1、1本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB7.0 软件的汽车悬架系统模拟分析所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期21 绪论1.1 设计目的及意义中国作为发展中国家,在过去 20 多年里,国民经济持续、健康、快速发展,汽车工业也取得了跨越式的发展,我国的汽车生产能力得到很大的提高。我国汽车近年来的数量快速增长,高速公路和高等级公路迅速建设,十多年的时间铺就的高速公路,相当于发达国家半个世纪完成的里程,汽车平顺性日益显得重要,成为现代汽车的一个主要性能指标。研究如何使汽车具有良好的平顺性,已得到汽车设计人员的高度重视,具有深远的意义。在这个问题当中悬架系统的品质和技术扮演了很重
2、要的角色。汽车悬架的品质，不仅决定着汽车的平顺性、操纵稳定性和车身稳定性，而且还关系着汽车动力性的发挥，关系着汽车平均技术速度的高低，关系着客、货车的运营成本以及军用车的使命任务周期，特别还关系着承载系统和行驶系统的动载，以及影响相关零部件的使用寿命等。此外,由车辆平顺性不好导致的轮胎动载荷过大也会限制汽车动力性能和影响操作稳定性。所以车辆平顺性对保证驾驶员在长时间复杂的行驶和操纵条件下,具有良好的心理和生理状态、准确灵敏的反应对确保行驶安全是非常重要的。为了满足车辆对悬架系统提出的诸多性能要求，悬架的结构形式一直在不断地更新和完善。基于经典隔振理论的传统被动悬架系统无需能量输入，结构简单，价
3、格便宜，因而在汽车工业中获得广泛应用。但其只是一种优化折衷方案，不能适应变化的行驶工况和随机道路激励。其阻尼和刚度参数一般依据经验或优化设计方法进行选择，是一种时不变系统，一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，使悬架系统性能不能根据外部信号的变化而改变。在某个特定工况下按目标优化出的被动悬架系统，一旦载荷，车速或路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优。因此，传统的被动悬架无法保证车辆在所有工况下都具有良好的综合性能。为了克服被动悬架的不足，早在 50 年代，国外就有学者提出了主动悬架的概念。随着电、液控制技术计算机技术的不断发展，传感器微处理器及电液控制元件制造技术的不断提高，必将使
4、主动悬架在实际车辆上的应用越3来越广泛。同时，现代社会对车辆性能及行驶速度的要求也在不断提高。因此，一些能够根据汽车行驶的工况和载荷等情况来控制车辆的工作状态，使汽车的整体性能达到最佳的主动悬架系统便应运而生，并且得到了快速发展 。1为了分析和评估一个汽车的舒适性和安全性时，必须对汽车悬架系统的性能进行测试。目前国内生产汽车的厂家对汽车做这种实验时，基本上都是使汽车在实际路面上进行驾驶，然后用测量仪和传感器测量出判断汽车平顺性的一些参数，再根据这些参数进行分析和评价。这种实验方法需要花费一定的时间，这样就延长了汽车的开发周期，并且这种实验方法还需要一些人力和物力，这样也提高了汽车的开发成本。软
5、件-MATLAB7.0 目前在控制领域非常流行,我准备用它对汽车的悬架系统进行模拟仿真，按照实际路面的情况进行模拟，并根据模拟仿真的结果对悬架系统进行了进一步地分析和研究。该软件具有较强的实用价值和可操作性，对汽车设计人员分析汽车(包括主动悬架和被动悬架)的性能提供了极大的帮助。1.2 汽车悬架概述所谓汽车悬架，就是把汽车悬挂质体悬置和架设起来的装置，也就是联系汽车悬挂质体和非悬挂质体的所有总成部件(传动轴除外)的总称。它具有承载、传力(矩)、缓冲、衰振、散能以及调节车身高度等主要功能。汽车悬架的品质，不仅决定着汽车的平顺性、操纵稳定性和车身稳定性，而且还关系着汽车动力性的发挥，关系着汽车平均
