【正文】 斷成熟，今年來又誕生了更新的技術(shù)開發(fā)方法，即虛擬實現(xiàn)技術(shù)（ VIPTUALRALITY），簡稱 VR。 國內(nèi)汽車業(yè)一貫強調(diào)汽車工業(yè)是技術(shù)密集、資金密集和勞動密集的產(chǎn)上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 4 業(yè)，然而由于指導思想和實際水平的差距，二十多年的努力只實現(xiàn)了引進的外國產(chǎn)品本地化生產(chǎn)，也就是所謂國產(chǎn)化率顯著提高，掌握的多是一般性加工技術(shù) ，而產(chǎn)品的開發(fā)等核心技術(shù)并沒有掌握。中國汽車工業(yè)歷經(jīng)半個世紀的發(fā)展，目前已經(jīng)出具規(guī)模，但是，與世界先進水平相比，還存在很大差距。 本文利用 MATLAB 軟件對汽車懸架進行了 仿真 與 優(yōu)化 。根據(jù)汽車設計的要求對懸架中的鋼板彈簧和減振器進行了設計和計算，然后用MATLAB/Simulink 建立主動懸架系統(tǒng)的車輛動力模型，對懸架系統(tǒng)進行主動懸架系統(tǒng)性能的仿真和優(yōu)化分析。我國汽車工業(yè)在規(guī)?；a(chǎn)、技術(shù)水平、成本控制、產(chǎn)業(yè)政策、市場推廣手段等諸多方面都存在著明顯不足。中國汽車工業(yè) 10 年內(nèi)平均年增長 15%，是同期世界汽車年均增長率的 10 倍。這是一種全新的技術(shù)開發(fā)方法，將分散的設計資源和設計過程有機地集成在一起，使設計人員完全參與到一個虛擬現(xiàn)實的空間里，在身臨其境中進行設計，從而完成汽車產(chǎn)品的整個設計。最后要保證懸架系統(tǒng)的可靠性，有足夠的剛度、強度和壽命。其次，相對阻尼系數(shù)為定值時，被動懸架不能同時優(yōu)化高頻和低頻激勵下的車身振動。 半主動懸架 半主動懸架的研究工作始于 1974 年，半主動懸架在產(chǎn)生力的方向近似于被動懸架，但是半主動懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可以改變的。力發(fā)生器的作用在于改進系統(tǒng)中能源的消耗和供給系統(tǒng)以能量，該裝置的 控制目標是要實現(xiàn)一個優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)，而又不需要對系統(tǒng)做出較大的變化。轎車上來講，彈性元件多采用螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和 不平路面對車體的沖擊，具有占用空間小、質(zhì)量小、無需潤滑的優(yōu)點，但沒有減振作用，在車架（或車身）與車橋（或車輪）之間作彈性聯(lián)系，起到承受沖擊的作用。 （ 3） 油氣彈簧：以氣體作為彈性介質(zhì)， 液體作為傳力介質(zhì)。汽車車身和車輪振動時，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動阻力，將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達到迅速衰減振動的目的。減振器的上端與車身或者車架相連，下端與車橋相連。因此，有些汽車的減振器是可調(diào)式的，將阻尼分成兩級或三級，根據(jù)傳感器信號自動選擇所需要的阻尼級。當一側(cè)車輪因道路不平而發(fā)生跳動時，必然引起另一側(cè)車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動，故稱為非獨立懸架。 縱置鋼板彈簧又有對稱式和不對稱式之分。 1）滿載弧高 fa 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 13 滿載弧高 fa 是指鋼板彈簧裝到車軸（橋）上，汽車滿載時鋼板彈簧主片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差 （圖 ） 。增大鋼板彈簧縱向角剛度 的同時，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長 些的鋼板彈簧，會在汽車上布置時產(chǎn)生困難。 本論文對式（ ）中各參數(shù)取值如下： S=76mm； L=1400mm； K=； C=106N/mm； δ =（ n1=2， n0=8）； E= 105Mpa。推薦片寬與片厚的比值 b/hP在 6～ 10 范圍內(nèi)選取。為了加強主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚度稍薄。本文采用 （圖 ） 的截面形狀進行設計。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但長度不同。 剛度驗算公式為 ： ?????? ?? ?? ??nk kkkYYaEc1 13 1 )(6? ???????????????? ???? （ ） 其中， )( 111 ?? ?? kk lla ； ??? ki ik JY 11； ???? ? 