王紅鋼，徐磊，周喻，陳曉

(1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

基于MATLAB的某越野車懸架系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算與仿真分析研究

王紅鋼1，徐磊1，周喻2，陳曉1

(1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

根據(jù)車輛參數(shù)進(jìn)行懸架系統(tǒng)受力分析，得到螺旋彈簧所受壓縮力；然后結(jié)合懸架系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式和MATLAB/Guide模塊，完成GUI界面創(chuàng)建和回調(diào)函數(shù)程序編寫，運(yùn)行得到剛度、阻尼系數(shù)和偏頻等參數(shù)；最后借助Simulink建立1/2車輛五自由度動(dòng)力學(xué)模型，從車輛垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)擾度和車輪動(dòng)載荷3個(gè)方面對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。引入MATLAB實(shí)現(xiàn)了多軸越野車懸架系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算和仿真分析程序化、模塊化，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率和懸架系統(tǒng)性能分析具有重要意義。

越野車；懸架系統(tǒng)；參數(shù)計(jì)算；仿真分析

0 引言

多軸越野車具有整車質(zhì)量大、離地間隙高和行駛路況復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)安全可靠的懸架系統(tǒng)對(duì)于多軸越野車具有重要意義。螺旋彈簧為彈性元件、雙筒式液壓減振器為阻尼元件、不等長(zhǎng)叉臂為導(dǎo)向和傳力機(jī)構(gòu)的獨(dú)立懸架是高機(jī)動(dòng)越野車懸架系統(tǒng)的首選。在懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，存在螺旋彈簧和減振器設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜、懸架系統(tǒng)整車性能匹配分析困難。MATLAB集科學(xué)計(jì)算、程序編寫(Editor)、可視化(Guide)和仿真(Simulink)于一體，對(duì)懸架系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算和仿真分析具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。作者借助MATLAB工具完成某6×6越野車懸架系統(tǒng)螺旋彈簧、減振器、懸架的參數(shù)計(jì)算，并對(duì)整車行駛性能進(jìn)行仿真分析。

1 懸架參數(shù)計(jì)算

某6×6越野車質(zhì)量為15 776 kg，一橋軸荷為5 008.5×9.8 N，二橋軸荷為5 160×9.8 N，三橋軸荷為5 292.9×9.8 N。將雙橫臂懸架簡(jiǎn)化為四連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 雙橫臂式獨(dú)立懸架簡(jiǎn)圖

對(duì)圖1所示機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行受力分析，可分別得到各橋螺旋彈簧所受壓力的大?。阂粯?yàn)镕S1=21 325 N；二橋?yàn)镕S2=21 876 N；三橋?yàn)镕S3=22 496 N。結(jié)合越野車行駛情況和車輛布置，考慮選取彈簧行程為s=±70 mm，自由高度H0=520 mm。螺旋彈簧材料選擇60Si2CrVA彈簧鋼，其許用應(yīng)力為σb=1 863 MPa，彈性模量G=80 000 N/mm2。

MATLAB/GUI可根據(jù)設(shè)計(jì)要求創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序，并且自動(dòng)生成M文件框架，用戶根據(jù)M文件框架編制應(yīng)用程序。根據(jù)參數(shù)輸入輸出要求，完成GUI界面布局見圖2。

圖2 GUI界面布局

運(yùn)行圖2所示的GUI界面，可得一橋彈簧剛度k1=3×105N/m,阻尼系數(shù)c1=3.5×104N·s/m；二橋彈簧剛度k2=3.1×105N/m, 阻尼系數(shù)c2=3.65×104N·s/m；三橋彈簧剛度k3=3.2×105N/m，阻尼系數(shù)c1=3.71×104N·s/m。

2 整車仿真分析

越野車輛懸架要求保證車輛具有良好的行駛平順性和穩(wěn)定的輪胎動(dòng)擾度，因此，基于MATLAB/Simulink建立1/2車輛五自由度模型，從車輛垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)擾度和車輪動(dòng)載荷3個(gè)方面對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

表1 動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)表

2.1 路面白噪聲模型

路面不平度模型隨路面等級(jí)和車輛行駛速度變化而變化，且后輪不平度模型相對(duì)于前輪不平度模型存在延時(shí)效應(yīng)。依據(jù)Laplace變換及傳遞函數(shù)qf、qm和qr，推導(dǎo)路面模型為：

(1)

式中：δ為由空間頻率和路面等級(jí)決定的常值；v為汽車的行駛速度；w(t)為零均值白噪聲隨機(jī)信號(hào)，其強(qiáng)度T=2δvρ2；qf、qm、qr分別為一橋、二橋和三橋的路面激勵(lì)位移。

