，即为“白噪声”[3]。

2.2 时间频率功率谱密度

分析汽车振动系统的输入情况需要明确路面不平度和车速。所以不仅需要将空间频率功率谱密度转，还需要时间频率功率谱密度。

当汽车以车速(/)行驶时，输入的时间频率(-1)是车速与空间频的乘积，根据功率谱密度的定义，计算出空间功率谱密度并换算为时间功率谱密度，得出时间频率路面功率谱密度G()的表达式，当=2时，得到：

由式（4）可以看出，时间频率下路面位移功率谱正比于车速、和路面不平度系数G(0)。

2.3 单轮输入建模

当车以速度u匀速行驶时，路面不平度功率谱密度可视为白噪声激励的一阶线性系统的响应，0=0.1-1为标准空间频率。

0为最低截止角频率，（下截止频率0，从0开始的）根据随机振动理论，可以推出单轮路面不平度的微分方程，其中W(t)为白噪声的时域信号，()为激励，00=0.01-1，为路面空间截止频率。

选取路面等级B级，确定路面不平度系数G(0)=64×10-63，车速=50/，以白噪声为路面激励，建立Simulink模型，如图1，可以得到路面激励随时间变化图，如图2。

图1 白噪声路面输入模型

图2 B级路面激励随时间变化图

3 悬架模型建立

3.1 模型简化

1）在路面的激励下，左右两轮所受到的激励相似，认为左右轮的输入一致，忽略车身左右两边的相互作用；

2）汽车对于其纵向轴线对称；

3）忽略轮胎阻尼；

4）系统为线性系统；

5）前后悬架相互独立。

根据以上假设，可以把复杂的汽车简化为车身、车架等悬挂质量和车轮、车轴等非悬挂质量的二自由度振动模型，如图3所示：

图3 二自由度振动模型

3.2 系统的振动微分方程

进行动力学分析时，要对悬挂质量、非悬挂质量进行受力分析，写出系统的振动微分方程。根据牛顿第二定律，可推导出系统的振动微分方程组为：

式中，1为悬架弹簧刚度；2为轮胎等效刚度；c为悬架阻尼系数。写成矩阵的形式：

根据傅立叶变换可以得到：

频率响应函数：

幅频特性：

功率谱密度函数：

3.3 仿真分析

选取1/4参数模型，如表1所示：

表1 汽车1/4模型参数

选取路面等级B级，确定路面不平度系数，车速=50/，分别讨论变阻尼和变刚度两种情况下对悬架平顺性有何影响，用MATLAB软件进行仿真分析[5]。

3.3.1 变阻尼情况

保证车辆其它参数不变，分别作出阻尼为500，1000，1500，2000时的车身垂直加速度功率谱密度图，悬架动行程功率谱密度图和轮胎相对动载荷功率谱密度图。

图4 车身垂直加速度功率谱密度

图5 悬架动行程功率谱密度

图6 轮胎相对动载荷功率谱密度

由图4，5，6 可以看出驾驶员最敏感的频率范围4˙8Hz范围内，阻尼越小越能保证车身垂直加速度功率谱密度和轮胎相对动载荷功率谱密度峰值越小，但阻尼过小会导致悬架动行程过大，增加悬架撞击缓冲块的几率，使平顺性变差，所以应该在悬架可用的动行程范围内来尽量保证悬架阻尼系数减小来增加行驶的平顺性。

3.3.2 变刚度情况

图7 车身垂直加速度功率谱密度

图8 悬架动行程功率谱密度

图9 轮胎相对动载荷功率谱密度

车辆其它参数不变，作出悬架刚度分别为10000，15000，20000，25000时的车身垂直加速度功率谱密度图，悬架动行程功率谱密度图和轮胎相对动载荷功率谱密度图。如图7，8，9。

车辆在行驶过程中，振动的能量主要分布在0˙30Hz之间。图3-4所示随着悬架刚度的增加，在1˙2Hz之间，加速度功率谱密度与轮胎相对动载荷峰值增大，平顺性变差。同样悬架刚度变大会影响悬架动行程，随着悬架刚度的增加，悬架动行程功率谱密度峰值增加，但是增加不明显，但还是应该尽可能的在可控的条件下将悬架刚度减小，以增加行驶的平顺性。

4 结论

本文将汽车简化为二自由度振动系统以研究悬架系统的动力学性能，推导了单轮路面不平度微分方程，系统的振动微分方程组和功率谱密度函数。计算并通过MATLAB绘制出了在B级路面条件下，车身加速度，悬架动动行程和轮胎相对动载荷功率谱密度图。得到悬架参数对车辆行驶平顺性的影响规律。结果表明：悬架刚度、减振器阻尼系数对悬架行驶平顺性影响各异，应该根据具体情况而折中选择。其中悬架刚度主要影响乘坐舒适性，比较小的悬架刚度可以提高乘坐舒适性；而减振器阻尼系数减小可以增加乘坐舒适性，但相应的会增加撞击限位块的概率，所以应该在悬架可用的动行程范围内来尽量保证悬架阻尼系数减小来增加行驶的平顺性。

[1] 叶东.车辆悬架系统及整车平顺性研究[D].陕西科技大学,2017.

[2] 吴省章.路面不平顺输入的汽车动力学随机响应分析[D].兰州大学,2007.

[3] 李仲兴,黄建宇,刘亚威,江洪.白噪声路面不平度时域模型的建立与仿真[J].江苏大学学报(自然科学版),2016,37(05):503-506+524.

[4] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.

[5] 于盛.汽车被动悬架的平顺性分析与优化设计[D].湖南大学,2014.

Analysis of Influence of Suspension Parameters on Vehicle Ride Comfort

Zhang Liping, Xie Liming

( College of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

Suspension Parameter plays an important role in the automotive development process, directly affect the smooth performance cars. In this paper, the system differential equations are used to model the two-degree-of-freedom vehicle suspension. Using MATLAB simulation, the power spectral density map is plotted. Based on this, the impact of damper damping and suspension stiffness on vehicle ride comfort is analyzed. It is concluded that the impact of suspension stiffness and shock absorber damping on the suspension ride comfort is different. It should be ensured that the shock absorber damping and suspension stiffness are reduced to increase ride comfort within the available dynamic travel range of the suspension. By studying the parameters of the vehicle suspension, the research and development costs of the automobile can be reduced, and the development cycle can be shortened to some extent.

ride comfort; MATLAB; suspension stiffness; damper damping

U467

B

1671-7988(2018)21-64-04

U467

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1671-7988(2018)21-64-04

张丽萍，就职于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.023