汽车空气悬架建模与仿真分析.docx

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汽车空气悬架建模与仿真分析

汽车空气悬架建模与仿真分析

摘要：

悬架是汽车的重要总成之一，它对汽车的平顺性和操纵稳定性有很大的影响。

在汽车悬架系统的设计和开发过程中，其运动学、动力学和采用控制策略的计算分析占有十分重要的地位。

空气弹簧具有优良的弹性特性，用在车辆悬挂装置中不仅能大大改善车辆的动力性能，显著提高车辆的运行舒适度；还能降低汽车振动频率和车轮动载荷，使其获得良好的行驶平顺性、操纵稳定性和行驶安全性，减小高速行驶车辆对路面的破坏。

本文就汽车空气弹簧悬架及空气悬架系统的特点，对整车的影响通过简单计算，再把计算的结果输入计算机，由计算机模拟出图形，我们将得到研究结果。

关键词：

汽车空气悬架、空气弹簧、建模、计算机仿真

1引言

30年代初，美国法尔斯通轮胎和橡胶公司第一次真正把空气弹簧用于汽车工业。

哈维•法尔斯通在其好友亨利•福特一世和托马斯阿瓦•爱迪生的技术支持下，研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系统。

于是在1934年就诞生了AIREDE空气弹簧。

51年前，美国纽威•安柯洛克国际公司（NewayAnchorloklnternational）成立时即作为一家架车悬架系统的生产厂家，为公路和非公路行驶的重型机车设计和制造钢板弹簧悬架系统。

由于纽威在重型车辆市场上取得了成功，后来就向高速公路车辆悬架系统方向发展。

35年前，纽威向市场上投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。

从此以后，纽威开发出一系列空气悬架产品，应用于世界各地的客车、载货车和架车。

纽威提供的空气悬架产品约占北美和欧洲用于客车、载货车和架车市场的70％。

2发展趋势

随着高档客车制造技术的引进以及人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架才开始在我国逐步应用起来。

目前空气悬架主要集中应用在高等级客车上，但是受多方面因素的制约，空气悬架的配置率仍然很低，基本上还属于“导入”阶段。

中国是最新的前沿阵地，正在把钢板弹簧更换为空气悬架弹簧。

空气悬架发展的历史经验告诉我们，引入空气悬架的国家一般是首先将其用于客车，随后就向载货车和架车方向发展，中国也会有这样的发展过程。

3空气悬架系统简述

悬架是连接车身和车轮之间一切传力装置的总称，主要由弹簧（如钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、扭杆等）、减振器和导向机构三部分组成。

当汽车在不同路面上行驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支承，有效地降低了车身与车轮的振动，从而改善了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。

3.1空气悬架的特点

空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性实现其弹性作用的——压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化而进行自动调节，不论满载还是空载，整车高度不会变化，可以大大提高乘坐的舒适性。

空气弹簧的运动性能特点是：

负载能力可调；弹性系数随负载变化；负载变化肘,固有频率几乎不变；固有频率较低。

这些特点决定了空气悬架具有以下优点：

（1）乘坐更舒适安全；

（2）改善车辆的行驶平顺性；（3）延长轮胎和制动片的使用寿命；（4）负载变化时车身高度不变；（5）减少电气、空调、排气系统、车桥、车身和底盘的维修成本；（6）减少对道路的冲击，保护路面，降低高速公路的维修费用；（7）延长车辆的使用寿命并增加折旧值。

3.2空气悬架的结构形式

空气悬架的主要组成部分除了空气弹簧组件、减振阻尼装置之外，还有导向机构、高度控制阀、横向稳定器和缓冲限位块等。

空气弹簧是一种利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的新型弹性元件，它利用橡胶的弹性和空气压力获得综合具有吸振、减振、隔振、防噪和缓冲等功能。

