车辆悬架系统非线性阻尼匹配研究

悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的-切传力连接装置的总称，是现代汽车上重要的总成之-，其性能对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性具有重要影响。汽车悬架的性能不仅撒于悬架的结构形式，更重要的是撒于悬架系统参数及其匹配。减振器的阻尼作用在与不同刚度和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。而减振器的阻尼特性是由减振器的具体结构参数保证的，参数选择的合理性直接影响汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。目前 ，国内、外对基于车辆参数的减振器阀系参数设计还没有准确、可靠的设计方法 ，大都是在线性刚度和线性阻尼假设的前提下，确定阻尼选取的范围，再凭借设计人员的经验作大致的计算，经过反复试验和修改，最后才确定出参数值。但由于在不同的激励频区，减振器的阻尼匹配应满足车辆动态响应综合要求，其阻尼速度特性往往是非线性的l引。所以，有必要研究阻尼速度特l生各设计目标参数对车辆性能指标影响的趋势和程度，以指导减振器的具体结构参数的设计。

2悬架系统模型进行被动悬架总体性能的匹配设计，通常采用，如图 1所示。的二自由度 1，4动力学模型。

图 1二 自由度 1/4车辆振动模型Fig.1 Vibration Model of the Quarter Vehicle来稿日期：2012-07-15作者简介：刘 刚，(1975-)，男，满族，辽宁昌图县人，讲师，在读博士生，主要研究方向：悬架系统理论与控制；陈思忠，(1958-)，男，汉族，山西祁县人，教授，博士研究生导师，主要研究方向：底盘系统理论与控制114 刘 刚等：车辆悬架系统非线性阻尼匹配研究 第5期假设轮胎单点接地并不计轮胎阻尼，根据牛顿第二定律可f～ -F ，F以得到系统微分方程：IlLs - (1) ，- - ) (zoz。j式中：幔-簧载质量； -非簧载质量； -悬架系统弹性力； -悬架系统阻尼力；K.-轮胎刚度； z厂篑 载质量与非簧载质量的位移 路面的位移。

3减振器目标速度特性减振器的活塞与缸筒的相对运动速度或相对运动行程与减振器阻尼力的关系，即为减振器的速度特性和位移特性，统称为减振器的外特性。外特性必须满足悬架系统对阻尼性能的要求。

m于减振器的外特性是非线性的，在进行减振器正向设计时，要进行非线性计算，过程是相当繁琐的，而且在结构上实现也是非常困难的。 程设计中出于车辆在不同频区侧重的平顺性和安全性要求的不同 ，通常采用分段线性的近似方法，即将减振器的速度特性分为阻尼阀开阀前、开阀后和开阀到最大三段，每-段的特性都是线性的，各线段的斜率分别为K K ，K， ( Y，分别代表复原行程和压缩行程)，如图2所示。减振器阻尼阀的各结构参数就是根据此目标速度特性曲线而确定的 。

1 -/V 1rKfV 速度 V/ms图2减振器目标速度特性曲线Fig.2 The Objeet Damping Characteristic Cmwe3.1开阀速度点当汽车行驶在比较平坦的路面上时，为了提高减振器使用寿命，减少减振器开阀次数，通常减振器设有初次开阀速度点。当减振器达到初次开阀速度点之前，阻尼阀不开阀，减振器阻尼力特l生主要是依靠减振器油液流经常通节流孔所产生的节流压力保障；当速度大于初次开阀速度后，阻尼阀开阀，-部分油液流经常通孑L，而另- ·部分油液则流经阻尼阀，阻尼阀的开度随速度的增大而增大。减振器初次开阀速度点是由阻尼阀的刚度和预变形量决定的。图2中的 和 . 分别为减振器复原阀和压缩阀的初次开阀速度点。

3.2减振器最大开阀速度点当汽车行驶在比较差的路面上时，为了减少减振器撞击车身的次数，防止减振器击穿，通常减振器设有最大开阀速度点。当速度达到最大开阀速度后，阻尼阀的开度达到最大。最大开阀速度点是由阻尼阀的刚度和最大限位间隙保证的。图2中的 和I 分别为减振器复原阀和压缩阀的最大开阀速度点。

3.3双向阻尼比减振器在初次开阀前的阻尼系数 。，等于初次开阀前速度特性曲线的斜率 K 等于初次开阀速度点处的阻尼系数。为充分发挥弹簧的缓冲作用，-般压缩行程的阻尼力比复原行程的阻尼力要校定义压缩行程初次开阀前的阻尼系数 。 与复原行程初次开阀前的阻尼系数 。，之比为减振器阻尼力的双向阻尼比。所以减振器的双向阻尼比可表示为： (2)双向阻尼比主要是由压缩阀和复原阀的刚度保证的。

3.4平安比定义阻尼阀开阀前速度特性曲线斜率与开阀后速度特性曲线斜率之比等于可，；开阀到最大位置后速度特性曲线斜率与开阀后速度杼 曲线斜率之比等于叼z，即：l'li- /kli (3)77 ： lx3i( y，代表复原行程和压缩行程) (4)而通常称 ，为减振器的平安比。

由减振器 目标速度特性曲线所决定的阻尼力可表示为：(V)K V，l l

图3非线性悬架系统的Simulink仿真模型Fig.3 Simulink Model of Nonlinear Suspension System采用文献引提出的 法构造随机路面时域模型，参考 GB/T4970-2009(汽车平顺性随机输入行驶试验方法》中有关试验车速的规定 ，确定车速 30m/s，利用 MATLAB/Simulink建立 D级路面仿真模型，路面的时域信号，如图4所示。

