1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的摩托车悬架系统的仿真设计研究所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于 MATLAB 的摩托车悬架系统的仿真设计研究 1设计的主要任务及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入了解反馈控制系统工作原理的基础上，掌握机械系统建模、分析及校正环节设计的基本过程；初步掌握运用 MATLAB/Simulink 相关模块进行控制系统设计与仿真的方法
2、，为学生在毕业后从事机械控制系统设计工作打好基础。2设计的基本要求和内容（1）根据已有的本田 CBR600 摩托车悬架系统资料，对其结构特点进行分析；（2）建立摩托车五自由度动力学模型（3）设计校正环节；（4）运用 MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真计算；（5）给出结构参数对系统的影响；3主要参考文献1 刘白燕等编，机电系统动态仿真基于 MATLAB/SIMULINKM.北京：机械工业出版社，20052 王宗耀.进口摩托车维修数据手册.M.北京：机械工业出版社，20083 王沫然.MATLAB 与科学计算M.电子工业出版社，20054 张宝生.汽车优化设计理论与方法.M.北京：机械
3、工业出版社，20004进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅资料，总体规划，完成开题 2013.12.182014.03.162 摩托车悬架系统结构特点及其机构分析 2014.03.172014.03.233 建立摩托车五自由度动力学模型 2014.03.242014.04.134 运用 MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真计算2014.04.142014.05.115 给出结构参数对系统的影响 2014.05.122014.05.316 整理毕业论文，准备答辩 2014.06.012014.06.10基于 MATLAB 的摩托车悬架系统的仿真设计研究摘要：为了考察摩托车悬架
4、系统对于操纵稳定性的影响，提高摩托车的行驶平顺性和骑乘的舒适性，本文针对某摩托车悬架系统进行了动力学仿真设计研究。 建立了摩托车五自由度的动力学模型, 推导了计算公式, 编制了悬架系统的仿真结构框图, 运用MATLAB SIMULINK 软件对摩托车悬架进行仿真计算，悬架的非线性特性进行分析, 并建立了摩托车整车系统参数化振动模型, 以 B 级路面谱为振动激励对某摩托车进行随机振动分析, 综合研究了摩托车悬架弹簧刚度和阻尼对整车平顺性的影响。关键词: 摩托车：悬架系统; 仿真：平顺性； Design and Simulation of the motorcycle suspension sys
5、tem based on MATLABAbstract：In order to investigate the effect of motorcycle suspension system for handling and stability, improve the motorcycle and riding comfort, the design and Simulation of the dynamics for a motorcycle suspension system.A dynamics model of five degrees of freedom of the motorc
6、ycle, the calculation formula is derived, the establishment of the simulation diagram of suspension system,the use of MATLAB SIMULINK software simulation calculation of motorcycle suspension, nonlinear analysis of characteristics of the suspension, and the establishment of a motorcycle system parame
7、tric vibration model,the spectrum of the random vibration analysis of a motorcycle vibration excitation to B level road,the comprehensive study of the motorcycle suspension stiffness and damping on vehicle ride comfort effect.Key words：motorcycle ； suspension system；simulation；ride comfortI目 录1 绪论 .
