主动悬架系统对汽车制动性能改善分析

动力比较小时，由于制动力未超过地面附着极限， 地面制动力不会减小，总制动力基本保持不变。 但是当车轮制动力比较大时，由于后轴轴荷的减 小，使制动力超过地面附着极限，后轮地面制动力 减小，对于无制动防抱死系统的车辆或者制动防 抱死系统不工作的情况下，后轮会产生抱死，使车 辆处于一种非稳定状态，影响汽车的制动性能。 所以，如何减小汽车制动过程中的质量转移，进而 减小车辆轴荷的变化，使最大制动力尽量保持在 原来水平，保证汽车足够的制动力以及制动稳定 状态，是需要研究的问题。从设计角度考虑，通过 减小质心高度、增大轴距的方法可以有效降低质 量转移。但是，轴距大小影响汽车的总长、通过 性、操稳性等性能，而质心高度影响到汽车的最小
表示：
Ｕ＝删
（７）
其中：Ｅ——反馈系数矩阵
Ｅ：…一Ｆ·一Ｆ２，１眨鹏＋ｕ‰＋ｕ １ 【０ ｏ以 Ｆ２一日一疋一‘（ｂ＋功一兄（ｂ＋ＵＪ
Ｅ矩阵中：Ｅ和Ｆ：为反馈控制系数。
图４制动减速度随时间变化曲线
３ 模拟分析
在模拟过程中，采用一种车型的单车辙模型， 各参数值如下：
ｍｌｙ＝，ｎ１日＝２５ｋｇ；矗１Ｐ＝｜｜｝１日＝１７万Ｎ／ｍ； ｍ２＝６６０蝇；尼２ｙ＝后２Ⅳ＝１．３万Ｎ／ｍ； ｄ２ｙ＝ｄ２日＝１０００Ｎｓ／ｍ；厶＝１５７０ｋｇｍ２；
主动悬架系统对汽车制动性能改善分析
刘飞舟（陕西交通学院） 余强 （长安大学）
【摘要】 针对汽车制动过程中质量转移而使最大制动力下降的问题，提出利用主动悬架系统减小汽车
动态车轮载荷的方法。通过模拟分析得到，利用主动悬架系统可以有效降低汽车由于质量转移而引起车轮动态 轴荷的改变量，限制了汽车最大制动力的下降，是解决制动力下降的一个比较有效的方法。
ａｔ ｆｏｕｒ ｍａｊｏｒ ｐａＴｔｓ ｏｎ ｒｅａｒ ａ）【ｌｅ ｓｕｃｈ ａｓ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｓｗｉｎｇ锄ｎｓ，ｒｅａｒ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｒｅａｒ ｌｏｎｇｉ— ｔｕｄｉｎａｌ ｓｗｉｎｇ ａｎｎ．Ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ肌ａｌｙｓｉｓ ｃａｎ ｂｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｕｓ， ｔｈｅ
Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｔｍｎｓｆｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｂｒａ－ ｋｉｎｇ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｄｖａｎｃｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ａｃｔｉＶｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗｈｅｅｌ ｌｏａｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ａｃｔｉＶｅ ｓｕｓｐｅｎ— ｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｅｆｋｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｗｈｅｅｌ ｌｏａｄ ｓｈｉｆｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ａｕｔｏｍｏｔｉＶｅ ｍａｓｓ ｔｍｎｓｆｅｒ，ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｔｈｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｂｒａｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ；ｉｔ奄 ａｎ ｅｆｋｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｏｆ ｂｍｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ．
参考文献
ｌ王勖成，邵敏．有限元基本原理和数值方法．北京：清 华大学出版社，２０００
２刘惟信．汽车设计．北京：清华大学出版社，２００１ ３大型通用有限元程序系统ＭｓＣ．ＮＡＳｌＲＡＮ基础培训教程 ４《汽车工程手册》编辑委员会．汽车工程手册．基础篇．北 京：人民交通出版社，２００１
