车辆悬架模型的仿真与分析

车辆悬架模型的仿真与分析

目前，关于汽车模型的研究很多。詹长书等人研究了二自由度懸架模型的频域响应特性。李俊等人模拟了不同车速和路况下二自由度车辆模型的动力学。郑兆明研究了二自由度车轮动载荷的均方值。基于Matlab建立了更加复杂的悬架模型，分析了其在模拟路面作用下的响应，分析了系统阻尼参数和刚度参数变化对车身动态响应的影响。

标签：汽车悬架；模型；模拟

据公安部交通管理局统计，截至2019年3月底，全国机动车保有量达3.3亿辆，其中汽车达2.46亿辆，驾驶人达4.1亿，机动车、驾驶人总量及增量均居世界第一。随着汽车数量的迅速增加，人们开始越来越重视汽车的乘坐舒适性，平顺性是舒适性的重要组成部分。振动是影响平顺性的主要因素，因此车身系统参数的合理设计对提高汽车的舒适性和安全性具有重要意义。

1车辆悬架模型

传统的悬架系统一般由弹性元件和参数固定的阻尼元件组成。本文选择汽车后轮的任意悬架系统建立四分之一模型。该模型的简图如下图1所示。其中，1是螺旋弹簧，2是纵向推力杆，3是减震器，4是横向稳定器，5是定向推力杆。

2悬架刚度分析

2.1悬架垂直刚度分析

悬架系统的垂直刚度可以通过分析悬架两个车轮在同一方向上的运行情况来获得。因为装有发动机的车辆的前轴载荷变化很大，所以前悬架通过调节螺旋弹簧的刚度和自由长度来确保车身姿态。后悬架的轴重变化不大，只有螺旋弹簧的自由长度略有调整，后悬架螺旋弹簧的刚度没有调整。这导致带有发动机的B 车型前悬架刚度略有增加。

除了悬架结构和参数的匹配外，前后悬架固有频率的正确匹配是降低车辆振动耦合度、有效提高车辆乘坐舒适性的重要方法之一。由于B型前悬架的轴重变化很大，通过调整前悬架螺旋弹簧的刚度，前悬架和后悬架的偏置频率比几乎不变。

2.2悬架倾角的刚度分析

一般来说，乘用车的前后侧倾刚度比要求在1.4和2.6之间，以满足略微不足的转向特性的要求。B车型前悬架的侧倾刚度略高于C车型，这是由前悬架刚度的增加引起的。前悬架侧倾刚度的增加有助于减小侧倾角度，但变化很小。

3三个双轮同向跳跃分析

车轮从半负载状态分别上下跳动70毫米。其中，红实线是带发动机的B型发动机的仿真结果，蓝虚线是C型试验车的仿真结果。

3.1前束角随车轮跳动的变化

车轮跳起和落下时的前束变化对车辆的直线行驶稳定性和稳态响应（转向不足、转向过度）特性有很大影响，是车辆悬架的重要设计参数之一。车轮跳动时，前悬架的前束角一般呈微弱的负变化趋势，变化量越小越好。一般要求车轮在80毫米内上下跳动，前束变化量在0度到1度之间。直行过程中路面凸凹引起的前束变化受到控制，以确保良好的直行稳定性。

3.2外倾角随车轮跳动而变化

为了确保轮胎的转弯性能，汽车悬架通常被设计成当车轮跳动时外倾角向负值变化，从而确保在转向过程中外部轮胎和地面之间的完全接触，提高轮胎抓地力并减少轮胎磨损。

3.3脚轮角度随车轮跳动而变化

对于汽车来说，主销的后倾角越大，高速扶正扭矩越大，汽车的稳定性效果越强。然而，过大的扶正扭矩会导致过度的向前转动，加速前轮摆振，使转向变重。半负荷时，B型前悬架主销的后倾角为2.654°，两种车型的变化趋势基本相同。

3.4脚轮拖车因车轮跳动而异

主销后倾角在车辆的高速对准性能中起着非常重要的作用。在半负荷时，原基础车型前悬架的主销后倾角为16.62毫米，而B车型前悬架的主销后倾角为16.58毫米，两种车型基本相同。

3.5脚轮角度随车轮跳动而变化

主销内倾角在车辆低速对准性能中起着重要作用。主销内倾角越大，转动力矩越大。然而，过大的主销内倾角会增加轮胎的侧向力，导致转向过度。因此，在设计主销内倾角时，应综合考虑。主销内倾角通常在7°到13°之间。在半载荷下，设计车辆前悬架主销内倾角为11.637°，B型车辆前悬架主销的后倾角为12.642°。两辆车相对较近，符合总体设计要求。

结论

基于Matlab建立了汽车1/4悬架的简单振动模型，分析了其在路面作用下的动态响应，研究了系统阻尼参数和刚度参数对车身动态响应的影响。

然而，本文并不认为汽车实际上是一个多自由度动力学模型。它可以进一步考虑多自由度非线性汽车系统的研究，从而获得更准确的结论。

参考文献：

[1] 詹长书，吕文超.汽车悬架的二自由度建模方法及分析[J].拖拉机与农用运输车，2010，37（6）：9 - 15.

[2] 李俊，张维强，袁俊.基于Matlab 的二自由度车辆的动力学仿真[J].科学技术与工程，2010（4）.

[3] 郑昭明.二自由度汽车车轮动载荷的均方值计算公式[J].武汉交通科技大学学报，1996（1）.

[4] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2007.