O.15O.1- 0 05挂鲢 01- 0.05癌- O.1- O.15- 0 20 50 lO0 15O 200 250 300 350 400 450 500时间(S)图4 D级路面不平度时域仿真输出Fig.4 Random Excitation in Time Domain of D Rank RoadNo.5Mav.201 3 机 械 设 计 与制 造 115以某型越野车为例进行仿真研究，其主要参数，如表 1所示。

表 1原车基本性能参数式中：c-悬架系统的阻尼系数 ，N·s/m；K 悬架系统的垂直刚度，N/m。设计时， 通常定义为压缩行程的阻尼比t'y和复原Tab·1 Basic Performance Parameters of Vehicle 行程阻尼比 的平均值，即 ( )/2。

整车参数 数值簧载质量(满载)非簧载质量安装杠杆比悬架弹簧刚度轮胎径向刚度5阻尼速度特性主要参数对悬架性能影响分析衡量阻尼速度特性主要参数的变化对悬架系统性能的影响，需要应用悬架系统性能的评价指标 ，常用的评价指标有簧载质量加权加速度均方根值 、悬架动挠度均方根值 ，和轮胎的相对动载荷均方根值 。

上80 20uJ 2∽G。∽ J (6)式中： j -簧载质量加权加速度均方根值，m/s。 率，Hz；G( -簧载质量未经过加权的加 速度功率谱 密度 ，m2/s ；厂-垂直振动频率加权函数。

2010年实施的 《汽车平顺性试验方法》给出了人体舒适性指标对不同振动型式 、不同频段的频域加权函数。根据所建立的模型，只考虑垂直振动的加权函数。采用如下形式的函数对其进行拟合：2，5) (7)s e式中：n，b，C，d，e-待定参数。用最小二乘法拟合，因n与 c值均接近于 0，因而简化取为零，得到的参数 aO；b83.11；c864.5；d83.06；e2068.72。

l，7H图 5 GB/T4970-2009垂直振动频率加权函数拟和曲线Fig.5 GB/T4970-2009 the Fitting Curve ofthe Vertical Vibration Weight Function5.1相对阻尼比对悬架系统性能的影响分析由于悬架的弹性作用，使车身产生振动，为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器 ，并使之具有合理的阻尼，用相对阻尼比 的大小来评定振动衰减的快慢程度。 的表达式为：- 2x/Km， (8jZ世蛊稚。

圉： i1.5 -1 -0.5 O 0.5 1 1.5速度(V/ms-)(a)阻 ，巳比(b)图 6相对阻尼比 对悬架系统性能的影响Fig.6 Influences of f Relative Damping Ratio onthe Performance of Suspension System阻尼速度特l生曲线随 的变化情况，如图6(a)所示。描述了的变化引起悬架系统性能三个评价指标的变化情况，如图 6(b)所示。or； 在 0.2附近有最小值，平顺性要求 认小值。 在0.6附近有最小值，安全要求 认大值。的增大使非线性下降。这说明的变化对三个评价指标都有较大的影响，因此，在减振器主要参数的设计时应综合考虑上述因素，根据车辆的结构及行驶工况折中选取 。

5.2双向阻尼比 对悬架系统性能的影响分析Z 箍垮2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 116 机械设计与制造No.5Mav.20132.3广----------] z - 0 035厂-----------]0 .03 L------ ------ -----：l-----双向阻尼比：04叠三 sH- -青 I--..---·.-.·--.-J双问阻尼 比(b)图7双向阻尼比 对悬架系统性能的影响Fig.7 Influences of Two-Way Damping Ratio onthe Performance of Suspension System阻尼速度特性曲线随 的变化情况，如图 7(a)所示。描述了 的变化引起悬架系统性能三个评价指标的变化情况，如图7(b)所示 。O0%2在 0.6附近有最小值，而 和 都随 增大而减校这是由于 增大代表压缩行程的阻尼力增大，使压缩行程弹性元件的缓冲作用减弱，同时复原行程的阻尼力减小使衰减振动的能力下降。因此，在减振器主要参数的设计时合理地选择 能使减小的同时，使 和 r， 也都同时得到降低，也就是说 存在最优值。

5.3平安比 和J，7。 对悬架系统性能的影响分析//// ∞ I 2 I 5- lF2O- - 2 5- lF3 0-- Ttm3 5 · 71r-40 - "lF4 5242.32 2g 2122 3 4 5复原行程平安比吼(b)图8复原行程平安比r/v对悬架系统性能的影响Fig.8 The Effect of Rebound Stroke Peace Ratio onthe Properties of the Suspension System代表阻尼速度特性曲线随复原行程平安比'7.，的变化情况，如图8(a)所示。描述了 。，的变化引起悬架系统性能三个评价指标的变化情况，如图 8(b)所示。 i随 的增大而减小，而 和0 都随 7l，增大而增大。这是由于 叼 增大代表激振频率大于车身共振频率以后复原行程的阻尼力都 减校小阻尼使减小，而使 和0 增大。叼 ，的增大引起悬架系统性能三个评价指标的变化情况与此相似，由于篇幅所限这里不再累述。

6总结建立二自由度 1/4悬架系统阻尼非线性数学模型，利用 MA-TLAB/Simulink系统地分析了在随机路面激励下减振器阻尼分段线性三级控制各目标参数对车辆性能的影响。仿真结果表明相对阻尼比对于簧载质量加权加速度均方根值和轮胎相对动载荷均方根值都存在最优值，需要根据使用情况综合考虑；双向阻尼比只相对于簧载质量加权加速度均方根值存在最优值；平安比增大使簧载质量加权加速度均方根值减小而使悬架动挠度均方根值和轮胎相对动载荷均方根值都增大，设计时应折中选龋