鑒于越野車輛路面情況惡劣，擬選擇D級(jí)路面譜作為激勵(lì)，將參數(shù)帶入路面模型，借助Simulink搭建三軸車輛路面仿真模型，如圖3所示。

圖3 路面激勵(lì)的Simulink模型

運(yùn)行圖3所示的路面激勵(lì)模型，可得各輪胎路面激勵(lì)譜，見圖4。

圖4 各輪胎路面譜曲線

2.2 車輛仿真分析

文中主要研究越野車車身的垂直振動(dòng)特性和俯仰特性，因此建立1/2車輛五自由度模型，見圖5。

圖5 1/2車輛五自由度模型

根據(jù)圖5所示的越野車模型，可得到下式：

公司將秉承“礦業(yè)報(bào)國(guó)，振興民族經(jīng)濟(jì)”的核心價(jià)值觀努力發(fā)展，將成為世界500強(qiáng)的國(guó)際化大型礦業(yè)資源跨國(guó)公司作為企業(yè)目標(biāo)。

(2)

(3)

(4)

(5)

kr(z3-qr)=0

(6)

將動(dòng)力學(xué)方程寫成矩陣形式為：

U=[0 0qfqmqr]T；M=diag[mJm1m2m3]

則可以將上式表示為：

(7)

基于1/2車輛五自由度動(dòng)力學(xué)模型和Simulink模塊建立1/2車輛仿真模型，見圖6。

圖6 1/2車輛Simulink仿真模型

將表1中的參數(shù)帶入Simulink中，可分別得到車身垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)擾度和車輪動(dòng)載荷，見圖7。

由圖7所示：車身最大垂直振動(dòng)加速度amax<6 m/s2,符合越野車輛D級(jí)路面車身振動(dòng)要求；一橋和二橋懸架動(dòng)行程Zdis=±70 m,故需要對(duì)懸架彈簧剛度和阻尼進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)；車輪動(dòng)載荷滿足D級(jí)路面多軸越野車輛行駛要求。

圖7 車身加速度、懸架動(dòng)行程、車輪動(dòng)載荷時(shí)間歷程

3 結(jié)論

引入MATLAB軟件進(jìn)行懸架參數(shù)計(jì)算和仿真分析，對(duì)于推進(jìn)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序化、模塊化、集成化具有重要意義。

(1)借助GUI界面實(shí)現(xiàn)了懸架參數(shù)可視化和程序化計(jì)算，能有效提高懸架設(shè)計(jì)效率。

(2)建立了多軸越野車輛1/2車輛五自由度動(dòng)力學(xué)模型，為研究越野車輛振動(dòng)特性提供理論基礎(chǔ)。

(3)通過搭建Simulink仿真模型，對(duì)車輛垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)擾度和車輪動(dòng)載荷3個(gè)方面進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了懸架系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的合理性。

[1]張英會(huì),劉輝航,王德成,等.彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]袁涌,蔡靜.Matlab/GUI在鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(2):16-19. YUAN Y,CAI J.Application of Matlab/GUI in Leaf Spring Suspension Design[J].Journal of Hubei Automotive Industries Institute,2011,25(2):16-19.

[3]彭佳,何杰,李旭宏,等.路面不平度隨機(jī)激勵(lì)時(shí)域模型的仿真比較與評(píng)價(jià)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,10(1):78-82. PENG J,HE J,LI X H,et al.Simulation Comparison and Evaluation of Common Time Domain Models under Road Irregularity Excitation[J].Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science Edition),2009,10(1):78-82.

[4]于英.多軸越野車輛油氣懸架系統(tǒng)參數(shù)仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(11):25-28. YU Y.Parametric Simulation of Multiaxile Off-road Vehicle with Hydro-pneumatic Suspension[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2005,36(11):25-28.

[5]吳龍,聞霞.6自由度半車懸架解耦及其分層振動(dòng)控制的研究[J].汽車工程,2010,32(2):148-154. WU L,WEN X.A Research on the Decoupling of 6 DOF Half Vehicle Suspension and Its Hierarchical Vibration Control[J].Automotive Engineering,2010,32(2):148-154.

ResearchonParametersCalculationandSimulationAnalysisoftheSuspensionSystemofaCertainWheeledArmoredVehicleBasedonMATLAB

WANG Honggang1，XU Lei1，ZHOU Yu2，CHEN Xiao1

(1.China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Chongqing 401122, China;2.Chongqing Chang’an Industry(Group) Co., Ltd., Chongqing 401120,China)

The compressive strength of the spiral spring was gotten through force analysis of the suspension system based on the parameters of the vehicle.The interface of the Guide was established and the callback function procedure was compiled combining with computational formula of the key parameter of the suspension system and MATLAB/Guide module,and the parameters of the stiffness, damping coefficient and deviation frequency were gotten.Then,the 5-DOF dynamical model of the 1/2 vehicle was established through Simulink,the simulation analysis was carried out on the suspension system from three aspects including the vertical vibration acceleration, suspension dynamic vehicle immunity and wheel dynamic load. The introduction of MATLAB achieved programmed and modularization for the parameter calculation and simulated analysis of the suspension system of multi-axle wheeled armored vehicle;meanwhile, it’s of great significance on improving the design efficiency and performance analysis of the suspension system.

Wheeled armored vehicle； Suspension system；Parameter calculation；Simulated analysis.

TTJ81

A

1674-1986(2017)09-033-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.007

2017-08-21

王紅鋼(1984—)，男，研究生，工程師，研究方向?yàn)檎嚋y(cè)試評(píng)價(jià)。E-mail:xuleijy@126.com。