基于MATLAB仿真的汽車懸架控制研究-車輛工程專業(yè)

基于MATLAB仿真的汽車懸架控制的研究摘要隨著我國的科學(xué)及技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。根據(jù)公安部和中國汽車流通協(xié)會的統(tǒng)計，僅2019年，中國就登記了2578萬輛新車，居世界首位。到2020年，中國汽車保有量已達(dá)2.6億輛，并穩(wěn)步增長。這也帶來了一系列的問題，其中行車安全性和乘坐的舒適性受到顧客的關(guān)注。而在未來的社會中汽車購買的主力軍會是女性，女性對汽車的舒適性是最敏感的，汽車的懸掛系統(tǒng)在汽車舒適性中占據(jù)主導(dǎo)地位。本文主要對汽車的汽車的主動懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，從而讓汽車的安全性、舒適性和平順性得到明顯的提高，使汽車的行駛不在受路面的影響。通過對汽車的懸架系統(tǒng)的類別、組成、工作的原理和發(fā)展的程度進(jìn)行了概括性的介紹，根據(jù)汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展情況，對通過數(shù)學(xué)模型的建立和仿真，探討了汽車主動懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過仿真的結(jié)果分析汽車主動懸架在汽車行駛期間的工作狀態(tài)和在不同路況下對汽車行駛的影響。利用Simulink模塊建立整車懸架系統(tǒng)的仿真模型，觀察不同懸架類型對汽車行駛的安全性、舒適性和平順性的影響，根據(jù)仿真結(jié)果，得出結(jié)論，分析主動懸架系統(tǒng)能否發(fā)揮理論上的作用。最后，基于Matlab/SimuLink對車輛主/被動懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，并進(jìn)行仿真分析。得出的結(jié)論是，主動懸架系統(tǒng)可以有效地提高車輛的安全性，舒適性和舒適性。【關(guān)鍵詞】汽車懸架，MATLAB，Simulink，主動懸架，被動懸架ResearchonAutomobileSuspensionControlBasedonMATLABSimulationAbstractWiththerapiddevelopmentofscience,technologyandsocialeconomyinChina.AccordingtostatisticsoftheMinistryofpublicsecurityandChinaAutomobileCirculationAssociation,in2019alone,Chinaregistered25.78millionnewcars,rankingfirstintheworld.By2020,China'scarownershiphasreached260million,withasteadygrowth.Thisalsobringsaseriesofproblems,amongwhichthesafetyofdrivingandthecomfortofridingareconcernedbycustomers.Inthefuturesociety,themainforceofcarpurchasewillbewomen.Womenarethemostsensitivetothecomfortofcars.Thesuspensionsystemofcarsplaysaleadingroleinthecomfortofcars.Inthispaper,theactivesuspensionsystemofthecarismodeledandanalyzed,sothatthesafety,comfortandsmoothnessofthecarcanbesignificantlyimproved,sothatthedrivingofthecarisnotaffectedbytheroad.Thispaperintroducesthecategory,composition,workingprincipleanddevelopmentdegreeoftheautomobilesuspensionsystem.Accordingtothedevelopmentoftheautomobilesuspensionsystem,itdiscussesthestructureandworkingprincipleoftheautomobileactivesuspensionsystemthroughtheestablishmentandSimulationofthemathematicalmodel.Throughthesimulationresults,itanalyzestheworkingstateoftheautomobileactivesuspensionduringthedrivingperiodandwhetheritisworkingornotTheinfluenceofthesameroadconditiononthevehicledriving.ThesimulationmodelofthewholevehiclesuspensionsystemisestablishedbyusingtheSimulinkmodule,andtheinfluenceofdifferentsuspensiontypesonthesafety,comfortandridecomfortofthevehicleisobserved.Accordingtothesimulationresults,theconclusionisdrawn,andwhethertheactivesuspensionsystemcanplayatheoreticalroleisanalyzed.Finally,thevehicleactive/passivesuspensionsystemismodeledandsimulatedbasedonMATLAB/Simulink.Theconclusionisthattheactivesuspensionsystemcaneffectivelyimprovethesafety,comfortandcomfortofthevehicle.1緒論1.1引言目前，駕駛員在日益復(fù)雜的道路交通環(huán)境中駕馭汽車時，由于路況的復(fù)雜性，他們需要更頻繁地改變行駛方向，駕駛員和乘客越來越依賴汽車的懸掛系統(tǒng)，作為汽車的五大總成之一，一個好的懸掛系統(tǒng)將給駕駛員提供一個更穩(wěn)定的控制感和安全的駕駛體驗并且乘客能感受到一個更舒適的乘坐感。在當(dāng)前安全性、舒適性和乘坐舒適性的發(fā)展背景下，一個良好的懸架系統(tǒng)對于汽車的研發(fā)和消費者的購買顯得尤為重要。尤其是這個電氣化的時代，主動懸架具有根據(jù)汽車行駛的路況、汽車的載荷質(zhì)量、行駛的速度控制懸架的剛度和自動調(diào)節(jié)車身的高度和硬度的優(yōu)點。這也使汽車在行駛過程中更具有穩(wěn)定性，從而使汽車在行駛過程中的安全性、平順性和舒適性得到大幅度提高。從第一輛汽車落地到現(xiàn)在早已有一百多年的歷史，為了提升汽車的舒適度，人們不斷完善汽車懸掛系統(tǒng)，到目前為止汽車懸掛系統(tǒng)無論是機(jī)械結(jié)構(gòu)還是各種參數(shù)都得到了很好的論證，但是仍然存在缺陷。然而，主動懸架和半主動懸架的應(yīng)運(yùn)而生為解決汽車懸架的發(fā)展這個問題提供了新方向和新思路。1.2主流汽車懸架的組成及分類汽車懸架系統(tǒng)是車身連接車輪的重要機(jī)構(gòu)，主要為了緩和路面沖擊、保證輪胎附著、提升車輛行駛穩(wěn)定性和舒適性。懸掛系統(tǒng)通常是由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減震機(jī)構(gòu)、彈性元件和輔助機(jī)構(gòu)組成，一般按照其可控性分成主動懸架、被動懸架和半主動懸架三個版本REF_Hlk37017547\r\h[1]。被動懸架因起價格低廉、結(jié)構(gòu)可靠而被普遍應(yīng)用，但其參數(shù)和結(jié)構(gòu)不可變，環(huán)境應(yīng)變能力較弱。主動懸架是利用多種傳感器結(jié)合ECU、液壓動力或氣壓動力改變懸架行程等實時參數(shù)的閉環(huán)系統(tǒng)，它可以更好地響應(yīng)不同的道路，并大大提高車輛懸架系統(tǒng)性能。半主動懸架是一種非動力懸架系統(tǒng)，在普通的被動懸架系統(tǒng)中增加了可控制的阻尼元件。其原始彈簧（鋼板）彈性系數(shù)不變，只可在特定范疇內(nèi)改變阻尼系數(shù)以提高懸架系統(tǒng)的整體性能。1.3汽車主動懸架的發(fā)展?fàn)顩r1.3.1國外發(fā)展?fàn)顩r為了解決如何提高汽車的乘坐舒適性，操縱穩(wěn)定性和行駛平順性性的問題，主動懸架的概念在1950年代和1960年代問世REF_Ref37103323\r\h[2]。法國雪鐵龍汽車公司設(shè)計并投入生產(chǎn)的首個液壓空氣懸架系統(tǒng)，可大大提高當(dāng)時的車輛行駛舒適性，但迫于技術(shù)和生產(chǎn)工藝限制，這套懸架系統(tǒng)未能得到普及。