6、技术速度的高低，关系着客、货车的运营成本以及军用车的使命任务周期，特别还关系着承载系统和行驶系统的动载，以及影响相关零部件的使用寿命等。汽车悬架虽然十分复杂，但它无外包括悬架构件、悬架型式和悬架系统(包括总布置设计等)三个方面的内容。悬架构件构成不同的悬架型式，各轮、轴的悬架型式又决定着整桥和整车的悬架系统。1.2.1 汽车悬架的结构悬架主要是由导向机构、弹性元件、梯形机构、阻尼元件、稳定装置五部4分组成，图 1.1 与图 1.2 是汽车悬架的结构图与结构示意图。下面分别对这五个主要部分进行简要介绍 :225314图 1.1 汽车悬架的结构图1弹性元件 2减震器 3车轴4车轮 5车架(1)导向
7、机构导向机构是导向和传力的机构，它关系着车轮相互间的位移特征并保证其间的力和力矩的可靠传递，是任何悬架都不可缺少的。此外，它不仅起着导向和传力的作用，而且还决定着悬架的独立与相关，连悬架的名称也往往是由导向机构决定的，如单纵臂悬架、双横臂悬架、半拖臂悬架等。导向机构控制着车辆的运动方向，决定着车轮的运动轨迹和定位参数的变化，决定着悬架的悬架中心和整车的侧倾中心和纵倾中心，影响着汽车的平顺性以及车身的稳定性和操纵稳定性。(2)弹性元件弹性元件起着承载和缓冲的作用，它保证着悬挂质体和非悬挂质体之间的弹性联系，并把绝对的刚性传递转变为满足乘坐和运载需求的输出。弹性元件也是悬架代表性的构件，有时也独立
8、地命名悬架，如扭杆弹簧悬架等。弹性元件决定着悬架的垂直刚度、挠度及其振动频率，影响平顺性能及其动力性能的发挥；弹性元件还决定着角刚度，影响车身稳定性和转向特性。弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧和油气弹簧等。(3)梯形机构习惯上把梯形机构划入转向机构，但不可单纯地把它视作转向机构，还应把它纳入悬架之中来考虑问题。这样做不仅符合悬架的定义，更重要的是梯形机构和悬架问题紧密相关，和稳态转向特性紧密相关。图 1.2 汽车悬架结构示意图5梯形机构参数决定着内、外车轮的转角关系，影响其转向特性；车身在侧向加速度的作用下侧倾时，梯形机构将牵动车轮转向，而牵动的数值又往往不可忽视
9、。因此，孤立地把梯形机构划人转向机构，还不如也把它归入悬架之中，进而全面地来认识它的作用。事实上，人们早就把梯形机构作为悬架构件在研究，如三段式梯形机构断开点的确定，内、外车轮转角关系如何影响转向特性等。(1)阻尼元件阻尼元件是一个吸能和散能的装置，它除能衰减振动和耗散振动能量之外，还能抑制车身、车轮的共振，减小车身的垂直振动加速度，减小车轮的振幅和车轮着地压力的变化，保持良好的抓地性能。特别地，它还能抑制车身的角位移，降低角加速度，从而获得良好的平顺性和柔顺性。一个悬架，如果完全没有阻尼，那么外界激励所造成的振动将无休无止地继续下去。悬架阻尼除来自所有运动件的摩擦和变形之外，主要来自减振器。
10、目前减振器有液力摇臂式和液力筒式两种，而汽车主要用的是双向作用筒式减振器。(2)稳定装置稳定装置是角刚度的调节器，它既能统一平顺性和车身稳定性这一矛盾，还能调节汽车的转向特性和车身承受附加力矩的状况和大小。平顺性和车身稳定性始终是一对矛盾，高平顺性要求具有低的垂直刚度，低垂直刚度必造成低角刚度，低角刚度又会使车身的角位移增大。然而，稳定装置却既能补偿角刚度，又不增大垂直线刚度。轴间角刚度比影响整车的转向特性，调整角刚度就调整了角刚度比，从而调整了整车的转向特性。车身在外力矩的作用下，不同的轴间角刚度将提供不同的反倾力矩，从而使车身承受不同的附加力矩。因此，调整不同车轴的角刚度就调整了车身的受力
