郭建輝，鄒金校，高恩壯

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

設(shè)計(jì)研究

汽車半主動(dòng)懸架減震器阻尼匹配設(shè)計(jì)

郭建輝，鄒金校，高恩壯

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

半主動(dòng)懸架作為汽車懸架發(fā)展的主要方向，具有良好的性價(jià)比。對(duì)于阻尼可控半主動(dòng)懸架，阻尼的匹配對(duì)懸架系統(tǒng)至關(guān)重要。文章從保證汽車舒適性和安全性角度出發(fā)，研究汽車半主動(dòng)懸架最佳阻尼匹配方法。首先分別從保證懸架系統(tǒng)最舒適和最安全出發(fā)研究懸架阻尼比，然后確定半主動(dòng)懸架最佳阻尼比[1]，最后匹配懸架最佳阻尼系數(shù)。

減震器；阻尼匹配；阻尼比

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-01-03

前言

汽車的懸架系統(tǒng)與汽車的兩個(gè)主要性能指標(biāo)——行駛平順性和操縱穩(wěn)定性是密切相關(guān)的。對(duì)于長期占統(tǒng)治地位的被動(dòng)懸架是在一種特定路面輸入條件下假設(shè)懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼參數(shù)是固定不變的，這樣的懸架系統(tǒng)不能滿足使用的各種工況變化，如：汽車空載、滿載時(shí)懸掛質(zhì)量的變化，車速和路況在行駛過程中的較大變化[2]。而以實(shí)時(shí)控制為目的、同時(shí)兼顧行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，需要高響應(yīng)帶寬作動(dòng)器，而高帶寬的作動(dòng)器必然機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高、耗能巨大，因此主動(dòng)懸架會(huì)大大增加成本和能量消耗，還無法得以普遍應(yīng)用[3]。介于被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架之間的半主動(dòng)懸架則結(jié)構(gòu)較簡單，性能上接近于主動(dòng)懸架，成本和能量消耗卻比主動(dòng)懸架低得多而得以迅速發(fā)展。綜合考慮性能和成本的因素，半主動(dòng)懸架的性價(jià)比最高，應(yīng)該是今后懸架系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

減振器是車輛懸架的主要阻尼元件，它和懸架彈性元件并聯(lián)于車身和車輪之間，應(yīng)用最多的是筒式液壓減振器，其阻尼力主要是由減振器閥系參數(shù)，即復(fù)原閥、補(bǔ)償閥、壓縮閥和流通閥決定的。目前，國內(nèi)外對(duì)減振器閥系參數(shù)設(shè)計(jì)還沒有準(zhǔn)確、可靠的設(shè)計(jì)方法，大都是憑經(jīng)驗(yàn)首先確定一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，然后經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和修改，最后才確定出參數(shù)值。然而，減振器有多個(gè)閥系參數(shù)，它們之間是相互影響的，對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)需要經(jīng)多次試驗(yàn)才可最終確定。因此，傳統(tǒng)減振器閥系參數(shù)設(shè)計(jì)方法，不能滿足汽車減振器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的需要[4]。

對(duì)于阻尼可變式的半主動(dòng)懸架，可根據(jù)行駛情況改變減震器的阻尼系數(shù)來保證汽車行駛的舒適性和安全性。但阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)要在保證行駛舒適性和安全性的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，本文從保證汽車行駛安全性和舒適性出發(fā)，討論半主動(dòng)懸架最佳阻尼匹配的設(shè)計(jì)方法。

1、懸架系統(tǒng)模型

懸架系統(tǒng)阻尼比是由懸架系統(tǒng)參數(shù)所決定的[5]，即有簧上質(zhì)量、懸架彈簧和減震器阻尼所決定的，它決定車輛懸架的特性，對(duì)車輛行駛平順性和安全性具有重要的影響，同時(shí)，懸架系統(tǒng)阻尼比的設(shè)計(jì)或選取，也是設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)各組成部件所依據(jù)的重要參數(shù)。

1.1 二自由度懸架系統(tǒng)

當(dāng)懸架質(zhì)量分配系數(shù)的數(shù)值接近1時(shí)，可以把汽車懸架簡化為二自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

二自由度懸架系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程可以表示為：

對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

圖1 二自由度懸架系統(tǒng)

式中，rk為剛度比，rm為質(zhì)量比，ω0為車身固有頻率

令s=jω,帶入式（2），求得z1和z2對(duì)路面不平度輸入q的頻響函數(shù)分別為：

根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)與輸入量的頻率響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系[6]，可求得車輪與車身振動(dòng)相應(yīng)加速度和，對(duì)路面不平度輸入速度的頻響函數(shù)分別為：