上世紀(jì)七十年代，美籍工程師D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了主動懸架控制的觀念，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家提出了最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和預(yù)測控制等先進(jìn)的控制概念。上世紀(jì)90年代，日產(chǎn)將最新的主動懸架系統(tǒng)應(yīng)用于英菲尼迪Q45，這一舉措進(jìn)一步提高了該款汽車在較差路況條件下的行駛能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可調(diào)式懸架控制系統(tǒng)出現(xiàn)了。它可以根據(jù)汽車運(yùn)行的工作狀態(tài)和路面的實際情況手動控制懸架的特性。近年來，隨著大規(guī)模集成電路和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，日本豐田汽車公司已將主動懸架應(yīng)用于豐田的SOARER中型轎車上，使汽車的平順性提高大約7%左右。1.3.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r相比于其他國家來說，我國的汽車工業(yè)起步整體較晚，因此，對于主動懸架系統(tǒng)的研發(fā)和推廣也受制于行業(yè)整體情況。在我國早期，主要研究的方向是半主動懸架的控制方法，最為典型的是汪桂香團(tuán)隊的“模糊滑模控制器”和重慶大學(xué)廖昌蓉所采用的“頻域加權(quán)最優(yōu)控制方法”，但是兩者的設(shè)計在實際應(yīng)用中都不理想。經(jīng)過多年的不斷研究、探索和發(fā)展。北京理工大學(xué)丁科教授的團(tuán)隊使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來控制和研究主動懸架。重慶交通大學(xué)何渝生教授團(tuán)隊運(yùn)用LQG最優(yōu)控制理論REF_Ref37106510\r\h[3]，有效研究了汽車的主動懸架系統(tǒng)，極大地提高了汽車的乘坐舒適性，安全性和行駛平順性。對于國內(nèi)的汽車制造汽車來說對主動懸架的應(yīng)用還是處在起步階段。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，宇通汽車公司研發(fā)了一款以變剛度氣囊器件和新型變阻尼減震器為主體的半主動懸架系統(tǒng)，并運(yùn)用在了宇通的豪華大巴上，大大提高了整車的乘坐舒適性和車輛的行駛安全性。東風(fēng)汽車公司開發(fā)出了液氣復(fù)合式和電磁式半主動懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)沖破了國外對汽車半主動懸架的壟斷，為我國主動懸架的研究和開發(fā)提供了基礎(chǔ)REF_Ref37106580\r\h[4]。1.4本課題主要研究內(nèi)容在以往相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上主要對汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行模型的建立和仿真的設(shè)計和研究，研究的內(nèi)容如下：1、首先，對汽車最常見的懸架系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行梳理和總結(jié)，分析目前汽車主動懸架系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和不足之處，探討該系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。2、其次，根據(jù)我國的道路條件，選擇具有代表性的A、B和C三種道路，研究了各種工況下汽車懸架系統(tǒng)的運(yùn)行條件。3、最后，汽車主動懸架和被動懸架系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析和對汽車懸架系統(tǒng)以路面激勵和汽車懸架運(yùn)動進(jìn)行建模，使用MATLAB中的Simulink模塊模擬主動懸架和被動懸架的道路激勵模型和運(yùn)動模型REF_Ref37106129\r\h[7]，將仿真結(jié)果與曲線進(jìn)行比較，得出結(jié)論。2汽車懸架的類型不論是傳統(tǒng)的燃油汽車還是新能源的汽車，汽車的懸架系統(tǒng)需要滿足的要求基本一致，這些要求之間可能會因為汽車工況不同而發(fā)生沖突。