11、状况。稳定装置有横向和纵向之分，横向稳定装置保证控制车身的侧倾角，纵向稳定装置负责控制车身的纵倾角。悬架型式就是悬架的类型和模式。悬架型式是五花八门、纷纭复杂的，但从总的角度来看，都存在一些可循的规律。根据这些规律，不仅可以对悬架型6式及其构成的悬架系统提出一些共性的要求，而且还可进行有序的分类。1.2.2 汽车悬架的分类汽车的悬架尽管千差万别，但是按控制力学的角度来分可以分为主动悬架、半主动悬架和被动悬架。下面分别介绍一下各种悬架的特点 。3(1)主动悬架所谓主动悬架系统是在控制环节中安装了能够产生上下移动力的装置。执行元件针对外力的作用，产生一个力来主动控制车身的移动和车轮受到的载荷，即路
12、面的反作用力。主动悬架的功用可以主要的归纳为以下几点 :4提高舒适性传统悬架系统需要在性能及舒适性间折衷协调。为了使转向 1时侧倾较小，要求较硬的弹簧，因而乘坐舒话性能就较差。性能与舒适性彼此矛盾。主动悬架用计算机独立的控制短个车轮，能够在任何时候，在车轮上产生符合要求的悬架运动。它不像任何软弹簧汽车那样，遇到大凹起时可以感觉到回弹或颠簸。控制车身运动汽车制动时，作用在车身上的惯性力引起载荷向前移动， 2造成弹簧的变形，引起车身前倾。加速时则情况恰好相反，作用在车身上的惯性力引起载荷向后移动，造成弹簧的变形，引起车身后倾。当汽车转弯时，离心力的作用使弹簧受到一个力矩作用，产生变形，引起车身向外
13、侧倾。主动悬架在汽车制动、加速和转弯时产生了与惯性力相反的力，减少了车身位置的变化，控制了车身的运动。根据各传感器传出的输出信号进行运算和处理，以决定控制内容。主动悬架 系统大致可以分为液压和电子控制两大部分。电子系统装备的各种传感器能及时的测量出汽车运行的状态。设置有由悬架所提供的抵消相应的车辆干扰所需的能量(液压能)装置，以及能够有效控制车辆姿态为目的而设置于各轮的执行元件，由这些装置所组成的理想悬架，能缓冲和吸收路面所引起的振动，而且，无论在何种路面上行驶和无论怎样进行驾驶操纵，悬架都能主动适应状态变化。(2)半主动悬架7半主动悬架也称为无源主动悬架，它是由无源但可控的阻尼及弹性元件所组
14、成，悬架的参数在一定范围内，可以任意调节，以获得最优的减振性能。相对于无源主动悬架而言，主动悬架是采用有源可控元件组成的一个闭环控制系统，故又可以称为有源主动悬架。(3)被动悬架汽车在行驶过程中，路面不平或汽车转弯都会使汽车受到冲击，引起悬架变形，这时弹簧起了减缓冲击的作用，同时在弹簧释放能量时，就会产生振动。为了衰减这种振动，在悬架上采用了减震器，由于这种悬架作用是外力引起的，所以称为被动悬架。被动悬架为传统悬架， 目前大部分汽车使用的是被动悬架。1.2.3 悬架的基本要求（1）保证承载的稳定性以及力和力矩的稳定传递。（2）必须具有良好的平顺性和柔顺性，也就是要具有较低的振动频率(乘坐车应在
15、 0815Hz 范围内)和较小的振动加速度(乘用车不大于 4 ，货2/sm车不大于 7 )。2/sm（3）必须具有足够的动行程和动容量，保证悬架不被“击穿” 。（4）必须使车轮定位参数合理，在全程跳动范围内，车轮外倾角的变化不得大于 ，轮距变化不得大于 40mm；必须具有良好的操纵稳定性能，在侧向加速度i=049 时，前后轴轴偏角差应在 的范围内。13（5）必须合理布置导向杆系和转向杆系，既要避免运动干涉，防止车轮与转向盘摆振，更要避免过大地牵动车轮转向。（6）选择合适的侧倾中心和纵倾中心，保证适度的车身角位移。（7）选择合适的平均阻尼比( =025035)，保证适度的减振能力和良好的抓地性能
16、，并降低垂直振动和角振动的加速度。（8）减少非悬挂质量，以降低动量，防止对车身的过大冲击。（9）必须使悬架构件具有足够的强度和刚度，提高使用寿命。（10）合理设计，给总布置留出空间。（11）降低成本，便于维修保养 。581.3 国内外悬架发展概况:在国外，随着汽车工业的发展、汽车制造技术的进步，汽车性能越来越好，但是人们对汽车的平顺性也提出了更高的要求。因此，在七十年代和八十年代，能极大改善汽车平顺性的各种主动悬架、半主动悬架便应运而生。早在1982年，瑞士的Volvo公司在Volvo740轿车上就用了实验性的Lotus有源主动悬架。日本的丰田汽车公司在 Soare轿车的车轮上采用了可调减振器
