车辆悬架振动分析

车辆悬架系统振动研究概述
关键词：振动悬架
摘要：
本文简单介绍了车辆振动的相关知识，对其做了简明的分析，由于篇幅有限故只重点介绍了与车辆悬架相关的知识。

根据不同结构悬架的特点，分别介绍与其相关的振动研究内容和成果。

引言
悬架系统是提高车辆平顺性(乘座舒适性)和安全性(操纵稳定性)、减少动载荷引起零部件损坏的关键,。

自70年代以来,工业发达国家开始研究基于振动主动控制的主动/半主动悬架系统。

引入主动控制技术后的悬架是一类复杂的非线性机、电、液动力系统,其研究进展和开发应用与机械动力学、流体传动与控制、测控技术、计算机技术、电子技术、材料科学等多个学科的发展紧密相关。

为此，关于车辆悬架系统振动的研究比较困难，但是其又具有十分重要的实际意义。

一、车辆悬架系统简介
悬架系统的作用主要是连接车桥和车架,传递二者之间的作用力和力矩以及抑制并减少由于路面不平而引起的振动,保持车身和车轮之间正确的运动关系,保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。

悬架系统一般由弹性元件、减振器和导向装置等组成。

其中,弹性元件的作用是承受和传递垂直载荷,缓冲并抑制不平路面所引起的冲击。

按弹性元件分类包括钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架以及气体弹簧悬架。

钢板弹簧是1根由若干片等宽但不等长的合金弹簧片组合而成的近似等强度的弹性梁,多数情况下由多片弹簧组成。

多片式钢板弹簧可以同时起到缓冲、减振、导向和传力的作用,可以不装减振器而用于货车后悬架。

螺旋弹簧用弹簧钢棒料卷制而成,常用于各种独立悬架。

其特点是没有减振和导向功能,只能承受垂直载荷。

扭杆弹簧本身是1根由弹簧钢制成的杆,一端固定在车架上,另一端固定在悬架的摆臂上。

气体弹簧是在1个密封的容器中冲入压缩气体,利用气体可压缩性实现弹簧的作用。

气体弹簧具有理想的变刚度特性。

气体弹簧有空气弹簧和油气弹簧2种。

根据振动控制类型的不同，悬架系统又可以分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。

被动悬架系统参数是基于某种特定路况的优化设计，而车辆在行驶过程中，它的行驶速度、路面的输入以及载荷都会随时间发生复杂的改变，此时系统参数不能随外部环境变化，所以悬架系统便不再为最优肉。

基于上述分析被动悬架难以满足行驶平顺性和操纵稳定性的双重要求。

半主动悬架在结构上仍然是由弹性元件和阻尼元件所组成，与被动悬架的不同之处是半主动悬架使用的阻尼元件是可控阻尼器。

目前对于半主动悬架的研究大都只限于阻尼控制的问题上。

半主动悬架有分级可控式半主动悬架和连续可控式半主动悬架两种。

分级可控式半主动悬架阻尼系数为离散可调，只有几种阻尼系数可供选择切换。

而连续可控半主动悬架阻尼系数为连续可调，阻尼系数可在一定范围内连续调节。

主动悬架在结构上包括传感器、控制器和执行机构三部分。

传感器负责检测运动系统的状态信号，控制器接受传感器的信号，并根据控制结果对执行机构的动作进行控制。

而主动悬架的执行机构通常由能够产生具有一定频率宽度的力或力矩的作动器及相应的外加动力源构成。

下面主要对常用的较的空气弹簧悬架和油气弹簧悬架进行分析，并简要介绍主动悬架和被动悬架的一些控制知识
二、空气弹簧振动特性分析
空气弹簧是在橡胶囊所围成的密闭容器中
加入压力空气，利用空气的可压缩性实现隔振
作用的一种非金属弹簧。

由于空气弹簧具有变
刚度特性，容易得到较低的振动频率,由空气弹
簧组成隔振系统的固有频率在载荷变化时几
图1.带附加气室的空气弹簧乎不变,且可以自动避开共振,从而抑制共振振
幅,进而获得良好的行驶平顺性，并且可以通过高度控
制阀的控制使车体在载荷下的高度保持不变,特别是
空气弹簧隔振系统更容易实施主动控制. 因此国外的
高速旅客列车和豪华旅游汽车上纷纷采用空气弹簧悬
架。

