基于MATLAB仿真的汽車(chē)懸架控制研究-車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)

基于MATLAB仿真的汽車(chē)懸架控制的研究摘要隨著我國(guó)的科學(xué)及技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。根據(jù)公安部和中國(guó)汽車(chē)流通協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，僅2019年，中國(guó)就登記了2578萬(wàn)輛新車(chē)，居世界首位。到2020年，中國(guó)汽車(chē)保有量已達(dá)2.6億輛，并穩(wěn)步增長(zhǎng)。這也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，其中行車(chē)安全性和乘坐的舒適性受到顧客的關(guān)注。而在未來(lái)的社會(huì)中汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)的主力軍會(huì)是女性，女性對(duì)汽車(chē)的舒適性是最敏感的，汽車(chē)的懸掛系統(tǒng)在汽車(chē)舒適性中占據(jù)主導(dǎo)地位。本文主要對(duì)汽車(chē)的汽車(chē)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，從而讓汽車(chē)的安全性、舒適性和平順性得到明顯的提高，使汽車(chē)的行駛不在受路面的影響。通過(guò)對(duì)汽車(chē)的懸架系統(tǒng)的類(lèi)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(chē)懸架系統(tǒng)的發(fā)展情況，對(duì)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立和仿真，探討了汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)仿真的結(jié)果分析汽車(chē)主動(dòng)懸架在汽車(chē)行駛期間的工作狀態(tài)和在不同路況下對(duì)汽車(chē)行駛的影響。利用Simulink模塊建立整車(chē)懸架系統(tǒng)的仿真模型，觀察不同懸架類(lèi)型對(duì)汽車(chē)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(dòng)懸架系統(tǒng)能否發(fā)揮理論上的作用。最后，基于Matlab/SimuLink對(duì)車(chē)輛主/被動(dòng)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(dòng)懸架系統(tǒng)可以有效地提高車(chē)輛的安全性，舒適性和舒適性?！娟P(guān)鍵詞】汽車(chē)懸架，MATLAB，Simulink，主動(dòng)懸架，被動(dòng)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(chē)時(shí)，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(lái)越依賴(lài)汽車(chē)的懸掛系統(tǒng)，作為汽車(chē)的五大總成之一，一個(gè)好的懸掛系統(tǒng)將給駕駛員提供一個(gè)更穩(wěn)定的控制感和安全的駕駛體驗(yàn)并且乘客能感受到一個(gè)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(gè)良好的懸架系統(tǒng)對(duì)于汽車(chē)的研發(fā)和消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)顯得尤為重要。尤其是這個(gè)電氣化的時(shí)代，主動(dòng)懸架具有根據(jù)汽車(chē)行駛的路況、汽車(chē)的載荷質(zhì)量、行駛的速度控制懸架的剛度和自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)身的高度和硬度的優(yōu)點(diǎn)。這也使汽車(chē)在行駛過(guò)程中更具有穩(wěn)定性，從而使汽車(chē)在行駛過(guò)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(chē)落地到現(xiàn)在早已有一百多年的歷史，為了提升汽車(chē)的舒適度，人們不斷完善汽車(chē)懸掛系統(tǒng)，到目前為止汽車(chē)懸掛系統(tǒng)無(wú)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(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架的應(yīng)運(yùn)而生為解決汽車(chē)懸架的發(fā)展這個(gè)問(wèn)題提供了新方向和新思路。1.2主流汽車(chē)懸架的組成及分類(lèi)汽車(chē)懸架系統(tǒng)是車(chē)身連接車(chē)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(chē)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(dòng)懸架、被動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架三個(gè)版本REF_Hlk37017547\r\h[1]。被動(dòng)懸架因起價(jià)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(dòng)懸架是利用多種傳感器結(jié)合ECU、液壓動(dòng)力或氣壓動(dòng)力改變懸架行程等實(shí)時(shí)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(chē)輛懸架系統(tǒng)性能。半主動(dòng)懸架是一種非動(dòng)力懸架系統(tǒng)，在普通的被動(dòng)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(chē)主動(dòng)懸架的發(fā)展?fàn)顩r1.3.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r為了解決如何提高汽車(chē)的乘坐舒適性，操縱穩(wěn)定性和行駛平順性性的問(wèn)題，主動(dòng)懸架的概念在1950年代和1960年代問(wèn)世REF_Ref37103323\r\h[2]。法國(guó)雪鐵龍汽車(chē)公司設(shè)計(jì)并投入生產(chǎn)的首個(gè)液壓空氣懸架系統(tǒng)，可大大提高當(dāng)時(shí)的車(chē)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(chē)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(chē)運(yùn)行的工作狀態(tài)和路面的實(shí)際情況手動(dòng)控制懸架的特性。