實際上，主流汽車懸架系統(tǒng)的組成其實大同小異，都是由簧片、減振器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及穩(wěn)定桿等構(gòu)成，連接車體與輪胎，傳遞動力的中間機(jī)構(gòu)，如圖2.1所示。1-上擺臂；2-減震彈簧；3-減振器；4-下擺臂；5-穩(wěn)定杠；6-縱向推力桿圖2.1普通懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.1汽車被動懸架被動懸架系統(tǒng)是路面上最為常見的懸架形式，其板簧彈性系數(shù)和減震行程等都是綜合大數(shù)據(jù)確定的固定參數(shù)，因此只能在一定程度上適應(yīng)大部分路面狀況。但這類懸架系統(tǒng)制造工藝簡單，材料成本低廉，且結(jié)構(gòu)簡單可靠，性能穩(wěn)定，很適合大批量普及型汽車的懸架應(yīng)用。2.1.1被動懸架的組成通常，被動懸架由螺旋彈簧（或鋼板彈簧）、液壓阻尼器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成的，如圖2.2所示圖2.2被動懸架結(jié)構(gòu)圖2.1.2汽車被動懸架工作原理汽車被動懸架工作原理如圖2.3所示圖2.3汽車被動懸架做功原理當(dāng)車輛行駛時，輪胎受路面起伏影響將所受沖擊轉(zhuǎn)化成垂直向上的力REF_Ref37106630\r\h[5]（實際上力是與垂直面有一定角度的，此處為方便理解不代入），由螺旋彈簧或鋼板彈簧吸收這個力，再由液壓減震器緩和彈簧回彈，從而在一定程度上減輕路面的沖擊，提高乘坐舒適性。2.2汽車半主動懸架一般而言，半主動懸架系統(tǒng)是一種懸架系統(tǒng)REF_Ref37106701\r\h[6]，可以通過傳感器判斷道路狀態(tài)，車輛駕駛姿態(tài)和車身響應(yīng)，調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)中的減震器并更改阻尼系數(shù)來提高車輛的乘坐舒適性和乘坐舒適性。實時滿足道路和車輛駕駛要求。2.2.1汽車半主動懸架的組成常規(guī)的半主動懸架系統(tǒng)是由ECU、機(jī)械減震器、車身加速度傳感器、車輪加速度傳感器和控制閥構(gòu)成。汽車半主動懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4汽車半主動懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2.2汽車半主動懸架的工作原理通常，半主動懸架系統(tǒng)通過特定的傳感器將道路的行駛狀況和汽車的運(yùn)動狀態(tài)傳輸?shù)街醒肟刂破鳎瑥亩梢哉{(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的阻尼，并改善乘坐舒適性和乘坐性能。達(dá)到提高汽車的舒適度的最終目的。圖2.5汽車半主動懸架系統(tǒng)做功原理圖2.3汽車主動懸架常規(guī)的汽車主動懸架是道路信息和傳感器提供的車輛狀態(tài)信息的結(jié)合，以特定的程序作出判斷，對車輛懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼特性、減震行程等實時調(diào)控，從而確保車輛懸架系統(tǒng)能夠始終以最佳的狀態(tài)運(yùn)行。2.3.1汽車主動懸架的構(gòu)成汽車主動懸架系統(tǒng)通常是由彈性部件、可變阻尼減振器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和ECU組成REF_Hlk37017547\r\h[1]，其結(jié)構(gòu)示意如圖2.6所示。圖2.6汽車主動懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.2汽車主動懸架的工作原理車輛行駛過程中，傳感器將車輛行駛的路面狀況和汽車的運(yùn)動狀態(tài)傳送給ECU，ECU將這些信息與車輛的工作狀態(tài)相結(jié)合，以對特定程序進(jìn)行全面處理，并輸出響應(yīng)以調(diào)節(jié)車輛懸架系統(tǒng)的剛度，阻尼和車身高度REF_Ref37106731\r\h[10]。電子控制單元不斷接受傳感器發(fā)出的電信號并不斷發(fā)出需要控制懸架的工作指令，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對汽車主動懸架系統(tǒng)的高速、連續(xù)的調(diào)整。汽車主動懸架系統(tǒng)工作原理圖如圖2.7所示圖2.7汽車主動懸架系統(tǒng)工作原理圖2.4懸架性能的比較總而言之，現(xiàn)代汽車懸架系統(tǒng)一般有三部分組成，分別是被動懸架、半主動懸架和主動懸架。