装在汽车上的空气弹簧一般同时装有减振器,且装
有导向机构,其衰减的主要是汽车的垂向振动。

图2.1/4悬架系统力学模型
带辅助气室的膜式空气弹簧如图1所
示，这种空气弹簧在主气室和辅助气室之间
设置节流孔，当空气弹簧振动变形时，主辅
气室之间产生压力差,空气流过节流孔时，
由于阻力而吸收一部分能量,因而具有阻尼
作用。

合适的节流孔径和辅助气室能改善
隔振系统的阻尼特性,有效地抑制共振振
幅。

图2为单自由度1/ 4车模悬架系统的
力学模型，其中M 为1/ 4车模的簧上质量，C1为减振器阻尼。

该系统中，减振器阻尼为固定值，空气弹簧是变刚度的。

通过计算机分析可以得到不同压力下的的振动特性，入图3所示。

三、 油气弹簧振动特性分析
气悬架优越的动态特性使其在工程车辆领域的应用比较广泛，已经用于多种特种车辆和高级轿车上，油气悬架的刚度、阻尼具有明显的非线性特征。

实际油气悬架的特性不仅与其零部件的相对运动速度、位移、加速度有关，还与工作时环境温度、磨擦情况、密封泄漏、油液黏度及油液在油气悬架内流动特性有关。

如图4所示，为简化后的油气弹簧简化模型。

悬架振动特性受很多因素的影响，其中包括缸
筒内径、阻尼孔直和活塞外径等。

当阻尼孔直径变小时，对车身的加速度冲
击很大，有杆腔的压力峰值增大较为明显，对
于悬架的动行程均值影响也较明显，因此阻尼
孔主要体现在阻尼特性上，而对于蓄能器体积
的变化，主要体现在对悬架动行程的影响 对其
他动态特性影响很小，可以预测蓄能器的体积
变化主要影响悬架的动行程。

当缸筒内径减小，活塞杆外径增大时，车身振动加速度减小明显，悬架最大动行程变大而最小动行程基本不变，动行程均值变化显著，活塞杆外径减小对有杆腔压力的变化影响较为明显，冲击压力峰值减小明显，从总体来看，缸筒内径，图3.不同压力下的幅频特性曲线
图4.油气弹簧模型
活塞杆外径的变化对车身的振动影响明显
活塞杆外径对有杆腔压力影响也较突出。

通
过计算机的分析，可以得到不同缸体内径下
车身的加速度对时间的变化曲线，如图5
所示
四、主动悬架控制介绍
1.混合型主动悬架模型 研究的混合型悬架是在车轮环节作用一电磁反力式作动器，相当于在车轮上加一个天棚阻尼力，通过控制电磁力，。

的大小进而达到控制悬架系统振动的目的。

陔悬架系统的1／4车辆模型如图1所示。

可以看出当作动器不通电时，便是一个被动吸振器。

图中参数：m 1为非簧载质量、m 2为簧载质量、m 3为作动器动质量块的质量、
k 1为轮胎刚度、k 2为作动器弹簧刚度、k 为被动悬架弹簧刚度、c 为被动悬架粘弹
性阻尼系、C 3为作动器粘弹性阻尼系数、变量q 、x 1、x 2、x 3分别代表路面激励、
车轮位移、车身位移、动质量块的位移。

根据牛顿第二定律，系统运动微分方程为：
()()()a a F x x c x x k x m F x x c x x k q x k x x C x x k x m x x C x x k x -⎪⎭
⎫ ⎝⎛'-'---="+⎪⎭
⎫ ⎝⎛'-'+-+--⎪⎭⎫ ⎝⎛'-'+-="⎪⎭
⎫ ⎝⎛'-'---="1331333313313311121211121222)()(m 2.路面模型
图5.不同缸体内径下车身 加速度的变化
汽车行驶过程中会受到外界诸多干扰。