近年來(lái)，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(chē)公司已將主動(dòng)懸架應(yīng)用于豐田的SOARER中型轎車(chē)上，使汽車(chē)的平順性提高大約7%左右。1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r相比于其他國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)起步整體較晚，因此，對(duì)于主動(dòng)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(guó)早期，主要研究的方向是半主動(dòng)懸架的控制方法，最為典型的是汪桂香團(tuán)隊(duì)的“模糊滑?？刂破鳌焙椭貞c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(jì)在實(shí)際應(yīng)用中都不理想。經(jīng)過(guò)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(duì)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制和研究主動(dòng)懸架。重慶交通大學(xué)何渝生教授團(tuán)隊(duì)運(yùn)用LQG最優(yōu)控制理論REF_Ref37106510\r\h[3]，有效研究了汽車(chē)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，極大地提高了汽車(chē)的乘坐舒適性，安全性和行駛平順性。對(duì)于國(guó)內(nèi)的汽車(chē)制造汽車(chē)來(lái)說(shuō)對(duì)主動(dòng)懸架的應(yīng)用還是處在起步階段。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，宇通汽車(chē)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(dòng)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(chē)的乘坐舒適性和車(chē)輛的行駛安全性。東風(fēng)汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)出了液氣復(fù)合式和電磁式半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)沖破了國(guó)外對(duì)汽車(chē)半主動(dòng)懸架的壟斷，為我國(guó)主動(dòng)懸架的研究和開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)REF_Ref37106580\r\h[4]。1.4本課題主要研究?jī)?nèi)容在以往相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上主要對(duì)汽車(chē)懸架系統(tǒng)進(jìn)行模型的建立和仿真的設(shè)計(jì)和研究，研究的內(nèi)容如下：1、首先，對(duì)汽車(chē)最常見(jiàn)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(chē)主動(dòng)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。2、其次，根據(jù)我國(guó)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(chē)懸架系統(tǒng)的運(yùn)行條件。3、最后，汽車(chē)主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析和對(duì)汽車(chē)懸架系統(tǒng)以路面激勵(lì)和汽車(chē)懸架運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，使用MATLAB中的Simulink模塊模擬主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的道路激勵(lì)模型和運(yùn)動(dòng)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(chē)懸架的類(lèi)型不論是傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)還是新能源的汽車(chē)，汽車(chē)的懸架系統(tǒng)需要滿(mǎn)足的要求基本一致，這些要求之間可能會(huì)因?yàn)槠?chē)工況不同而發(fā)生沖突。實(shí)際上，主流汽車(chē)懸架系統(tǒng)的組成其實(shí)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(chē)體與輪胎，傳遞動(dòng)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(chē)被動(dòng)懸架被動(dòng)懸架系統(tǒng)是路面上最為常見(jiàn)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(lèi)懸架系統(tǒng)制造工藝簡(jiǎn)單，材料成本低廉，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，性能穩(wěn)定，很適合大批量普及型汽車(chē)的懸架應(yīng)用。2.1.1被動(dòng)懸架的組成通常，被動(dòng)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(dòng)懸架結(jié)構(gòu)圖2.1.2汽車(chē)被動(dòng)懸架工作原理汽車(chē)被動(dòng)懸架工作原理如圖2.3所示圖2.3汽車(chē)被動(dòng)懸架做功原理當(dāng)車(chē)輛行駛時(shí)，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(shí)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(gè)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(chē)半主動(dòng)懸架一般而言，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)是一種懸架系統(tǒng)REF_Ref37106701\r\h[6]，可以通過(guò)傳感器判斷道路狀態(tài)，車(chē)輛駕駛姿態(tài)和車(chē)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(lái)提高車(chē)輛的乘坐舒適性和乘坐舒適性。