孫富權(quán)+馬思順

摘 要：對(duì)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(jìn)行了研究，在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了建模與仿真。首先文章建立了時(shí)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(jìn)而建立了饋能懸架的仿真模型。對(duì)所饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)算在不同等級(jí)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(duì)新型懸架系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）33-0007-03

隨著能源問題的不斷加劇，各國紛紛出臺(tái)法令限制汽車尾氣的排放和鼓勵(lì)新能源汽車的發(fā)展，節(jié)能已經(jīng)變成汽車設(shè)計(jì)（特別是電動(dòng)車設(shè)計(jì)）中的首先需要考慮的目標(biāo)之一。面對(duì)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(yùn)而生。所謂“饋能”就是將汽車散失掉的能量回收進(jìn)行二次利用以達(dá)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(gè)含有阻尼和彈性元件的非線性振動(dòng)系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)和路面不平度等振源的刺激下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。在傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)中，這部分由于隨機(jī)振動(dòng)而產(chǎn)生的機(jī)械能會(huì)被減振器以熱能的形式耗散掉。許多學(xué)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(dòng)能量卻一直未能引起人們的關(guān)注從而對(duì)它進(jìn)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(xué)特性也是值得關(guān)注的。進(jìn)行實(shí)物建模的話，經(jīng)歷時(shí)間長、成本高，計(jì)算機(jī)仿真建模耗時(shí)短，成本低，使得產(chǎn)品的研發(fā)費(fèi)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(xué)模型對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，并分析懸架系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。

1 氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)模型

1.1 氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)工作原理

氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、空氣彈簧閥、進(jìn)排氣閥、壓力傳感器、單向閥、高壓氣罐、氣動(dòng)饋能馬達(dá)、干燥劑、空氣泵和儲(chǔ)氣罐組成。當(dāng)汽車行駛過程中受到路面刺激，底盤發(fā)生振動(dòng)時(shí)，空氣彈簧由于瞬間的位移變化，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高壓氣體，高壓氣體通過單向閥進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐進(jìn)行穩(wěn)壓后驅(qū)動(dòng)饋能氣動(dòng)馬達(dá)，產(chǎn)生電能經(jīng)過調(diào)理電路儲(chǔ)存到蓄電池中，氣動(dòng)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(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)模型建立了1/4車體半主動(dòng)饋能懸架2自由度模型，通過已建立的白噪聲時(shí)域路面不平度仿真模型仿真其路面刺激在時(shí)域內(nèi)實(shí)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(píng)價(jià)懸架系統(tǒng)的平順性的性能指標(biāo)。

根據(jù)相關(guān)的力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可以得1/4車輛模型的運(yùn)動(dòng)方程如下所示：

（1）

根據(jù)饋能懸架空氣彈簧的力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型如下所示：

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

式中，A0表示空氣彈簧平衡時(shí)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(shí)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(píng)價(jià)懸架系統(tǒng)的平順性的性能指標(biāo)。

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(píng)價(jià)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(dòng)對(duì)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(jìn)行判斷，對(duì)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(píng)價(jià)法主要是采用車身加速度的均方根值來評(píng)價(jià)汽車的平順性[4，5]。其具體計(jì)算方法如式（9）計(jì)算函數(shù)的加權(quán)加速度均方根值：

（9）

分別對(duì)饋能懸架系統(tǒng)輸入A、B和C級(jí)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(jìn)行仿真，模擬車輛在A、B和C級(jí)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(jìn)而對(duì)其進(jìn)行平順性的評(píng)價(jià)。通過仿真結(jié)果得出氣動(dòng)式饋能懸架在A、B、C級(jí)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(duì)饋能懸架系統(tǒng)的建模，將不同等級(jí)路面及不同速度的路面不平度仿真波形輸入對(duì)饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以得出所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單和平順性較好等優(yōu)點(diǎn)。

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