111 1 ki ik JY。 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的 弧高計算 （ 1） 鋼板彈 簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 H0 鋼板彈簧各片裝配后 ， 在預壓縮和 U 形螺栓夾緊前 ， 其主片上表面與兩端 (不包括卷耳孔半徑 )連線間的最大高度差 (圖 )， 稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 H0， 用下式計算 ： 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 21 ? ?fffH ac ????0 ???????????????????? ??? （ ） 式中 ， fc為靜撓度 （ fc=FW/c=9500N/106N/mm=） ； fa為滿載弧高 （ fa=15mm）； Δf 為鋼板彈簧總成用 U 形螺栓夾緊后引起的弧高變化 ， Δ f=s(3Ls)(fa+fc)/(2L2)； 式中， S 為 u 形螺栓中心距 （ s=76mm） ； L 為鋼板彈簧主片長度 （ L=1450mm） 。 選取各片彈簧預應力時 ， 要求做到 ： 裝配前各片彈簧片間間隙相差不大 ， 且裝配后各片能很好貼和 ； 為保證主片及與其相鄰的長片有足夠的使用壽命 ， 應適當降低主片及與其相鄰的長片的應力 。 將各片的片長和自由狀態(tài)下曲率半徑代入式（ ）可得： R0=1679mm。 σ max用下式計算 1220211211 /])/ [ ()]([ bhMGWllcllmGman ??? ???? ????????? ?? （ ） 式中 ， G2為作用在后輪上的垂直靜負荷 ； m2’ 為驅(qū)動時后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù) ， 轎車 ： m239。 所以， Fxmax=Fzφ =9500N =7600N。 減振器的設計與計算 減振器的性能常用阻力 位移特性 （圖 ） 和阻力 速度特性 （圖 ）來表示。為了使減振器阻尼效果好，又不傳遞大的沖擊力，常把壓縮行程的相對阻尼系數(shù)Ψ Y選得小于伸張行程時的相對阻尼系數(shù)Ψ S。本文設計計算時按（ 圖 ）方法安裝，其阻尼系數(shù)δ為： 222 anm s??? ?? ????????????????? ????? （ ） 式中， n 為雙橫臂懸架的下臂長（ n=600mm）； a 為減振器在下橫臂上的連接點到下橫臂在車身上的鉸接點之間上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 31 的距離（ a=360mm）； ω =(c/ms)1/2=(106/9500)1/2=； 將各參數(shù)代入式（ ） 則δ =2 9500 6002/3602= （ 3）最大卸荷力 F0的確定 為減小傳到車身上的沖擊力，當減振器活塞振動速度達到一定值時，減振 器打開卸荷閥。 本文設計的減振器貯油筒材料選用 20 鋼。而且這種語言的可移植性好、可擴展性強，這也是 MATLAB 之所以能夠深入到科學研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。目前， MATLAB 已經(jīng)把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、信號處理、圖象處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、 LMI 控制、魯棒控制、模型預測、模 糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線形控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、 DSP 與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（ Toolbox）家族中有了自己的一席之地。另外， Simulink 還提供一套圖形動畫的處理法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個過程。 Simulink 模型并不一定包含全部的三種元素，在實際應用中通?？梢匀鄙倨渲械囊粋€或兩個。 即： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?txktxktxktxktxkKTtU gwbwba 54321 ???????? ???????? （ ） 計算過程 在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立單輪車輛計算機仿真模型，然后進行最優(yōu)主動懸架的系統(tǒng)性能仿真分析，以及與被動懸架的對比分析。 