基于Simulink的1/4车辆悬架建模及仿真

郑丽辉　张月忠

摘 要：本文以1/4车辆悬架为研究对象，根据悬架动力学理论，建立动力學微分方程。并在Matlab/Simulink环境下搭建路面激励模型和1/4悬架系统动力学仿真模型，对衡量悬架舒适性的车身加速度、悬架动行程、车轮动载荷三方面评价指标进行仿真研究，为悬架设计提供技术参考。

关键词：1/4车辆悬架 舒适性 仿真研究

Modeling and Simulation of 1/4 Vehicle Suspension Based on Simulink

Zheng Lihui Zhang Yuezhong

Abstract：The article takes 1/4 vehicle suspension as the research object， and establishes dynamic differential equations based on suspension dynamics theory. In Matlab/Simulink environment， a road excitation model and a 1/4 suspension system dynamics simulation model are built to simulate the three evaluation indexes of body acceleration， suspension dynamic stroke， and wheel dynamic load to measure the comfort of suspension， so as to provide technical reference for suspension design.

Key words：1/4 vehicle suspension， comfort， simulation research

1 引言

车辆悬架连接车身与车轮，传递两者之间的作用力和力矩，并通过弹性元件和阻尼元件的相互作用衰减不平路面引起的车辆振动，提高车辆平顺性与舒适性。车辆悬架的类型可划分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种，若悬架系统各元件的特性参数不可调整的称为被动悬架，可调整的称为半主动悬架，能根据控制反馈信号产生主动控制力，适应路况和车况变化的称为主动悬架。

本文以1/4车辆悬架为研究对象，根据其二自由度的简化力学模型建立微分方程，并基于Matlab/Simulink建立了仿真模型。以某车型悬架参数为例，在以带限白噪声模拟的路面激励下，对衡量悬架舒适性的三方面评价指标进行仿真研究，为悬架设计提供技术参考。

2 1/4车辆悬架系统动力学模型

由于车辆结构的复杂性决定了车辆悬架是多自由度互相耦合的非线性系统。为分析问题方便，常将实车悬架模型简化成1/4车辆悬架二自由度模型。简化过程作如下假设：

（1）忽略簧载质量m2的变形，视其为刚体。

（2）车轮刚度k1和悬架减震弹簧刚度k2均为线性，忽略悬架减震器阻尼的迟滞现象。

（3）车辆行驶过程中，轮胎始终未脱离地面。

1/4车辆悬架二自由度力学模型如图1所示。图中，m1为车轮质量，m2为车身质量，k1为车轮等效刚度，k2为悬架减震弹簧等效刚度，c为悬架减震器等效阻尼系数，q为路面激励，z1为车轮垂向位移，z2为车身垂向位移，Fd为主动控制力。

以上悬架参数中若减震弹簧等效刚度k2或减震器等效阻尼系数c可调则为半主动悬架，若主动控制力Fd≠0则为主动悬架。本文只针对被动悬架进行建模仿真分析，即k2与c保持不变，Fd=0。

根据牛顿第二运动定律可得到悬架二自由度的四分之一车辆模型的运动微分方程为：

其中，表示车轮垂向速度，表示车身垂向速度，表示车轮垂向加速度，表示车身垂向加速度。

3 路面激励模型

根据GB 7031-86《车辆振动输入路面平度表示方法》中规定的路面功率谱密度的拟合表达式，本文本文采用一阶滤波带限白噪声的方法建立随机路面激励模型如式（2）所示。

式（2）中，表示下截止频率;表示随机路面激励信号;表示路面不平度系数，对于仿真的B级路面，=6.4*10-5;表示车速，取仿真速度60km/h，即=16.7m/s;表示均值为0的高斯白噪声信号。路面激励仿真模型如图2所示，仿真得到随机路面激励信号如图3所示。

4 1/4车辆悬架Simulink仿真及分析

本文研究对象为某家用轿车，仿真车辆悬架结构参数如表1所示。根据运动微分方程式（1）在Simulink环境下搭建1/4悬架系统仿真模型如图4所示。

车辆悬架舒适性的评价指标主要是车身加速度、悬架动行程、车轮动载荷三方面，针对这三个性能指标的仿真结果如图5至图7所示。

5 总结

本文根据1/4车辆悬架动力学理论，建立了动力学微分方程。以一阶滤波带限白噪声的方法模拟路面激励，在Matlab/Simulink环境下搭建路面激励模型和1/4悬架系统动力学仿真模型，并对衡量悬架舒适性的车身加速度、悬架动行程、车轮动载荷三方面评价指标进行仿真研究，为悬架设计提供技术参考。

基金项目：衢州市科技计划指导性项目（2019003）：车辆半主动悬架智能控制系统的设计与实现

参考文献：

[1]崔胜民.汽车系统动力学及仿真[M].北京：农北京大学出版社，2014.

[2]陈杰平，陈无畏，祝辉，等.基于Matlab/Simulink的随机路面建模与不平度仿真[J].农业机械学报，2010，41（3）：11-15.

[3]夏伟.基于Simulink的汽车主动悬架仿真分析[J].汽车实用技术，2018，（21）：38-41.

[4]张潮，郭京波，张海东，等.四分之一车辆悬架平顺性研究[J].机械工程与自动化，2019，（2）：11-12.

[5]张志飞，徐中明，贺岩松.汽车平顺性客观评价方法[J].重庆大学学报，2010，33（4）：14-20.