【正文】 斷成熟，今年來(lái)又誕生了更新的技術(shù)開(kāi)發(fā)方法，即虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)（ VIPTUALRALITY），簡(jiǎn)稱 VR。 國(guó)內(nèi)汽車業(yè)一貫強(qiáng)調(diào)汽車工業(yè)是技術(shù)密集、資金密集和勞動(dòng)密集的產(chǎn)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dǎo)思想和實(shí)際水平的差距，二十多年的努力只實(shí)現(xiàn)了引進(jìn)的外國(guó)產(chǎn)品本地化生產(chǎn)，也就是所謂國(guó)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(kāi)發(fā)等核心技術(shù)并沒(méi)有掌握。中國(guó)汽車工業(yè)歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，目前已經(jīng)出具規(guī)模，但是，與世界先進(jìn)水平相比，還存在很大差距。 本文利用 MATLAB 軟件對(duì)汽車懸架進(jìn)行了 仿真 與 優(yōu)化 。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)的要求對(duì)懸架中的鋼板彈簧和減振器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，然后用MATLAB/Simulink 建立主動(dòng)懸架系統(tǒng)的車輛動(dòng)力模型，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)懸架系統(tǒng)性能的仿真和優(yōu)化分析。我國(guó)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(chǎng)推廣手段等諸多方面都存在著明顯不足。中國(guó)汽車工業(yè) 10 年內(nèi)平均年增長(zhǎng) 15%，是同期世界汽車年均增長(zhǎng)率的 10 倍。這是一種全新的技術(shù)開(kāi)發(fā)方法，將分散的設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)過(guò)程有機(jī)地集成在一起，使設(shè)計(jì)人員完全參與到一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的空間里，在身臨其境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成汽車產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)。最后要保證懸架系統(tǒng)的可靠性，有足夠的剛度、強(qiáng)度和壽命。其次，相對(duì)阻尼系數(shù)為定值時(shí)，被動(dòng)懸架不能同時(shí)優(yōu)化高頻和低頻激勵(lì)下的車身振動(dòng)。 半主動(dòng)懸架 半主動(dòng)懸架的研究工作始于 1974 年，半主動(dòng)懸架在產(chǎn)生力的方向近似于被動(dòng)懸架，但是半主動(dòng)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(jìn)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(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)，而又不需要對(duì)系統(tǒng)做出較大的變化。轎車上來(lái)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(duì)車體的沖擊，具有占用空間小、質(zhì)量小、無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)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(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑸l(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)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(jí)或三級(jí)，根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇所需要的阻尼級(jí)。當(dāng)一側(cè)車輪因道路不平而發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，必然引起另一側(cè)車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動(dòng)，故稱為非獨(dú)立懸架。 縱置鋼板彈簧又有對(duì)稱式和不對(duì)稱式之分。 1）滿載弧高 fa 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)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(shí)，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長(zhǎng) 些的鋼板彈簧，會(huì)在汽車上布置時(shí)產(chǎn)生困難。 本論文對(duì)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(qiáng)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(jìn)行設(shè)計(jì)。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但長(zhǎng)度不同。 剛度驗(yàn)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(jì)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(yù)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(jì)算 ： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(zhǎng)度 （ L=1450mm） 。 選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí) ， 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(zhǎng)片有足夠的使用壽命 ， 應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長(zhǎng)片的應(yīng)力 。 將各片的片長(zhǎng)和自由狀態(tài)下曲率半徑代入式（ ）可得： R0=1679mm。 σ max用下式計(jì)算 1220211211 /])/ [ ()]([ bhMGWllcllmGman ??? ???? ????????? ?? （ ） 式中 ， G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷 ； m2’ 為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù) ， 轎車 ： m239。 所以， Fxmax=Fzφ =9500N =7600N。 減振器的設(shè)計(jì)與計(jì)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(lái)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(duì)阻尼系數(shù)Ψ Y選得小于伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)Ψ S。