被動懸架作為汽車上的第一代懸架系統(tǒng)，塔以其獨特的成熟性、結(jié)構(gòu)簡單性、性能可靠性、成本低廉性，且不需要額外能量，相對來說比主動懸架系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢，并且以其獨特的優(yōu)勢占據(jù)了汽車懸架系統(tǒng)的半壁江山。而半主動懸架在被動懸架的根柢上作了改進(jìn)，但受限于無源控制，無法對特定工況下的懸架特性進(jìn)行調(diào)整，譬如車輛在起步、制動或轉(zhuǎn)彎時，因此應(yīng)用場景有限。但主動懸架系統(tǒng)可以更加高效的實時調(diào)節(jié)參數(shù)，以滿足愈加復(fù)雜的行駛條件，在保證其基本性能的同時，最大限度為車輛提供近乎完美的懸架響應(yīng)。但其制造工藝要求較高，價格昂貴，一般只應(yīng)用于中高端轎車和部分性能車上。3汽車懸架系統(tǒng)的建模當(dāng)車輛在不同的道路上行駛時，懸架系統(tǒng)會反映出車輛的乘坐舒適性和安全性。在研究車輛懸架系統(tǒng)的主動控制和被動控制對車輛行駛的影響時，通常采用道路模型和懸架系統(tǒng)的動力學(xué)模型進(jìn)行分析REF_Ref37106900\r\h[8]。3.1被動懸架動力學(xué)模型3.1.1路面模型在長期的研究中，汽車工程師得出以下結(jié)論：通常，影響汽車行駛平順性，駕駛員的操縱穩(wěn)定性和乘客乘坐舒適性的主要因素是空氣動力學(xué)因素，慣性因素和由車身結(jié)構(gòu)決定的行駛道路因素，其中，最具影響力的是車輛懸架系統(tǒng)上道路的力學(xué)特性。在余志生“汽車?yán)碚摗敝械姆治鲋?，可知路面的統(tǒng)計特性，并知道應(yīng)該怎么樣去測量得到路面的不平度系數(shù)REF_Ref37106935\r\h[9]。根據(jù)國際規(guī)范和中國長春汽車研究所發(fā)表的文章，路面功率譜密度都由表示，用式（3-1）作為的擬合表述式： （3-1）式中：；；；；當(dāng)時，根據(jù)道路功率譜密度的不同，路面不平度可以分成八個等級，如表3.1所示表3.1路面不平度標(biāo)準(zhǔn)路面等級幾何平均值幾何平均值163.81647.61表3.1路面不平度標(biāo)準(zhǔn)續(xù)25615.23102430.45409660.9016384121.8065536243.61262144487.22由圖3.1可知，當(dāng)時路面功率譜密度與波長的平方成正比例。在圖中綠色部分為1983年德國的公路路面譜的遍布，由圖可以看出德國公路大部分是A級路面REF_Ref37107046\r\h[12]，只有少部分是B、C級路面。在我們國家的公路大部分以B、C級為主，為了使研究更加符合實際，對A、B、C級路面都進(jìn)行研究。 圖3.1路面不平度分級圖為了反映車輛在實際道路上的行駛性能，在對路面不平度的時域模型仿真中本文采用了白噪聲產(chǎn)生的方法。道路不平度時域模型可用式（3-2）表示（3-2）式中，是路面不平度輸入；是車速；是B級路面不平度的幾何平均值；是單位白噪聲。3.1.21/4被動懸架力學(xué)模型圖3.2(a)汽車在路面上行駛時，垂直方向的車輪位移可視為一個激勵運(yùn)動信號REF_Ref37107069\r\h[11]，作用于汽車的被動懸掛系統(tǒng)。汽車被動懸架系統(tǒng)的運(yùn)動通常是由質(zhì)心的平移運(yùn)動和繞質(zhì)心的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動組成，由于汽車被動懸架系統(tǒng)的模型比較復(fù)雜，在汽車被動懸架系統(tǒng)的垂直方向進(jìn)行了模型簡化,如圖3.2（b）所示。圖3.2汽車被動懸架系統(tǒng)的1/4模型圖3.2（b）所示各個參數(shù)的意義為：為路面激勵，；為車身的位移，；為車架的位移，；為輪胎等效剛度，；為懸架彈簧剛度，；為固定阻尼減震器的減震系數(shù)，；為車體的質(zhì)量，；為車架的質(zhì)量，。以牛頓第二定理和汽車?yán)碚撝械钠嚤粍討壹艿目刂圃碜鳛槔碚撘罁?jù)，可以取得汽車被動懸架系統(tǒng)的運(yùn)動方程為：（3-3）（3-4）為了更好地表達(dá)汽車被動懸架的狀態(tài)，將運(yùn)動方程式轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程式，并選擇以下狀態(tài)變量：，，，。則，，，。將汽車被動懸架的狀況方程寫成矩陣的表達(dá)式：=+（3-5）3.2主動懸架動力學(xué)模型汽車主動懸架系統(tǒng)實際上就是由外部輸入有源信息對車身的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行有效可控控制REF_Ref37107069\r\h[11]，因此，極大地提高了車輛的操縱穩(wěn)定性，行駛平穩(wěn)性和乘坐舒適性。