论文总字数：22261字

摘 要

悬架对汽车的多项性能具有重要作用。为此，本文引入天棚阻尼控制理论对汽车半主动悬架在多种工况下的性能进行研究。首先，根据理论对选定车型的麦弗逊悬架进行设计计算，然后在CATIA中进行机械建模，测量模型关键尺寸，拟合得到设计点的坐标。根据坐标值，在ADAMS/View中建立1/4悬架动力学模型，施加约束保证悬架模型为二自由度。在MATLAB/Simulink中建立车速为15m/s和20m/s的C级随机路面激励模型，该模型产生的随机激励作为悬架动力学模型的驱动。在ADAMS/View中加载 ADAMS/Controls模块，通过该模块使悬架动力学模型转化为MATLAB/Simulink软件可以调用的控制系统模型，对于机械系统模型，悬架阻尼系数为输入变量，车身加速度和悬架动挠度为输出变量。那么在Simulink中定义输入为常数就构成了被动悬架，而建立开关式天棚阻尼策略来控制阻尼系数就构成了半主动悬架。最后进行联合对比仿真，发现天棚阻尼控制的半主动悬架的车身加速度、悬架动挠度均有所降低，即改善了汽车平顺性。

关键词：半主动悬架；ADAMS；MATLAB；动力学建模；数值仿真

Abstract

Suspension plays an important role in many of the performance of the car. To this end, this paper introduces the roof damping control theory to study the performance of the car's semi-active suspension in a variety of operating conditions. First, according to the theory, the McPherson suspension of the selected model is designed to calculate, and then mechanical modeling is carried out in CATIA to measure the key dimensions of the model and to fit the coordinates of the design points. According to the coordinate value, a 1/4 suspension dynamics model is established in ADAMS/View, and a constraint is applied to ensure that the suspension model is a second degree of freedom. In MATLAB/Simulink, a C-level random road excitation model with a speed of 15m/s and 20m/s was established, and the random excitation generated by the model was driven by the suspension dynamics model. The ADAMS/Controls module is loaded in ADAMS/View, through which the suspension dynamics model is converted into a control system model that MATLAB/Simulink software can call, for mechanical system models, the suspension damping coefficient is the input variable, and the body acceleration and suspension deflection are output variables. Then defining input as constant in Simulink constitutes a passive suspension, and the establishment of a switching roof damping strategy to control the damping coefficient constitutes a semi-active suspension. Finally, a joint comparison simulation was carried out, and it was found that the body acceleration and suspension deflection of the semi-active suspension controlled by the roof damping were reduced, which improved the smoothness of the car.

Key Words： Semi-active suspension；ADAMS；MATLAB；dynamic modeling；numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 悬架系统简介 1

1.2.1 悬架效能和构成 1

1.2.2 悬架的类型 2

1.3 研究现状 3

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 4

第2章 麦弗逊悬架主要构件的设计计算 5

2.1 悬架挠度的计算 5

2.1.1 静挠度的计算 5

2.1.2 动挠度的计算 6

2.2 螺旋弹簧的设计 6

2.2.1弹簧刚度 6

2.2.2 弹簧其他参数计算 7

2.3 减振器的设计 7

2.3.1 相对阻尼系数 8

2.3.2 确定减振器阻尼系数δ 8

2.3.3 确定最大卸荷力F₀ 8

2.3.4 确定减振器工作缸直径 9

2.3.5 设计减振器外缸筒 9

2.3.6 设计减振器活塞杆 9

第3章 悬架动力学系统的建立 10

3.1 汽车模型的简化 10

3.2 悬架动力学模型建立 10

3.2.1设置工作环境 10

3.2.2 创建设计点 10

3.2.3 创建构件 12

3.2.4 创建约束副 13

3.2.5 模型的检验 15

第4章 随机路面振动模型 16

4.1 路面不平度的功率谱密度 16

4.2 空间频率功率谱转化为时间频率功率谱 17

4.3 路面激励的时域描述 17

4.4 路面激励Simulink模型 18

4.4 随机路面模型导入View 19

第5章 联合仿真 21

5.1 理想天棚阻尼控制 21

5.2 ADAMS/Controls设计流程 22

5.3建立联合仿真 22

5.3.1 创建输入输出变量 22

5.3.2 仿真模型的建立 25

5.3.3 仿真结果分析 27

第6章 总结与展望 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

人们生活的水平越来越高，对汽车的操纵性、乘坐舒适度和安全性的要求也越来越高。在运行中，路面不均匀、车速和方向的变化这些外部激励，车辆在它们的作用下会发生振动。除了外部激励，车辆内部齿轮之间的打击，传动系统、车轮、发动机等旋转部件的失衡，也会产生离心力，使车辆零部件振动。这种汽车振动最直接的影响是给乘客带来不舒适和疲劳感，同时使车辆的动力性不能完全发挥，经济性差，严重时破坏车辆零部件，缩短车辆使用寿命^[1]。因此，降低振动，对提高汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性具有重要意义。