實(shí)時(shí)滿(mǎn)足道路和車(chē)輛駕駛要求。2.2.1汽車(chē)半主動(dòng)懸架的組成常規(guī)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)是由ECU、機(jī)械減震器、車(chē)身加速度傳感器、車(chē)輪加速度傳感器和控制閥構(gòu)成。汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2.2汽車(chē)半主動(dòng)懸架的工作原理通常，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)通過(guò)特定的傳感器將道路的行駛狀況和汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳輸?shù)街醒肟刂破?，從而可以調(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(chē)的舒適度的最終目的。圖2.5汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)做功原理圖2.3汽車(chē)主動(dòng)懸架常規(guī)的汽車(chē)主動(dòng)懸架是道路信息和傳感器提供的車(chē)輛狀態(tài)信息的結(jié)合，以特定的程序作出判斷，對(duì)車(chē)輛懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼特性、減震行程等實(shí)時(shí)調(diào)控，從而確保車(chē)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(chē)主動(dòng)懸架的構(gòu)成汽車(chē)主動(dòng)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(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.2汽車(chē)主動(dòng)懸架的工作原理車(chē)輛行駛過(guò)程中，傳感器將車(chē)輛行駛的路面狀況和汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳送給ECU，ECU將這些信息與車(chē)輛的工作狀態(tài)相結(jié)合，以對(duì)特定程序進(jìn)行全面處理，并輸出響應(yīng)以調(diào)節(jié)車(chē)輛懸架系統(tǒng)的剛度，阻尼和車(chē)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(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的高速、連續(xù)的調(diào)整。汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)工作原理圖如圖2.7所示圖2.7汽車(chē)主動(dòng)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(chē)懸架系統(tǒng)一般有三部分組成，分別是被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架。被動(dòng)懸架作為汽車(chē)上的第一代懸架系統(tǒng)，塔以其獨(dú)特的成熟性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性、性能可靠性、成本低廉性，且不需要額外能量，相對(duì)來(lái)說(shuō)比主動(dòng)懸架系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)，并且以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了汽車(chē)懸架系統(tǒng)的半壁江山。而半主動(dòng)懸架在被動(dòng)懸架的根柢上作了改進(jìn)，但受限于無(wú)源控制，無(wú)法對(duì)特定工況下的懸架特性進(jìn)行調(diào)整，譬如車(chē)輛在起步、制動(dòng)或轉(zhuǎn)彎時(shí)，因此應(yīng)用場(chǎng)景有限。但主動(dòng)懸架系統(tǒng)可以更加高效的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)，以滿(mǎn)足愈加復(fù)雜的行駛條件，在保證其基本性能的同時(shí)，最大限度為車(chē)輛提供近乎完美的懸架響應(yīng)。但其制造工藝要求較高，價(jià)格昂貴，一般只應(yīng)用于中高端轎車(chē)和部分性能車(chē)上。3汽車(chē)懸架系統(tǒng)的建模當(dāng)車(chē)輛在不同的道路上行駛時(shí)，懸架系統(tǒng)會(huì)反映出車(chē)輛的乘坐舒適性和安全性。在研究車(chē)輛懸架系統(tǒng)的主動(dòng)控制和被動(dòng)控制對(duì)車(chē)輛行駛的影響時(shí)，通常采用道路模型和懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析REF_Ref37106900\r\h[8]。3.1被動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型3.1.1路面模型在長(zhǎng)期的研究中，汽車(chē)工程師得出以下結(jié)論：通常，影響汽車(chē)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(dòng)力學(xué)因素，慣性因素和由車(chē)身結(jié)構(gòu)決定的行駛道路因素，其中，最具影響力的是車(chē)輛懸架系統(tǒng)上道路的力學(xué)特性。在余志生“汽車(chē)?yán)碚摗敝械姆治鲋?，可知路面的統(tǒng)計(jì)特性，并知道應(yīng)該怎么樣去測(cè)量得到路面的不平度系數(shù)REF_Ref37106935\r\h[9]。根據(jù)國(guó)際規(guī)范和中國(guó)長(zhǎng)春汽車(chē)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(shí)，根據(jù)道路功率譜密度的不同，路面不平度可以分成八個(gè)等級(jí)，如表3.1所示表3.1路面不平度標(biāo)準(zhǔn)路面等級(jí)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(shí)路面功率譜密度與波長(zhǎng)的平方成正比例。在圖中綠色部分為1983年德國(guó)的公路路面譜的遍布，由圖可以看出德國(guó)公路大部分是A級(jí)路面REF_Ref37107046\r\h[12]，只有少部分是B、C級(jí)路面。在我們國(guó)家的公路大部分以B、C級(jí)為主，為了使研究更加符合實(shí)際，對(duì)A、B、C級(jí)路面都進(jìn)行研究。 