8、11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状综述 .21.3 主要研究内容 .42 悬架系统的分析 .52.1 悬架系统的组成结构 .52.1.1 导向机构 .52.1.2 弹性元件 .52.1.3 梯形机构 .52.1.4 阻尼元件 .62.1.5 稳定装置 .62.2 当前采用较多的悬架系统介绍 .73 摩托车模型的建立和计算 .103.1 摩托车悬架系统的简化 .103.2 摩托车模型的计算 .103.3 五自由度摩托车振动系统的运动微分方程 .123.4 线性系统的状态方程 .133.5 悬架系统的性能分析 .143.5.1 悬架系统的时域响应分析 .153.5.2 悬架系统的
9、频域响应分析 .174 仿真模型设计和结果分析 .194.1 MATLAB 软件的简介 .194.2 平顺性的评价方法 .194.3 在建摩托车振动模型中所需的参数 .214.4 B 级路面输入描述 .224.5 悬架系统仿真模型的建立 .244.5.1 MATLAB/SIMULNK 软件中模块的选择 .254.5.2 悬架参数仿真模型 .264.6 悬架参数仿真与分析 .27II4.6.1 定刚度垂直方向振动加速度与阻尼的关系 .294.6.2 定阻尼的垂直方向振动加速度与刚度的关系 .304.6.3 悬架系统仿真结果分析 .31总 结 .32参考文献 .33致 谢 .351 1 绪论1.1
10、 研究背景及意义我国是摩托车生产大国，也是摩托车使用的做多的的国家之一。随着人们生活水平的提高，对摩托车的震动舒适性平顺性也提出了越来越高的要求。它的好坏不仅影响到乘骑人员的疲劳强度，也影响着摩托车的燃油经济性和行驶安全性。日前摩托车的平顺性已经成为用户购买摩托车时的主要商品因素之一。因此对舒适性的研究日益受到国内外摩托车行业人员的重视。摩托车乘坐的舒适性，涉及到摩托车动力性和经济性的发挥，同时还影响到零部件的使用寿命，目前它成为同类摩托车在市场竞争中争夺优势的重要性能指标。同时摩托车舒适性无疑也是反应摩托车整车品质的一个重要因素。然而，我们中国作为摩托车大国，并非摩托车强国。当前我国摩托车行
11、业发展的现状主要是：生产规模大、技术水平落后，技术投入少。在国际市场上，由于不掌握具备国际竞争力的自主知识产权和核心竞争技术，国产摩托车大多只能进入东南亚、非洲等中低端市场，同样车型的价格也只有日本及欧洲车型的一半左右。激烈的市场竞争，要求企业不能照抄模仿，必须提升研发能力，提高产品竞争力。因此，加大摩托车的科技投入，提高我国摩托车行业的自主开发能力，掌握在国际市场上持续竞争的核心技术，是我国摩托车行业突破“质次价低 ”的怪圈，并在国际市场上立于不败之地的迫切需求。用户对摩托车的操纵稳定性、平顺性、舒适性的要求越来越高，而摩托车的这些性能都与摩托车的悬架系统紧密相关。其中，舒适性是摩托车最重要
12、的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。进入 21世纪，摩托车悬架成多元化发展，按导向机构结构不同悬架可分为非独立悬架和独立悬架；按控制形式不同可分为被动悬架和主动悬架。摩托车在正常的道路行驶条件下，要受到发动机和道路激励的作用，外部激励如果引起摩托车共振，会严重影响乘坐舒适性和操纵稳定性，还可能造成车体上零部件的破坏，给人身安全带来严重威胁，使车辆行驶的安全性严重下降。 在摩托车的各大结构总成中，对行驶安全性、舒适性、操纵稳定性等影响最大的是摩托车的悬架系统。摩托车悬架系统是连接车架和车轮的所有零部件的总称。它们的功用是把车架和车轮弹性连接起来
13、，传递车轮和车架之间的力和力矩，缓和行驶时车轮传到车架的冲击力，消除车架振动，保证摩托车能高速、安全、平稳地行驶。2 摩托车以其轻便灵活、机动性好而被普遍使用，目前随着交通路况的日益改善，人们对摩托车性能的要求也越来越高，不仅要求摩托车具有基本的使用性能，对于操纵稳定性、平顺性和骑乘舒适性等性能的要求也越来越高。尽管国内摩托车企业的技术研发水平在近些年得到了大幅提升，包括试验测试和分析等方面，尤其在利用计算机进行逆向工程、三维设计的能力和利用计算机进行有限元分析和多体动力学分析的能力得到了大幅提升，在摩托车设计开发过程中，舒适性已引起了广泛的重视，但对于操纵性稳定性的考虑较少，尤其在悬架系统的
14、设计中仅仅考虑弹簧、减振器的力学特性参数对舒适性的影响，没有从整车操纵稳定性等综合性能的角度考虑。 操纵稳定性、平顺性和骑乘舒适性是摩托车的重要性能。由于摩托车和汽车类似，汽车的技术水平相对较高，因此摩托车的许多技术标准都是借鉴汽车，但是由于摩托车的特殊性，摩托车的操纵稳定性和骑乘舒适性与汽车差别很大，并不能完全借鉴汽车的研究方法，必须结合摩托车实际特点进行分析。但是目前国内对摩托车悬架的研究相对滞后：悬架结构及特性参数对于操纵稳定性、骑乘舒适性的影响并不明确；在如何衡量摩托车的操纵稳定性方面仍是空白。悬架系统的结构形式、特性参数和整车的结构形式、转向系统、轮胎等诸多因素有关，企业在进行摩托车