目前，我国道路主要为B级和C级道路。除了改善道路，减少汽车振动的来源外，还应该对汽车进行优化，以具有良好的减振性能。说到减振就不得不提悬架系统，悬架的上面连接着车架，悬架下面连接着车轮，地面对车轮有各种力和力矩的作用，而车轮经过悬架可以将这些力和力矩传到车身上，另外悬架系统具有弹性部件和减振装置，它们的共同作用能够减小车架的冲击感，也就是减少了来自路面不平这个外部激励引起的振动，从而使车辆能够安稳前进。一旦选择了悬挂元件，它们的特性和参数就不能改变。但是，在车辆运行时，汽车自身的状态不一致，例如满载或者空载，还有遇到的路面不一致，例如城市道路或者公路，那么驾驶人就会根据路面情况来调整相应的汽车速度，导致车速也不一致，以上这些条件会变化，那么，就要求悬架能够针对行驶条件不一致而改变自身的刚度和阻尼。因此，必须采用更先进的技术来控制悬架，以达到在各种工况下都能将车辆振动降至最低^[1]。

1.2 悬架系统简介

1.2.1 悬架效能和构成

悬架安装在车身和车轮之间，汽车运行时，地面对车轮有各种力和力矩的作用，而车轮经过悬架可以将这些力和力矩传到车身上，由于悬架系统具有弹性部件和减振装置，因此，可以使冲击力减小，使振动降低。它一般包含三个部件，弹性元件、导向机构、减振器，如图1.1所示。

图1.1 悬架的组成

1.2.2 悬架的类型

悬架类型多种多样，其中一种分类方式是分为非独立悬架和独立悬架，这是按照导向机构的类型来分类的。

如图1.2(a)为非独立悬架，对于汽车前半部分，只包含一根车桥，车桥左侧与左轮连接，车桥右侧与右轮连接，悬架有弹性元件，车架安装在弹性元件上面，车轮吊挂在弹性元件下方。

如图1.2(b)所示为独立悬架，它的特征就是左侧车轮和右侧车轮独立运动，车身左侧有弹性元件，下方吊挂左侧的车轮，车身右侧也有独立的弹性元件，吊挂右侧的车轮^[3]。

图1.2 非独立悬架与独立悬架

悬架的另外一种分类方式，就是分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架，这是按照功能原理的不同来分类的，如图1.3所示。被动悬架的结构参数是按照人们的经验来选择的，工程师往往先判断车辆的最常见的行驶工况，然后根据该工况来设计最适合该车的悬架的刚度和阻尼，因此，即使外部条件发生变化，悬架的刚度和阻尼也不会改变，也就是说悬架的性能一致。被动悬架只能以特定的方式保证在一定的状态和速度下达到最佳的性能，在一定程度上影响了汽车的行驶性和乘坐舒适性。

主动悬架具有力发生器，能够自动对车身施加力的作用，相当于改变了悬架的刚度和阻尼，产生不同的减振效果。在车辆运行时，由于道路、车速等条件不一样时，主动悬架能够感知外界工况的变化，进而自动改变力发生器施加力的大小和方向，尽可能地降低振动量。

半主动悬架的特征就是安装一个可调阻尼器，加入控制算法根据外界工况改变悬架的阻尼，它不需要外加能量，工作时几乎不消耗车辆的动力，而且可控阻尼器制造简单、制造成本低。因而半主动悬架有较好的应用前景。

图1.3 主动悬架、被动悬架、半主动悬架示意图

1.3 研究现状

1.3.1 国外研究现状

Juan C Tudon-Martinez1和 Diana Hernandez-Alcantara等研究了当阻尼器模型不能代表关键的非线性磁流变现象时，汽车悬架系统闭环性能可能出现的影响。选取两种精度不同的阻尼器模型:基于人工神经网络(ANN)的模型与经典的Bingham模型进行了比较。使用典型的误差度量进行了实验验证，结果表明，典型的识别方法模型之间的误差指标差异可能很小，但悬架在舒适性和道路保持方面的性能有显著差异^[4]。

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