圖3.1路面不平度分級(jí)圖為了反映車(chē)輛在實(shí)際道路上的行駛性能，在對(duì)路面不平度的時(shí)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(shí)域模型可用式（3-2）表示（3-2）式中，是路面不平度輸入；是車(chē)速；是B級(jí)路面不平度的幾何平均值；是單位白噪聲。3.1.21/4被動(dòng)懸架力學(xué)模型圖3.2(a)汽車(chē)在路面上行駛時(shí)，垂直方向的車(chē)輪位移可視為一個(gè)激勵(lì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)REF_Ref37107069\r\h[11]，作用于汽車(chē)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)。汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通常是由質(zhì)心的平移運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，由于汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)的模型比較復(fù)雜，在汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)的垂直方向進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化,如圖3.2（b）所示。圖3.2汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)的1/4模型圖3.2（b）所示各個(gè)參數(shù)的意義為：為路面激勵(lì)，；為車(chē)身的位移，；為車(chē)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(chē)體的質(zhì)量，；為車(chē)架的質(zhì)量，。以牛頓第二定理和汽車(chē)?yán)碚撝械钠?chē)被動(dòng)懸架的控制原理作為理論依據(jù)，可以取得汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：（3-3）（3-4）為了更好地表達(dá)汽車(chē)被動(dòng)懸架的狀態(tài)，將運(yùn)動(dòng)方程式轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程式，并選擇以下?tīng)顟B(tài)變量：，，，。則，，，。將汽車(chē)被動(dòng)懸架的狀況方程寫(xiě)成矩陣的表達(dá)式：=+（3-5）3.2主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)實(shí)際上就是由外部輸入有源信息對(duì)車(chē)身的運(yùn)動(dòng)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(chē)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(chē)以速度在空間頻率為的路面上行駛時(shí)，則時(shí)間效率為與的乘積，即（3-6）可得空間譜密度與時(shí)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(shí)，(3-10)根據(jù)公式（3-10）可以得到車(chē)速為一個(gè)常數(shù)，因此地面垂直速率的功率譜密度也為一個(gè)常數(shù)，因此可以將其視為一個(gè)白噪聲過(guò)程。車(chē)輛主動(dòng)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(chē)輛前進(jìn)的車(chē)速；——隨機(jī)輸入的單位白噪聲；3.2.21/4主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)分析汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)的最佳阻尼匹配，可以得出結(jié)論，汽車(chē)乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性與簧載質(zhì)量加速度懸架動(dòng)撓度和車(chē)輪動(dòng)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(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)三個(gè)傳遞函數(shù)中的其中一個(gè)的性能，都要以降低其他兩個(gè)傳遞函數(shù)的性能作為基礎(chǔ)。對(duì)于汽車(chē)懸架系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)就是使用CPU發(fā)出指令對(duì)汽車(chē)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，這是汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)無(wú)法比擬的。四分之一的二自由度車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型是首選模型。盡管四分之一的車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型只是車(chē)輛尺寸的四分之一，但它具有研究車(chē)輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的所有特征。汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)受力圖如圖3.3所示。圖3.3汽車(chē)主動(dòng)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(chē)輪質(zhì)量；為車(chē)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(chē)輪位移；為車(chē)身位移以牛頓力學(xué)運(yùn)動(dòng)定理和汽車(chē)主動(dòng)懸架受力圖作為依據(jù)可以創(chuàng)立下列的動(dòng)力學(xué)方程：（3-12）（3-13）在式（3-12）及（3-13）中：為車(chē)輪質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度為車(chē)身質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度為車(chē)輪質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度為車(chē)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(chē)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(gè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)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(shí)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(kāi)放性，可以以框圖形式顯示模型，組合多個(gè)現(xiàn)有模型或?qū)⑸傻哪Ｐ吞砑拥侥K中。