15、整车设计时几乎没有考虑这些性能的要求，大多依靠驾驶员的主观感觉。在进行悬架系统的开发设计时，只是借鉴样车来设计，仅修正一下结构参数和力学参数，并没有从整车性能的角度考虑。 目前在与国外产品的竞争中，国产摩托车的操纵稳定性、平顺性和骑乘舒适性都处于劣势，悬架系统对操纵稳定性和舒适性具有重要影响，但国内缺乏针对上述性能的研究，也缺乏对摩托车悬架的系统研究。因此针对摩托车操纵稳定性、平顺性和骑乘舒适性，研究摩托车悬架系统的动力学特性与匹配方法具有极其重要的意义。有助于提升摩托车的操纵稳定性和舒适性，提升产品质量和市场竞争力，提升自主开发能力。1.2 国内外研究现状综述自从车辆发明以来，工程师们就一直
16、在研究如何将车的悬架系统设计得更好。最初的悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。1908 年螺旋弹簧开始用于轿车，当时就曾经有两种截然不同的意见。第一种意见主张安装刚性较大的螺旋弹簧，以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。另一种意见认为应该采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐车辆时的平稳性及舒适性。但是这样的车操纵性较差。到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。这些改进无3 疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性
17、。衡量悬架性能好坏的主要指标是车辆行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、驾驶员座椅处)的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹
18、簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。但是普遍使用的被动悬架不可能达到设计师们的理想要求。被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。在使用上，为了使被动悬架能够对不同的路面具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，比如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器。当前，车辆悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题。车辆行驶平顺性和操纵稳定性逐渐受到人们的重视，传统的被动悬架已不能满足需要。为使悬架系统能够适应不同道路及速度条件，各种
19、新型电子控制悬架得到了迅速发展。特别是近年来相关学科和高新技术的发展，使得研究实用的半主动和主动悬架控制系统成为现实。半主动悬架控制系统已进入实际应用阶段，主动悬架控制系统由于其造价昂贵，需要额外的控制功率等原因，目前仍停留在实验室阶段。 今后，车辆悬架控制系统的研究目标是研究和开发控制有效、能耗低、成本低廉的车辆悬架控制系统。为此必须解决的理论研究和实际应用问题：一是研究车辆悬架非线性系统的建模，分析其非线性动力学行为甚至可能出现的分岔、混沌现象，为车辆(半)主动悬架的设计提供重要的理论依据和保证；二是研究和开发高效高性能的减振器，如液力减振器、阻尼连续可调的磁流变(或电流变)减振器等，尤其
20、是以磁流变可控流体器件为作动器的半主动悬架系统是一个全新概念的可控悬架系统，它具有简单、能耗低、反应迅速等特点，具有广阔的应用前景；三是充分运用智能控制技术和非线性控制理论及动力系统的分岔理论，研究并开发高效、快速、可靠、智能型的控制方法和成本低廉4 的控制器。1.3 主要研究内容此次设计以本田 CBR600 摩托车为研究对象，首先，对摩托车悬架系统结构特点及其机构进行理论上的分析和研究。其次，摩托车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的复杂系统, 其特点是运动构件多、受力复杂。由于组成摩托车各机械系统之间的相互耦合作用，使摩托车的动态特征非常复杂，要建立摩托车动力学仿真模型，需将复杂的摩托车振动系统作简化处理，建立摩托车整车悬架的五自由度动力学模型。最后，以 B 级路面谱为振动激励，应用 MATLAB 进行仿真计算与分析, 综合研究摩托车悬架弹簧刚度和阻尼对平顺性的影响。以车座处的时域频域综合响应结果为评价对象，对摩托车悬架装置进行参数调整设计，得出结构参数对系统的影响。
