乘用车在不同车身高度下的平顺性分析

王金平， 李殿起， 王殿钧， 郭君娥

(沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳110870)

0 引 言

人们对汽车的乘坐舒适性要求越来越高，汽车平顺性是影响汽车乘坐舒适性的主要因素，但影响平顺性的原因有很多。因此汽车平顺性的研究具有重要的价值。各种激励会刺激行驶过程中的车辆，汽车因这些激励而产生振动，影响乘员的乘坐舒适性，并且使车辆的大部分零部件疲劳损伤，车辆的使用寿命因此缩短。另外，车辆的操纵稳定性会因车辆振动产生的轮胎动载荷受到影响，降低了车辆的安全性，限制了车辆的动力性，且路面也会在部分振动情况严重时遭到破坏[1]。

外国学者做过人对不同频率振动反应的试验，让人坐在椅子上，先给一个强度不是很大的振动，频率由低到高，缓慢变化。结果发现，振动频率小于1 Hz时，人感到头颅内振动，持续几分钟以后，会产生肌肉疼痛的感觉；频率为2 Hz时，人感到困乏、爱打瞌睡；5～8 Hz时，感到难以忍受，并且呼吸和讲话都受到干扰；9～30 Hz时，人会感到脸颊、颈部振动，视觉受到干扰；振动频率超过30 Hz时，人双手操作驾驶受到严重影响。汽车在驾驶过程中，路途颠震与发动机的震颤，致使司机和乘员长期处于全身振动状态，虽然振动的伤害对人体的损伤很小，但是这种损伤正如滴水穿石的积累，最终会对人体健康造成严重的损害。因此汽车平顺性的研究具有重要的价值。

J.A. Peterson[2]主动悬架系统中增加自适应阻尼，提升了车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。Kazemeini[3]建立了1/4车辆空气悬架模型，设计了全主动控制器和相应的试验台架，仿真和试验的结果均表明控制器能有效地降低车身的加速度和轮胎动载荷，提高了汽车平顺性。Selim Solmaz等[4]研究了安装轮毂电动机引起的簧下质量增加对车辆行驶平顺性的影响，并提出通过改进悬架及轮胎参数来抵消簧下质量增加引起的负面效应。对行驶平顺性的分析和评价方法的研究，国内学者要略晚于国外。但国内学者通过借鉴和吸收国外对平顺性的研究经验，也得到重要的研究成果。弓馨等[5]利用参数敏感度理论，分析轮胎刚度、悬架橡胶件垂向刚度、悬架弹簧刚度和座椅刚度对座椅和地板的垂直加速度均方根值的影响。张志飞等[6]针对商用车的平顺性与道路友好性协调问题，采用遗传算法优化悬架刚度和阻尼系数。

图1 车辆全主动悬架振动简化模型

1 全主动悬架振动简化模型

1/4车辆半主动悬架振动简化模型如图1所示。

由图1可得，1/4车辆全主动悬架振动简化模型的运动学微分方程为：

2 不同车高对平顺性的影响

部分限制条件的白噪声可用作路面激励的随机波动，以滤波器完成对它的一定转换，具有特定谱特征的随机过程可由空间功率谱密度与时间功率谱密度联合推导出，故路面不平度位移的时域表达式为

随机路面的模型在软件Simulink中的搭建如图2所示。

图2 随机路面输入模型

根据空气悬架系统振动模型、随机路面模型及全主动悬架的低位、中位和高位模型，在Matlab/Simulink中搭建的车身垂直加速度的仿真模型如图3所示。此仿真模型以车身3个高度模式的车高，得出车身垂直加速度的变化，进而得出空气悬架的高度调节对乘用车平顺性的影响。

图3 全主动悬架在不同车高下的仿真模型

当车速分别为30 km/h、50 km/h，路面等级分别为A、C时的车身垂直加速度仿真结果如图4～图7所示，表1和表2所示为车身垂直加速度均方根值的计算结果。

图4 车速30 km/h 时A 级路面车身垂直加速度仿真图

图5 车速30 km/h时C级路面车身垂直加速度仿真图

图6 车速50 km/h时A级路面车身垂直加速度仿真图

图7 车速50 km/h时C级路面车身垂直加速度仿真图

表1 车速30 km/h在A级和C级路面车身垂直加速度均方根值

3 结论

由仿真结果可以看出，相同车速下，全主动悬架在低位、中位和高位处车身垂直加速度均方根值逐渐增大，即车辆的行驶平顺性变差；相同路况下，全主动悬架在低位、中位和高位处车身垂直加速度均方根值逐渐增大，即车辆的行驶平顺性变差；车身位置变化对平顺性的影响大于车速和路况变化对平顺性影响。

表2 车速50 km/h在A级和C级路面车身垂直加速度均方根值