在使用該模塊時(shí)，我們可以不用受限于線性系統(tǒng)模型，構(gòu)建更貼近真實(shí)的非線性系統(tǒng)。4.2被動(dòng)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(lì)模型REF_Ref37106129\r\h[7]，如圖4.1所示，在模型中選取A、B和C級(jí)道路垂直速度在仿真中作為激勵(lì)。在激勵(lì)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(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)路面激勵(lì)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(jí)路面輸入圖4.3B級(jí)路面輸入圖4.4C級(jí)路面輸入4.2.21/4被動(dòng)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(duì)1/4汽車(chē)被動(dòng)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(chē)架的質(zhì)量為，車(chē)身的質(zhì)量為，輪胎剛度為，，彈簧剛度為，，，汽車(chē)的車(chē)速為，。通過(guò)對(duì)有限帶寬白噪聲進(jìn)行積分REF_Ref37106580\r\h[4]，可以獲得計(jì)算結(jié)果。建立的模型如圖4.4所示。圖4.4汽車(chē)被動(dòng)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(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)車(chē)身垂直振動(dòng)速率曲線圖4.6汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)行程曲線圖4.7汽車(chē)被動(dòng)懸架系統(tǒng)輪胎動(dòng)載荷4.3主動(dòng)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(lì)模型REF_Ref37106129\r\h[7]，如圖4.8所示，在模型中，選擇A、B和C級(jí)路面垂直速度作為激勵(lì)REF_Ref37103323\r\h[2]。在激勵(lì)中使用的路面不平度取，汽車(chē)的行駛車(chē)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(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)路面激勵(lì)仿真模型如圖4.8所示。4.8汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)路面激勵(lì)模型圖通過(guò)對(duì)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(jí)路面輸入圖4.10B級(jí)路面輸入模型圖4.11C級(jí)路面輸入模型4.3.21/4主動(dòng)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(chē)輪的質(zhì)量，；1/4車(chē)身的質(zhì)量為，；車(chē)輪的剛度為；主動(dòng)懸架彈簧的剛度為；主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)為，；路面的不平度系數(shù)為，，汽車(chē)的車(chē)速為，，路面輸入信號(hào)也就是式（3-11），式中是高斯白噪聲。依據(jù)這些條件，主動(dòng)懸架的控制力，將車(chē)身加速度作為反饋信號(hào)。主動(dòng)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(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制力仿真圖圖4.141/4汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真模型根據(jù)建立的1/4汽車(chē)主動(dòng)懸架仿真得出的結(jié)果如圖4.14-4.16所示圖4.14車(chē)輪動(dòng)載荷曲線圖圖4.15汽車(chē)主動(dòng)懸架動(dòng)擾度曲線圖4.16汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)車(chē)身加速度曲線圖結(jié)論影響汽車(chē)振動(dòng)的因素很多，但道路質(zhì)量不僅是汽車(chē)振動(dòng)的主要原因，也是汽車(chē)舒適性的主要因素。路面越差，車(chē)輛的振動(dòng)肯定越明顯了，因此我們國(guó)家在道路建造的過(guò)程中，一定不能偷工減料，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。對(duì)于車(chē)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)非常重要。當(dāng)你駕駛車(chē)輛行駛在路況極差的路面時(shí)，作為駕駛員，一定要控制車(chē)速，使得汽車(chē)的振動(dòng)盡量小，便于汽車(chē)的操縱。改變懸架剛度和阻尼也可以降低懸架的振動(dòng)剛度，使其平順性大幅度提高。減振器阻尼越小，汽車(chē)的行駛性能越好。而阻尼比越小汽車(chē)振動(dòng)越明顯，所以用主動(dòng)懸架更能適應(yīng)復(fù)雜的路面。經(jīng)過(guò)ECU計(jì)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(shí)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(huì)，大多數(shù)汽車(chē)使用的懸架系統(tǒng)是被動(dòng)懸架，而在汽車(chē)的懸架系統(tǒng)使用主動(dòng)懸架系統(tǒng)的基本上都是豪華汽車(chē)，因?yàn)槠?chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛者的需求，改變汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，給駕駛者更好的駕駛感受。汽車(chē)主動(dòng)懸架系統(tǒng)具有其他汽車(chē)懸架無(wú)