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ Ｉｅａｒ ａｘｌｅ
（４）
式中：ｍ：——车身质量； ￡，——质心距前轴距离； 如——质心距后轴距离； 后：，——前悬架刚度系数； Ｉ］｝：Ⅳ——后悬架刚度系数； ｄ：，——前悬架减振器阻尼系数； 畋日——后悬架减振器阻尼系数； ｍ，，——前非悬挂质量； ｍ。日——后非悬挂质量； 厶——汽车绕横轴的转动惯量； ｚ：——车身垂直位移； ９——车身俯仰角； 彳。，——前车轮垂直位移； ｚ。日——后车轮垂直位移； 铴，——前车轮与地面接触点的不平度； ｚ。日——后车轮与地面接触点的不平度； 凡，——前悬架主动作用装置产生的作用 力； ｎＨ——后悬架主动作用装置产生的作用 力； 口。——制动过程中纵向加速度。
上海汽车２００６．０９
宕＝ＡＸ＋ＣＵ＋肌；
（６）
２ 控制器的建立
由于前、后悬架弹簧变形量之差间接反映了 汽车俯仰角的大小，即反应了汽车俯仰运动状态， 它与前、后轴轴荷大小有着密切的联系，所以这里 取液压缸的作用力大小和前、后悬架弹簧的变形 量之差以及他们的变形速度之差成线性关系，即 控制器的输入为前、后悬架弹簧的变形量和它们 对应的变形速度，输出为前、后悬架液压缸的作用 力，控制器框图如图２所示。
上 万海方汽数车据２００６．０９
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鬻惑
离地间隙进而影响到汽车的通过性参数，这些参 数在设计过程中一经确定，很难进行改动。基于 以上问题，文章提出并采用主动悬架系统的方法 来减少汽车轴荷在制动过程中的变化，进而达到 提高汽车制动性能的目的。
１ 模型的建立
主动悬架系统就是在原被动悬架系统的基础 上，加装一个可以产生作用力的动力装置。动力 装置由液压源、液压缸和电磁控制阀等组成。通 过控制系统调整液压缸压力，来改变车身运动状 态。由于在此仅考虑汽车制动过程中俯仰运动所 引起的质量转移，左右侧的运动状态基本接近，为 了讨论问题简单，选择汽车的单车辙模型进行讨 论，其简化模型如图１所示。 系统的动力学方程为：
ｚ２－弘商ｒ
乙一仳ＰｚｌＨ
ｚ２·怔忍ｒ
乞．虹２ｔ一
图２控制器框图
图３所示。由于载荷变化产生的减速度变化曲线 如图４所示，速度随减速距离变化关系如图５ 所示。
５
４
／／主动悬架系统
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ｌ
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Ｏ．５
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１．５
时间（ｓ）
图３制动过程中后轴轴荷随时间变化曲线
输出与各状态量之间关系可以用如下关系式
＾。＝Ｏ．５ｍ；￡ｙ＝１．５４２ｍ；￡日＝１．５４２ｍ。
模拟汽车直线制动过程中，前、后轴轴荷的变 化以及制动力变化情况。输入的减速度为近似的 阶跃信号（由。上升到最大减速度的时间为 ０．２５ ｓ），取地面附着系数为０．５，汽车可能达到的 最大减速度为４．９－ｎ／ｓ２。载荷变化的模拟结果如
图５制动过程中速度随制动距离变化曲线
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｄ．ｏｍａｎｃｅ ｏｆ ｒｅａｒ ａ］【ｌｅ’ｓ ｆｏｕｒ ｐａｒｔｓ ｃａｎ
ｂｅ ｔｅｓｔｉ６ｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ’ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｂｒ ｒｅｆ宅ｒｅｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ Ｄｒｏｍｏｔｅｄ．
收稿日期：２００６—０７～１０
３余强，郑慕侨．汽车悬架控制技术的发展．汽车技术， １９９４（９）
４ Ｈ．一Ｐ．Ｗｍｕｍｅｉｔ Ｙ．ＬＩＮ Ｓｕｂｏｐｔｉｍａｋ Ｒｅｄｅｒｅｎｔｗｕｒｆ ｆｕｅｒ ａｋｔｉｖｅ Ｆｅｄｅｍｎｇ Ｖ—Ｄ—Ｉ Ｂｅｒｅｉｃｈｔｅ Ｎｒ．８１６，１９９２
５ Ｗｅｍｅｒ Ｆｏａｇ．Ｒｅｇｅｌｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｋｏｎｚｅｐｔｉｏｎ ｅｉｎｅｒ ａｋｔｉｖｅｎ ＰＫＷ—ＦｅｄｅｒＩｌｎｇ．Ｖ—Ｄ—Ｉ Ｂｅｒｉｃｈｔｅ Ｎｒ．１３９，１９９０
４ 结语
成本都很高。这些缺陷直接制约着主动悬架系统 的广泛应用。
参考文献
