车辆被动天棚阻尼悬架系统动态特性研究

朱志豪 张志豪 张鑫阳 黄煜栋

摘要：利用“惯容一弹簧一阻尼”悬架结构新体系，提出一种被动实现理想天棚阻尼的方法，设计了被动天棚阻尼悬架系统，建立了半车模型。被动天棚阻尼悬架提高汽车舒适性，验证了理想天棚阻尼被动实现方法的有效性。

关键词：车辆；悬架；反共振；惯容器；天棚阻尼

一、理想天棚阻尼的被动实现

（一）惯容器与弹簧并联谐振

“惯容-弹簧-阻尼”机械系统与“电容-电感-电阻”电子系统是相似的。在电路中，当电感与电容并联电路导纳为零时，电路会发生并联谐振，此时，电感电流与电容电流相互抵消，电感与电容并联部分相当于开路。同样，当弹簧与惯容器并联体的导纳为零时，弹簧与惯容器两端的力抵消，弹簧与惯容器并联部分相当于开路。因此，当弹簧与惯容器并联谐振时，弹簧与惯容器的并联体会阻断力的传递。

（二）“惯容-弹簧-质量”系统的反共振

“惯容-弹簧-质量”系统如图1所示。当弹簧和惯容器并联体的导纳为零时，弹簧与惯容器会发生并联谐振，阻断力向被隔离质量块的传递，此时，尽管输入位移z0的振幅不为零，但被隔离质量块的振幅却为零，即系统发生了反共振现象。“惯容一弹簧一质量”系统的反共振为理想天棚阻尼的被动实现提供了一种解决方法。

（三）理想天棚阻尼的被动实现方法

图2a是理想天棚阻尼悬架系统，首先，在图2a中的簧上质量和悬架之间插入并联的弹簧和惯容器，然后将天棚阻尼器与惯容器并联，如图2h所示。

图2a中理想天棚阻尼悬架系统参数是已知的。在图2b所示的被动天棚阻尼悬架系统中参数b2和k2未知外，其他参数与俩想天棚阻尼悬架系统相同。确定参数b2和k2的方法如下：

式中：k2——第2级悬架刚度，b2——惯容系数

3.由反共振频率ω2A与共振频率ω2相等，确定k2与b2的关系为：

k/m=k2/b2（1）

4.将式（1）作为一约束条件，将簧上质量的位移传递率作为优化问题的目标函数，求解该优化问题，即可得到参数k2与b2的值。

二、被动天棚阻尼悬架模型

被动天棚阻尼悬架系统的半车模型如图三所示。

三、系统频响分析

对状态方程式（12）两端同时做拉普拉斯变换得

sIX（s）=AX（s）+BZg（s）

Y（s）=CX（s）（13）

式中，I为单位矩阵，其阶次与矩阵A相同。

由式（13）可得X（s）=（sI-A）-1BZg（s） （14）

由（13）和式（14）可得系统传递函数矩阵为

G（s）=Y（s）Zg（s）=C（sI-A）-1B （15）

令s=2πif，代入式（15）得频响函数矩阵为

G（2πif）=C（2πifI-A）-1B （16）

根据频响函数绘制的频响特性曲线如图4。

由图4可知，在频率小于3Hz的低频部分，传统被动悬架由于车身共振出现了较大的共振峰，被动天棚阻尼悬架的共振峰较小，理想天棚阻尼悬架没有明显的共振峰。三者的质心垂直加速度、车身俯仰加速度增益低频共振峰值如表2所示。

结合图4可知，在小于3Hz的低频部分，与传统被动悬架相比，被动天棚阻尼悬架的前车身共振频率从1.1Hz降到了0.7Hz，后车身共振峰频率从1.3Hz降到了0.8Rz，被动天棚和理想天棚阻尼悬架的质心垂直加速度增益低频共振峰值分别减小了56.6%和65.8%，车身俯仰加速度减小了55.7%和66.2%，前车身垂直加速度分别减小了56%和68.4%，后车身垂直加速度分别减小了60.3%和69.5%

四、结论

（一）与传统被动悬架相比，被动天棚阻尼悬架在小于3Hz的低频部分质心垂直加速度、车身俯仰加速度、前车身垂直加速度和后车身垂直加速度增益低频共振峰值分别减小了56.6%、55.7%、56%和60.3%。提高汽车舒适性。

（二）被动天棚阻尼悬架能够实现理想天棚阻尼悬架的只要功能，验证了理想天棚阻尼被動实现的正确性和有效性。

参考文献：

[1]张孝良，理想天棚阻尼的被动实现及其在车辆悬架中的应用[D]，江苏大学，2012.

[2]陈龙，张孝良，汪若尘，应用惯性蓄能器的车辆悬架：中国，ZI200810123830.8.[P].2008—12-24.

[3]陈龙，张孝良，聂佳梅，等.基于半车模型的两级串联型ISD悬架性能分析[J].机械工程学报，2012，48（6）：102—108.