本文設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)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(zhǎng)（ n=600mm）； a 為減振器在下橫臂上的連接點(diǎn)到下橫臂在車身上的鉸接點(diǎn)之間上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振 器打開(kāi)卸荷閥。 本文設(shè)計(jì)的減振器貯油筒材料選用 20 鋼。而且這種語(yǔ)言的可移植性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)，這也是 MATLAB 之所以能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。目前， MATLAB 已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖象處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 LMI 控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模 糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線形控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)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(dòng)畫的處理法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個(gè)過(guò)程。 Simulink 模型并不一定包含全部的三種元素，在實(shí)際應(yīng)用中通?？梢匀鄙倨渲械囊粋€(gè)或兩個(gè)。 即： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?txktxktxktxktxkKTtU gwbwba 54321 ???????? ???????? （ ） 計(jì)算過(guò)程 在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立單輪車輛計(jì)算機(jī)仿真模型，然后進(jìn)行最優(yōu)主動(dòng)懸架的系統(tǒng)性能仿真分析，以及與被動(dòng)懸架的對(duì)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(biāo)加權(quán)系數(shù) 輪胎動(dòng)位移 q1 80000 — 懸架動(dòng)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(shí)，還得出了黎卡提方程的解： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dòng)懸架車輛仿真模型圖 見(jiàn)（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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dǎo)出 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 44 （ a）主動(dòng)控制力 （ b）車身加速度 （ c）懸架動(dòng)行程 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 45 （ d）輪胎動(dòng)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(guò)簡(jiǎn)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(dòng)行程 SWS： ； 輪胎動(dòng)位移 DTD： 。在仿真運(yùn)算中輸入單輪模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最后求得單輪模型主動(dòng)懸架系統(tǒng)的仿真結(jié)果為車身加速度 BA、懸架動(dòng)行程 SWS、輪胎動(dòng)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(dòng)行程被很好地控制在 設(shè)計(jì)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(dòng)懸架系統(tǒng)的時(shí)域仿真結(jié)果包括路面位移輸入（ xg）、輪胎位移（ DTD）、懸架動(dòng)行程（ SWS）及車身加速度（ BA）。 仿真計(jì)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(yùn)動(dòng)方程如下： )]()([)()( txtxKtUtxm wbaabb ????? ????????????????? ?? （ ） )]()([)]()([)()( txtxKtxtxKtUtxm gwtwbaaww ???????? ???????????（ ） 這里采用一個(gè)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(jìn)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(gè)典型的 Simulink 模型包括如下三種類型的元素： （ 7）模塊化的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)的仿真 Simulink 是 MATLAB 的一個(gè)分支產(chǎn)品，主要來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的模型上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 35 化和動(dòng)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(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)仿真的具體思想，使得建模仿真如同搭積木一樣簡(jiǎn)單。在計(jì)算要求相同的情況下，使 用 MATLAB 的編程工作量會(huì)大大減少。作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，它幾乎能夠滿足所有的計(jì)算需求。 圖 減振器安裝位置 減振器如（ 圖 ）所 示 安裝時(shí)， naAvx /?? ????????????????????? ????? （ ） 式中， vx為卸荷速度，一般為 ～ ； A 為車身振幅，取177。 對(duì)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(duì)阻尼系數(shù)的大小應(yīng)有所不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，往往先取壓縮行程和伸張行程相對(duì)阻尼系數(shù)的平均值Ψ，對(duì)于無(wú)內(nèi)摩擦的彈性元件（如螺旋彈簧）懸架，取Ψ =～ ，對(duì) 于有內(nèi)摩擦的鋼板彈簧懸架，相對(duì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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?yán)碚摰慕榻B ，帶線性阻尼減振器的質(zhì)量懸架系統(tǒng)作自由衰減振動(dòng)時(shí)，評(píng)定振動(dòng)衰減快慢程度的是一個(gè)稱為相對(duì)阻尼系數(shù)Ψ的數(shù)值，它的表達(dá)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(duì)鋼板彈簧銷要 驗(yàn)算鋼板彈簧