１ Ｒｏｂｅｒ【Ｂｏｓｃｈ ＧｍｂＨ．Ｆａｈｒｓｉｃｈｅｒｈｅｉｔｓｓｙｓｔｅｍｅ（Ｂ）． Ｖｉｅｗｅｇ Ｖｅｄａｇ，１９９８，Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ
２ Ａ．Ｚ蛳ｔｅｎ，Ｒ．Ｅｒｈ删ｔ，Ｇ．ＰⅫ．ＦＤＲ—ｄｉｅ Ｆａ王ｌｒｄｙｒＩ帆ｉｋ静 ｇｅｌｕｎｇ ｖｏｎ Ｂ０ｓｃｈ．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｍ，ＢａＪｌｄ ９６，１９９４
Ａｂｓｔｍｃｔ
由模拟结果可以看出，与被动悬架系统相比 较，在汽车制动过程中，主动悬架系统使汽车的后 轴轴荷下降程度大幅度减小，并且使得整个过程 中轴荷的振荡幅度也相应下降，说明汽车通过主 动悬架系统可以有效提高制动能力和制动稳定 性，是改善汽车制动性能的一种比较有效的方法。
主动悬架系统也存在一定的缺陷。由于每一 个车轮上需要一套工作装置，并且工作过程中消 耗的能量也相当大，所以系统的安装成本和使用
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万方数据
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【主题词】 主动悬架汽车分析
Ｏ 引言
由于汽车质量的存在，加速及制动过程中必 然会产生质量转移，质量转移直接影响到汽车动 态轴荷的变化。而车轮可能产生的最大制动力与 汽车的轴荷有着直接的关系，即：凡＝肛。Ｆ；（其中： 凡为制动力，地为附着系数，ｔ为车轴载荷）。汽 车在制动过程中，由于质量转移使得各车轴在原 静态轴荷的基础上附加了动态轴荷。这个动态轴 荷使得前轴总轴荷增加，后轴总轴荷减小。由于 汽车前、后轴的制动力分配比例是一定的，这样， 前轴轴荷的增加不可能使地面制动力增加，而后 轴轴荷的减小将直接影响到制动状态。当车轮制
由图中曲线可知，在整个模拟过程中，由于制 动引起被动悬架系统后轴轴荷降低最大幅度为
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瑟熬露蠹
２２．０８％，平均下降幅度为１１．５６％。而主动悬架 系统后轴轴荷降低最大幅度为１．３６％，平均下降 幅度为Ｏ．９２％。相比之下，主动悬架系统后轴轴 荷最大降低幅度仅为被动悬架系统的６．１６％，整 个过程平均下降幅度为被动悬架系统的７．９６％。 由此引起的主动悬架系统的制动力下降幅度相对 减小，使制动过程比被动悬架系统更快一些，整个 过程被动悬架系统减速度平均值为３．９８Ⅱ∥ｓ２，而 主动悬架系统减速度平均值为４．２３Ⅱ∥ｓ２，主动悬 架系统比被动悬架系统平均减速度增加了 ６．２５％。并且由图５可以看出，在制动距离为１０ｍ 时，主动悬架系统比被动悬架系统速度低１．７８％， 在２０ｍ时速度低３．４５％。
ｎｏｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ Ｃ—ｌｅＶｅｌ ｃａｒ．ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｕ— ｓｅｓ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ａｎａＬｌｙｓｉｓ ａｔ ｄｉｆＩ’ｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｏｄｅｓ ａｉｍｉｎｇ
用状态量代换各物理量，即：
咒１ ＝三２；戈２＝ｚ２；戈３ ＝彳１ｙ；ｚ４＝ｚｌｙ；ｚ５＝ｚ１Ｈ；
戈６＝ｚ１日；ｚ７＝妒；ｚ８＝妒
得到系统的状态方程为：
Ｘ＝Ａｘ＋Ｂｘｏ＋ＣＵ＋ＤＡｘ
（５、）
在此研究汽车制动过程中的俯仰运动，所以 忽略地面不平度的影响，即：
ｚｏＲ＝ｚｏＥ＝Ｏ
式（５）简化为：
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万方数据
，ｎ２２２＝一｜｜｝２ｙ（乙一妒￡ｙ—Ｚ１Ｐ） 一矗：，（立一匆￡，一之。，）＋ｎ， 一尼２Ｈ（Ｚ２＋妒￡Ⅳ一Ｚ１日）一ｄ２Ｈ （、２一罩ＬＨ一．Ｚ。Ｈ、）＋Ｆ ＡＨ
图１ 汽车主动悬架系统单车辙简化模型
ｍｌｙＺｌｙ＝局２ｙ（Ｚ２一妒￡ｖ—Ｚｌｙ）
＋ｄ２ｙ（乞一函￡ｙ一之１ｙ）一ｎ，
一后。，（Ｚ。，一磊，）
（２）
ｍ１ＨＺｌ日＝＿ｊｃ２日（Ｚ２＋９￡日一Ｚ１Ⅳ）
＋ｄ２Ｈ（ｚ２＋函￡日一２１日）一只日
一矗。日（Ｚ。日一Ｚｊ日）
（３）
厶章＝七２ｙ（ｚ２一妒￡ｙ—ｚｌｙ）￡ｒ＋ｄ２Ｐ
（乙一函￡，一２。，）￡，一凡，￡， 一后２Ｈ（Ｚ２＋９￡Ｈ—Ｚ１日）￡Ｈ—ｄ２Ｈ
０２２＋罩ＬＨ—Ｚ ＬＨ、）ＬＨ＋ＦＡＨＬＨ
—ｍ２口ｘ＾ｇ