17、。三菱公司也生产了能调节车高和改变阻尼的电子主动控制主动悬架。上世纪 90 年代，日本NISSAN 汽车公司在InfiniteQ45轿车上也装备了液压主动悬架。但由于安装有主动悬架的汽车生产成本较高，制造工艺较复杂，因此，在目前主动悬架还没有被各大汽车生产厂家大面积的广泛采用 。6现在世界上各汽车生产厂家所生产的汽车绝大部分安装的仍然是被动悬架(也称为传统悬架)。这是由于这种悬架的制造工艺已经成型，结构优化设计的手段己趋成熟，并月它的制造成本较低，安装和维修较方便，因此使用传统悬架的汽车仍然占主流。虽然主动悬架系统己经应用到国外汽车生产厂家生产出来的汽车上，但是目前在国内还没有哪一家汽车生产厂
18、家把主动悬架应用于他们生产出来的汽车上。1.4 本课题所做的主要工作本人在撰写毕业论文的过程中所做的一些工作可以大致归纳为以下几点:(1)对汽车悬架系统进行了理论上的分析和研究，并针对被动悬架(传统悬架)和主动悬架这两个系统建立了1/2车辆模型，并对模型进行了详细地分析，包括系统状态方程的建立；(2)选定某一种轿车悬架系统为研究对象，基于前面建立的数学模型，应用MATLAB软件对其悬架系统进行时域分析和频域分析，包括对选定轿车悬架系统的参数查找和主动悬架系统进行PID控制器的设计和研究；(3)对汽车悬架系统在各个不同的等级路面上进行了模拟仿真，并对此进行了分析讨论，包括各等级路面谱的计算、汽车
19、悬架系统的模拟方框图的建立以及对某一种型号汽车的悬架系统进行了应用分析。91.5 本章小结本章主要简单介绍了有关汽车悬架系统的基础知识和国内外发展动态，并提出了本课题的目的、意义及本人所做的主要工作。2 汽车悬架系统模型的建立汽车系统是很复杂的系统，因此我们分析汽车系统时，需要把这个系统转化为一个比较简单的系统，这个系统不仅便于我们利用数学方法进行分析计算，而且和实际的系统相类似，不会对我们的研究分析造成影响。2.1 汽车悬架系统模型的简化汽车是一个比较复杂的系统，分析它时只要对课题影响重要的问题着重进行考虑分析，对课题影响不大的问题可以减少考虑甚至忽略不计。首先分析一下汽车的立体模型 。7令
20、汽车的簧载质量为M，它包括车身、车架、及其上的所有装置。 M绕通过质心的横轴Y的转动惯量为 ,悬挂质量通过减振器和弹簧元件与车轴、车轮相yI连。车轮、车轴构成的非簧载质量为m。车轮再经过具有弹性和阻尼的轮胎支承在路面上。在这一立体模型中，我们主要考虑的是车身的平顺性。我们分析车身质量时主要考虑垂直、俯卧、侧倾3个自由度，而当汽车对称于其纵轴线时，汽车车身只有垂直和俯仰两个自由度，而这两个自由度的振动对于平顺性的分析影响最大。再加上车轮的垂直自由度，我们可以把汽车简化成四个自由度的平面模型。简化后的双轴汽车简化系统如图2.1所示：10减震器，弹性元件m ma bK K图 2.1 双轴汽车简化系统
21、模型对此模型进行分析假定如下:(1)总质量保持不变;(2)质心位置保持不变;(3)转动惯量的值保持不变。此简化模型是取汽车前后两个轴的轮胎及其上的车身、车架和其他装置分别作为非簧载质量和簧载质量。此模型较为真实地反映了汽车的实际情况，如汽车车身的垂直振动、车身前后的俯仰运动以及汽车轮胎的跳动。2.2 汽车被动悬架系统状态方程的建立根据上一节的分析，我们可以把被动悬架系统简化为一个如图2.2所示的1/2车辆模型。在此模型中汽车系统有四个自由度，分别为汽车车身的垂直振动、车身的俯仰、汽车前后两个轮胎的垂直振动 。8M图 2.2 轿车 1/2 被动悬架系统模型a bcmCZsfKsrKsfCsrC3Z2Z 4Z