1.2 車身垂直加速度均方值

當(dāng)車輛在不同等級(jí)公路上行駛時(shí)，可把路面速度輸入的譜視為白噪聲，即：

式中，n0為參考空間頻率，n0=0.1 m-1，v為車速。

根據(jù)配置模型公式(6)與(7)與求解步驟，經(jīng)過三次賦值，得出江蘇省各地區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生資源床位數(shù)與醫(yī)生數(shù)的現(xiàn)狀年(2016年)最優(yōu)配置方案，如表1所示。

根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，響應(yīng)均方值為：

因此，根據(jù)頻響函數(shù)式（4）及式（5），可得到車身垂直加速度˙的均方值為：

2、半主動(dòng)懸架動(dòng)力模型

四分之一汽車半主動(dòng)懸架模型，如圖2所示，作為阻尼可變式半主動(dòng)懸架，需要確定其阻尼的變化范圍。

圖2 四分之一汽車半主動(dòng)懸架模型

二自由度四分之一汽車半主動(dòng)懸架的振動(dòng)方程為：

因此需要確定減震器阻尼系數(shù)的范圍，需要研究阻尼匹配方法。

3、阻尼匹配方法

3.1 基于舒適性的車輛懸架最佳阻尼比

3.2 基于安全性的懸架系統(tǒng)最佳阻尼比

根據(jù)車輪動(dòng)載荷頻響函數(shù)式（5），（7）和（8），可得到車輪動(dòng)載荷的均方值為：

因此，基于安全性的車輛懸架最佳阻尼比為：

3.3 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)最佳阻尼匹配

半主動(dòng)懸架系統(tǒng)基于安全性和舒適性的數(shù)學(xué)模型為：

式中，ξ*為基于不同行駛路況、車速v和單輪簧上質(zhì)量情況下的最佳阻尼比為懸架系統(tǒng)最舒適所對(duì)應(yīng)的阻尼比；ξoc為懸架系統(tǒng)最安全所對(duì)應(yīng)阻尼比。

半主動(dòng)懸架系統(tǒng)最佳阻尼系數(shù)為：

4、設(shè)計(jì)實(shí)例

對(duì)于某半主動(dòng)懸架的轎車，質(zhì)量比rm=10，剛度比rk=9，因此，將其帶入式（12）可求得基于舒適性的車輛懸架最佳阻尼比為ξoc=0.1748；帶入式（14），可得基于安全性的車輛懸架最佳阻尼比為ξos=0.4136。

則該車半主動(dòng)懸架基于安全性和舒適性的數(shù)學(xué)模型[8]為：

其中，csc為最舒適時(shí)懸架系統(tǒng)所要求的阻尼系數(shù)，為最安全時(shí)懸架系統(tǒng)所要求的阻尼系數(shù)，

由此得半主動(dòng)懸架系統(tǒng)最佳阻尼匹配時(shí)阻尼系數(shù)的范圍。此范圍為半主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)范圍。

[1]余志生.汽車?yán)碚摍C(jī)械[M].工業(yè)出版社,1999.

[2]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]徐偉，周長城.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程[J].汽車懸架阻尼匹配研究及減震器設(shè)計(jì)2009：19-22.

[4]王世明.半主動(dòng)懸架及其控制技術(shù).汽車技術(shù),1999(12)：1-3.

[5]崔勝民.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與仿真[M].北京：北京大學(xué)出版社,2014.

[6]李清泉.自適應(yīng)控制理論設(shè)計(jì)與應(yīng)用.科學(xué)出版社,1990：32-49.

[7]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[8]靳曉雄,張立軍,江浩.汽車振動(dòng)分析.同濟(jì)大學(xué)出版社,2002：90-130.

Damping Matching Design of Automotive Semi-active Suspension

Guo Jianhui, Zou Jinxiao, Gao Enzhuang
( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi 'an 710064 )

Semi-active suspension as the main direction of the development of automotive suspension, has a good price. For damping controlled semi-active suspension, the damping of the matching is essential to the suspension system.In this paper, from the perspective of vehicle comfort and safety, this paper studies the optimum damping matching method of automotive semi active suspension system.At first, the suspension damping ratio is studied from the most comfort and safety of the suspension system, and then the optimal damping ratio of the semi-active suspension is determined[1], and the optimal damping coefficient of the suspension system is matched.

shock absorber; the damping match; damping ratio

U461.9

A

1671-7988(2017)02-01-03

郭建輝，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.001