3.2.1路面模型當(dāng)汽車以速度在空間頻率為的路面上行駛時，則時間效率為與的乘積，即（3-6）可得空間譜密度與時間譜密度之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)表達(dá)式如下：（3-7）將式子(3-1)和（3-6）代入式子（3-7），可以得到式（3-8）：（3-8）因此，垂直位移與垂直加速度的功率譜的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為:(3-9)當(dāng)時，(3-10)根據(jù)公式（3-10）可以得到車速為一個常數(shù)，因此地面垂直速率的功率譜密度也為一個常數(shù)，因此可以將其視為一個白噪聲過程。車輛主動懸架系統(tǒng)的路面輸入模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（3-11）式中：——下截至頻率，;——路面不平度系數(shù)，；——車輛前進(jìn)的車速；——隨機(jī)輸入的單位白噪聲；3.2.21/4主動懸架動力學(xué)模型通過分析汽車被動懸架系統(tǒng)的最佳阻尼匹配，可以得出結(jié)論，汽車乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性與簧載質(zhì)量加速度懸架動撓度和車輪動載荷有關(guān)，并與傳遞函數(shù)之間性能上存在顯著的數(shù)學(xué)關(guān)系REF_Ref37107133\r\h[13]，改善汽車被動懸架系統(tǒng)三個傳遞函數(shù)中的其中一個的性能，都要以降低其他兩個傳遞函數(shù)的性能作為基礎(chǔ)。對于汽車懸架系統(tǒng)來說，汽車主動懸架系統(tǒng)就是使用CPU發(fā)出指令對汽車的懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，這是汽車被動懸架系統(tǒng)無法比擬的。四分之一的二自由度車身動力學(xué)模型是首選模型。盡管四分之一的車身動力學(xué)模型只是車輛尺寸的四分之一，但它具有研究車輛主動懸架系統(tǒng)的所有特征。汽車主動懸架系統(tǒng)受力圖如圖3.3所示。圖3.3汽車主動懸架系統(tǒng)受力模型圖3.3所示各參數(shù)的定義如下：為車輪質(zhì)量；為車身質(zhì)量；為輪胎剛度；懸架彈簧剛度；為懸架有效阻尼；為控制力；為路面位移；為車輪位移；為車身位移以牛頓力學(xué)運(yùn)動定理和汽車主動懸架受力圖作為依據(jù)可以創(chuàng)立下列的動力學(xué)方程：（3-12）（3-13）在式（3-12）及（3-13）中：為車輪質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度為車身質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度為車輪質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度為車身質(zhì)量質(zhì)心的垂直速度由式（3-12）、（3-13）可以得到：（3-14）（3-15）4汽車懸架系統(tǒng)仿真4.1建模環(huán)境的介紹本文中使用的Simulink模塊是MATLAB中的一個簡單的可視數(shù)據(jù)模擬工具包，它可以提供非常全面的模塊和工具箱，從而使建模更加方便快捷REF_Ref37273374\r\h[14]。Simulink模塊可以輕松實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的建模，仿真和數(shù)據(jù)歸納分析REF_Ref37106701\r\h[6]。該工具包還廣泛用于處理線性/非線性系統(tǒng)，離散，連續(xù)系統(tǒng)和單/多任務(wù)系統(tǒng)，甚至可以在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)不同的變化率，因此效率很高。此外，Simulink模塊具有高度的開放性，可以以框圖形式顯示模型，組合多個現(xiàn)有模型或?qū)⑸傻哪Ｐ吞砑拥侥K中。在使用該模塊時，我們可以不用受限于線性系統(tǒng)模型，構(gòu)建更貼近真實的非線性系統(tǒng)。4.2被動懸架系統(tǒng)的Simulink仿真模型4.2.1路面模型的仿真在Simulink模塊中，根據(jù)公式（3-2），創(chuàng)建道路激勵模型REF_Ref37106129\r\h[7]，如圖4.1所示，在模型中選取A、B和C級道路垂直速度在仿真中作為激勵。