孫富權(quán)+馬思順

摘 要：對帶有新型饋能減振器及空氣彈簧的新型饋能懸架系統(tǒng)進行了研究，在MATLAB/Simulink中進行了建模與仿真。首先文章建立了時域路面不平度的仿真模型以提供模仿路面不平度給懸架系統(tǒng)所帶來的刺激，然后分別建立了空氣彈簧的仿真模型，進而建立了饋能懸架的仿真模型。對所饋能懸架系統(tǒng)進行仿真，得出數(shù)據(jù)進行分析。計算在不同等級路面及不同速度下懸架系統(tǒng)的車身加速度的均方根值，對新型懸架系統(tǒng)進行評價。

關(guān)鍵詞：路面不平度；空氣彈簧；饋能；懸架；仿真模型

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0007-03

隨著能源問題的不斷加劇，各國紛紛出臺法令限制汽車尾氣的排放和鼓勵新能源汽車的發(fā)展，節(jié)能已經(jīng)變成汽車設(shè)計（特別是電動車設(shè)計）中的首先需要考慮的目標之一。面對解決供能成本與能量利用效率的問題，“饋能”這一概念應(yīng)運而生。所謂“饋能”就是將汽車散失掉的能量回收進行二次利用以達到降低供能成本和提高能量利用效率的目的。

汽車懸架是一個含有阻尼和彈性元件的非線性振動系統(tǒng)，在發(fā)動機和路面不平度等振源的刺激下會產(chǎn)生隨機振動。在傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)中，這部分由于隨機振動而產(chǎn)生的機械能會被減振器以熱能的形式耗散掉。許多學者研究表明由減振器阻尼力所產(chǎn)生的能耗在汽車的總能耗中占有很大比重（約占20%左右），可是這部分振動能量卻一直未能引起人們的關(guān)注從而對它進行利用[1]。懸架作為保證汽車平順性與舒適性的主要組成部分，在回收能量的過程中其力學特性也是值得關(guān)注的。進行實物建模的話，經(jīng)歷時間長、成本高，計算機仿真建模耗時短，成本低，使得產(chǎn)品的研發(fā)費用與效率大幅度的提高。利用MATLAB/Simulink仿真軟件可以建立數(shù)學模型對懸架系統(tǒng)進行仿真研究，并分析懸架系統(tǒng)的主要性能指標。

1 氣動式饋能懸架系統(tǒng)模型

1.1 氣動式饋能懸架系統(tǒng)工作原理

氣動式饋能懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、空氣彈簧閥、進排氣閥、壓力傳感器、單向閥、高壓氣罐、氣動饋能馬達、干燥劑、空氣泵和儲氣罐組成。當汽車行駛過程中受到路面刺激，底盤發(fā)生振動時，空氣彈簧由于瞬間的位移變化，內(nèi)部會產(chǎn)生高壓氣體，高壓氣體通過單向閥進入高壓儲氣罐進行穩(wěn)壓后驅(qū)動饋能氣動馬達，產(chǎn)生電能經(jīng)過調(diào)理電路儲存到蓄電池中，氣動式饋能懸架的工作原理如圖1所示。

1.2 二自由度1/4饋能懸架車輛模型

運用車輛動力學模型建立了1/4車體半主動饋能懸架2自由度模型，通過已建立的白噪聲時域路面不平度仿真模型仿真其路面刺激在時域內(nèi)實現(xiàn)仿真。通過仿真我們可以得到裝有饋能減振器懸架系統(tǒng)的車身加速度，車身加速度的均方根值可以作為評價懸架系統(tǒng)的平順性的性能指標。

根據(jù)相關(guān)的力學與運動學知識可以得1/4車輛模型的運動方程如下所示：

（1）

根據(jù)饋能懸架空氣彈簧的力學特性數(shù)學模型如下所示：

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

式中，A0表示空氣彈簧平衡時的有效面積；β表示為空氣彈簧有效面積隨高度的變化系數(shù)；x表示空氣彈簧的高度；V0表示空氣彈簧平衡時的有效容積；α表示空氣彈簧有效容積隨高度的變化率；x表示空氣彈簧的高度。p為終了狀態(tài)氣體壓力；P0為初始狀態(tài)氣體壓力；Pa為大氣壓；V為終了空氣彈簧有效容積；γ表示氣體多邊指數(shù)，與氣體的熱量系數(shù)相關(guān)。

通過仿真我們可以得到裝有饋能懸架系統(tǒng)的車身加速度，車身加速度的均方根值可以作為評價懸架系統(tǒng)的平順性的性能指標。

1.3 饋能懸架的MATLAB/Simulink模型

饋能懸架系統(tǒng)模型主要由三大部分組成，分別是白噪聲路面不平度輸入模塊、空氣彈簧子系統(tǒng)模塊，饋能減振器子系統(tǒng)模塊。饋能懸架系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。

2 仿真與結(jié)果分析

汽車的平順性主要是用來評價汽車在行駛途中，由于路面不平度刺激所帶來的沖擊和振動對載乘人員舒適性的影響，所以平順性可以由乘員主觀感受進行判斷，對于載貨汽車還包括保持貨物不受損壞的能力，汽車的平順性是現(xiàn)代高速汽車的重要性能之一。而客觀評價法主要是采用車身加速度的均方根值來評價汽車的平順性[4，5]。其具體計算方法如式（9）計算函數(shù)的加權(quán)加速度均方根值：

（9）

分別對饋能懸架系統(tǒng)輸入A、B和C級路面30km/h、60km/h和90km/h的白噪聲路面不平度波形作為饋能懸架的路面刺激進行仿真，模擬車輛在A、B和C級路面分別以30km/h、60km/h和90km/h行駛的情況。從而得出饋能懸架的簧上質(zhì)量（車身質(zhì)量）的加速度波形及數(shù)據(jù)，進而對其進行平順性的評價。通過仿真結(jié)果得出氣動式饋能懸架在A、B、C級路面均滿足汽車平順性要求，仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

3 結(jié)束語

此處我們通過本文對饋能懸架系統(tǒng)的建模，將不同等級路面及不同速度的路面不平度仿真波形輸入對饋能懸架系統(tǒng)進行仿真，可以得出所設(shè)計的氣動式饋能懸架系統(tǒng)具有機械結(jié)構(gòu)相對簡單和平順性較好等優(yōu)點。

參考文獻：

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