m 仿真路面輸入?yún)?shù) 路面不平度系數(shù) G0 106 M3/cycle 車速 U0 20 m/s 下截止頻率 f0 Hz 性能指標加權(quán)系數(shù) 輪胎動位移 q1 80000 — 懸架動行程 q2 5 — 車身加速度 ρ 1 — 根據(jù)（表 ）給出的仿真輸入?yún)?shù)，求得最優(yōu)反饋增益 K 為： ? ?2 0 8 6 0 3 81 9 2 8 2 4 ????K 同時，還得出了黎卡提方程的解： 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 41 ?????????????????????????S 在 Simulink環(huán)境下建立的最優(yōu)主動懸架車輛仿真模型圖 見（圖 ）。 kt=20xx00。 A(1,3)=ks/mb。 B=[1/mb。 0。 Q(5,4)=q1。 [K,S,E]=lqr(A,B,Q,R,N) 圖 仿真參數(shù)輸入 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 43 圖 仿真參數(shù)導出 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 44 （ a）主動控制力 （ b）車身加速度 （ c）懸架動行程 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 45 （ d）輪胎動位移 圖 仿真結(jié)果 根據(jù)圖形在 MATLAB 中可由 simout 模塊得到 （圖 ） 、（圖 ）、（圖 ） 三組數(shù)據(jù)， 經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理 求這三組數(shù)據(jù)的均方根值可得到： 車身加速度 BA： ； 懸架動行程 SWS： ； 輪胎動位移 DTD： 。在仿真運算中輸入單輪模型參數(shù)進行計算，最后求得單輪模型主動懸架系統(tǒng)的仿真結(jié)果為車身加速度 BA、懸架動行程 SWS、輪胎動位移 DTD。 100），許用的懸架工作空間得到了最充分地利用。 上述仿真結(jié)果表明， 其懸架的動行程被很好地控制在 設計要求的范圍內(nèi)（177。 R=1/mb/mb。 Q=zeros(5)。0。 A(2,3)=ks/mw。 G0=5e6。 LQR 主動懸架系統(tǒng)的時域仿真結(jié)果包括路面位移輸入（ xg）、輪胎位移（ DTD）、懸架動行程（ SWS）及車身加速度（ BA）。 仿真計算中以式（ ）的濾波白噪聲作為路面輸入模型。根據(jù)牛頓定律，得出系統(tǒng)的運動方程如下： )]()([)()( txtxKtUtxm wbaabb ????? ????????????????? ?? （ ） )]()([)]()([)()( txtxKtxtxKtUtxm gwtwbaaww ???????? ???????????（ ） 這里采用一個濾波白噪聲作為路面輸入模型，即 ： )(2)(2)( 000 twUGtxftx gg ?? ???? ??????????????????（ ） xg為路面 位移， m； G0為路面不平度系數(shù)， m3/cycle； U0為車輛前進速度， m/s； w 為均值為零的高斯白噪聲； f0為下截止頻率， Hz。一個典型的 Simulink 模型包括如下三種類型的元素： （ 7）模塊化的設計和系統(tǒng)級的仿真 Simulink 是 MATLAB 的一個分支產(chǎn)品，主要來實現(xiàn)對工程問題的模型上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 35 化和動態(tài)仿真，在世界范圍內(nèi)的模型化浪潮的背景下， Simulink 恰恰體現(xiàn)了模塊化設計和系統(tǒng)級仿真的具體思想，使得建模仿真如同搭積木一樣簡單。在計算要求相同的情況下，使 用 MATLAB 的編程工作量會大大減少。作為強大的科學計算平臺，它幾乎能夠滿足所有的計算需求。 圖 減振器安裝位置 減振器如（ 圖 ）所 示 安裝時， naAvx /?? ????????????????????? ????? （ ） 式中， vx為卸荷速度，一般為 ～ ； A 為車身振幅，取177。 對于不同懸架結(jié)構(gòu) 型式及不同的使用條件，滿足平順性要求的相對阻尼系數(shù)的大小應有所不同，在設計時，往往先取壓縮行程和伸張行程相對阻尼系數(shù)的平均值Ψ，對于無內(nèi)摩擦的彈性元件（如螺旋彈簧）懸架，取Ψ =～ ，對 于有內(nèi)摩擦的鋼板彈簧懸架，相對阻尼系數(shù)可取小些。 OFh 圖 阻力 位移特性 上海工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 29 OF svv sF yFFy 圖 阻力 速度特性 根據(jù)汽車理論的介紹 ，帶線性阻尼減振器的質(zhì)量懸架系統(tǒng)作自由衰減振動時，評定振動衰減快慢程度的是一個稱為相對阻尼系數(shù)Ψ的數(shù)值，它的表達式為： Ψ =δ /[2(cms)1/2] 式中， c 為懸架系統(tǒng)的垂直剛度； ms為簧上質(zhì)量。 對鋼板彈簧銷要 驗算鋼板彈簧