在激勵中使用的路面不平度系數(shù)分別為，，和，使用白噪聲法建立的模型如圖4.1所示。圖4.1汽車被動懸架系統(tǒng)路面激勵模型仿真圖根據(jù)圖4.1建立的仿真的結(jié)果如圖4.2至4.4所示：圖4.2A級路面輸入圖4.3B級路面輸入圖4.4C級路面輸入4.2.21/4被動懸架系統(tǒng)的仿真在Simulink模塊中以式（3-3）、(3-4)和（3-5）作為依據(jù)對1/4汽車被動懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行創(chuàng)建REF_Ref37107046\r\h[12]。在模型中，車架的質(zhì)量為，車身的質(zhì)量為，輪胎剛度為，，彈簧剛度為，，，汽車的車速為，。通過對有限帶寬白噪聲進(jìn)行積分REF_Ref37106580\r\h[4]，可以獲得計算結(jié)果。建立的模型如圖4.4所示。圖4.4汽車被動懸架系統(tǒng)1/4仿真模型進(jìn)行仿真得出的結(jié)果如圖4.5至4.7所示。圖4.5汽車被動懸架系統(tǒng)車身垂直振動速率曲線圖4.6汽車被動懸架系統(tǒng)動行程曲線圖4.7汽車被動懸架系統(tǒng)輪胎動載荷4.3主動懸架系統(tǒng)的Simulink仿真4.3.1路面模型的仿真以式（3-11）作為依據(jù)，在Matlab中的Sumlink模塊創(chuàng)立路面激勵模型REF_Ref37106129\r\h[7]，如圖4.8所示，在模型中，選擇A、B和C級路面垂直速度作為激勵REF_Ref37103323\r\h[2]。在激勵中使用的路面不平度取，汽車的行駛車速分別取、和，為均值的隨機(jī)輸入的單位白噪聲，取3.14。在Simulink中建立的汽車主動懸架系統(tǒng)路面激勵仿真模型如圖4.8所示。4.8汽車主動懸架系統(tǒng)路面激勵模型圖通過對圖4.8建立的模型進(jìn)行仿真得出的結(jié)果如圖4.9至4.11所示。圖4.9A級路面輸入圖4.10B級路面輸入模型圖4.11C級路面輸入模型4.3.21/4主動懸架系統(tǒng)的仿真根據(jù)式（3-16）至（3-21）及（3-21）在Simulink中建立模型圖。在模型中下截至頻率，；車輪的質(zhì)量，；1/4車身的質(zhì)量為，；車輪的剛度為；主動懸架彈簧的剛度為；主動懸架的阻尼系數(shù)為，；路面的不平度系數(shù)為，，汽車的車速為，，路面輸入信號也就是式（3-11），式中是高斯白噪聲。依據(jù)這些條件，主動懸架的控制力，將車身加速度作為反饋信號。主動控制力的仿真圖如（4-12）所示，并用傳遞函數(shù)連接的MATLAB/Simulink仿真圖如（4-13）所示。圖4.12汽車主動懸架系統(tǒng)控制力仿真圖圖4.141/4汽車主動懸架系統(tǒng)仿真模型根據(jù)建立的1/4汽車主動懸架仿真得出的結(jié)果如圖4.14-4.16所示圖4.14車輪動載荷曲線圖圖4.15汽車主動懸架動擾度曲線圖4.16汽車主動懸架系統(tǒng)車身加速度曲線圖結(jié)論影響汽車振動的因素很多，但道路質(zhì)量不僅是汽車振動的主要原因，也是汽車舒適性的主要因素。路面越差，車輛的振動肯定越明顯了，因此我們國家在道路建造的過程中，一定不能偷工減料，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。對于車輛的乘坐舒適性，操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性而言，使我們的道路盡可能達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)非常重要。當(dāng)你駕駛車輛行駛在路況極差的路面時，作為駕駛員，一定要控制車速，使得汽車的振動盡量小，便于汽車的操縱。改變懸架剛度和阻尼也可以降低懸架的振動剛度，使其平順性大幅度提高。減振器阻尼越小，汽車的行駛性能越好。而阻尼比越小汽車振動越明顯，所以用主動懸架更能適應(yīng)復(fù)雜的路面。經(jīng)過ECU計算得到最佳的調(diào)度，然后輸出到懸架的執(zhí)行元件，能夠隨時改變懸架剛度和減振器阻尼，使懸架一直處在最頂尖狀況。然而，在當(dāng)今社會，大多數(shù)汽車使用的懸架系統(tǒng)是被動懸架，而在汽車的懸架系統(tǒng)使用主動懸架系統(tǒng)的基本上都是豪華汽車，因為汽車主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛者的需求，改變汽車的運(yùn)動姿態(tài)，給駕駛者更好的駕駛感受。汽車主動懸架系統(tǒng)具有其他汽車懸架無