只考虑路面不平度的影响。

路面不平度的模拟的可用白噪声通过一阶滤波器随机生成，用如下的微分方程表示：
()2q -='t ()()t U G t q n ωππ002f +
式中q(t)为路面垂直位移输入、0为路面输入的下截止频率G 0为路面不平度系
数、U 0为车速、w(t)为输入白噪声。

3.模糊论域与隶属函数的确定
在模糊控制系统中，信号的实际变化范围即为该变量的基本论域。

考虑悬架动挠度变化及路面扰动输入的情况，定义两个输入变量的基本论域分别为e(一0.08 m ，0.08m)，ec(一0.2 m ／s ，0.2m ／s)；输出控制变量的基本论域为u(一360 N ，360N)。

取三个变量的模糊论域均为(一4，4)。

则各比例因子为：K e =50，k ec =20，K u =90。

为了便于计算且保持较高的控制分辨率，将三个变量各划分为五
个模糊子集，即{NB ，NS ，ZE ，PS ，PB}。

其隶属函数采用高斯函数。

4.仿真试验结果
仿真模型和悬架参数由以上建立的模型和控制策略，借助MATLAB ／Simulink 对模糊控制的混合型主动悬架建立仿真模型，计算所需的主要参数列于表1
表1 混合悬架主要参数
4.1仿真结果及分析
依据所建立的仿真模型和有关参数对混合型主动悬架进行仿真，得到车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷。

仿真模拟路面输入分别选择B 级路面。

不平度系数为G 。

=64×10-6 m 33，车速均设定为Uo=20 m ／s 。

B 级路面的车身加速度仿真时间历程曲线见图2。

三个指标的方均根值列于表2。

在条件较好的B 级路面上，模糊控制的混合型主动悬架在车身加速度方面较被动悬架和PID 控制时有显著改善，作动器的输出力峰值较PID 控制时小21.8％
图2 B 级路面输入下车身加速度仿真曲线
表2 B 级路面输入是悬架性能方均根值对比
五、被动悬架控制介绍
1.被动悬架的力学模型
()()()⎪⎭
⎫ ⎝⎛'-'----="⎪⎭⎫ ⎝⎛'-'+-=21212101112121222m z z c z z k z z k z m z z c z z k z （1） 其中：m 1和m 2分别为轮胎和车体质量；k 1和k 2分别为轮胎和悬架的刚度；C 为
悬架阻尼系数；z 0,z 1和z 2分别为路面激励、轮胎位移和车体位移。

2.被动悬架的改进
假设在原被动悬架的基础上再并联一个弹簧和阻尼器，其系数分别为k 1和c 1，则控制力为
()⎪⎭
⎫ ⎝⎛'-'+-=2112111u z z c z z k (2) 改进的目的就是使u 1尽可能地接近u ，也就是各状态变量的系数尽量小。

3.改进后被动悬架性能
(1)改进后的被动控制悬架和原被动悬架相比，除了在低频范围一小段内车体加速度响应稍高于原被动控制外，在绝大部分频带车体加速度响应有了明显减小，乘坐舒适性有了较大提高。

(2)从轮胎动载荷来看，改进后的被动悬架与原被动悬架相差不大，二者都不如主动悬架。

改进后的被动悬架对轮胎的寿命并无明显的影响。

( 3)以大约4 Hz为界，小于4 Hz时，改进后的被动悬架的悬架变形要大于原被动悬架，但是在4Hz以上，两者相差不多。

而主动控制悬架在4 Hz以下效果很好，超过4Hz以后效果变得较差。

(4)考虑到所作改进主要是为了提高乘坐舒适性，尤其是在乘客较敏感的4～8 Hz频带内，改进后的隔振效果非常好，故本文的改进方法有很大的实用性。

总结
车辆的悬架系统的振动特性对整车的振动特新更有很大的影响，前面叙述了两种当前较为先进的悬架，空气弹簧悬架和尤其弹簧悬架，并介绍了主动和被动悬架控制技术。

经过论述，大致对当前车辆悬架振动方面的知识进行了较全面的概述。

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