作为隔振支承装置使用时，空气弹簧具有优良的弹性特性，与普通的钢制弹簧和橡胶制弹簧相比，它具有以下特点：

（1）空气弹簧具有非线性特性，可将其特性曲线设计成理想形状；

（2）空气弹簧质量轻，内摩擦小，对高频振动有很好的隔振、消声能力：

（3）空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节橡胶气囊内的压力来调整；（4）负载变化时，固有频率几乎不变，且固有频率较低；（5）空气弹簧具有较高的疲劳寿命，其疲劳寿命可达300万次以上，实际使用寿命可达5年以上。

如今，空气弹簧因具有良好的减振和隔振性能而被广泛应用于汽车、铁道车辆以及舰船、航空、工业等领域的动力机械、电子设备、仪器仪表、化工机械等各种设备当中。

空气弹簧的结构可以设计成多种类型。

根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧两种。

（如图所示）

囊式空气弹簧膜式空气弹簧

囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶制成的气囊和密闭在其中的压缩空气构成。

气囊上下盖板将空气封于囊内。

根据橡胶气囊曲数的不同，囊式空气弹簧可以分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。

气囊各段之间镶有金属轮缘，目的是承受内压张力。

囊式空气弹簧有效面积变化率较大，弹簧刚度较大，振动频率也较高。

为了获得低的振动频率，可设置辅助气室。

但过大的辅助气室对降低振动频率的效果不是很明显，因此在设计时辅助气室的容积最大不超过原气囊的三倍。

增加气囊曲数时，由于气囊的变形可由各个曲面平均分担，因此曲数越多，有效直径变化率就越小。

可见增加气囊曲数会降低囊式空气弹簧的刚度，降低弹簧的振动频率。

膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之问放置一圆柱形橡胶气巍，通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。

工作时，膜式空气弹簧橡胶气囊沿活塞面发生变形，通过橡胶气囊的卷曲变形实现整体伸缩。

膜式空气弹簧有效面积的变化率小，因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下，也可得到较低的自振频率。

在萁正常工作范围内，膜式空气弹簧刚度变化要比囊式小，弹性曲线更为理想，固有频牢更低些。

同时膜式窄气弹簧可以通过改变活塞底座的形状和利用活塞底庳的空心内腔作为辅助气室来优化其刚度特性，从而获得那想的非线性特性，膜式空气弹簧尺寸小，便于布置，刚而多用于小轿车上。

3.3空气弹簧的工作原理

空气悬架工作原理就是用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送到弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。

在前轮和后轮的附近设有车高传感器，按车高传感器的输出信号，微机判断出车身高度的变化，再控制压缩机和排气阀，使弹簧压缩或伸长，从而起到减振的效果。

空气悬架给予了汽车更多的灵性。

当你在高速行驶时悬架可以变硬来提高车身的稳定性；而长时间在低速不平的路面行驶时，控制单元会使悬架变软来提高车子的舒适性。

3.4空气悬架对整车性能的影响

1.空气悬架为刚度可变的非线性悬架。

当簧载质量变化时，刚度随之变化，以保持空载和满载时车身高度相同，悬架固有频率基本不变。

根据需要，可以选择不同的气囊工作高度，获得理想的固有频率，从而得到良好的行驶平顺性。

2.空气悬架质量轻，弹簧刚度低，高速行驶时，轮胎与地面的附着能力强，制动距离短；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。

3.空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量，可取空气压力作为信号，控制制动缸内的气压，来控制制动时的制动力，更好地保证了行驶安全性。

4.可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。

在平坦的路面上，降低车身高度，保持空气阻力系数为最佳值，可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。

4空气弹簧悬架的建模及分析

由于汽车是一个复杂的振动系统，为了便于分析解决问题，常对其进行简化。

在预测汽车的振动响应情况时，首先应该建立一个尽可能真实反映系统的数学模型。

选择模型时考虑因素的全面与否同预测结果的精确度有很大的关系。

建立理论模型的一般法则是把系统刚度较大的某一部分看作是具有集中质量的刚体，而把刚度较小的那一部分当作弹性连接元件，然后将这些刚体和连接元件组合起来，就形成一个机械振动体系。

通常认为理论模型的自由度数目越多，预测的结果就越精确。

但由于多自由度系统的计算要求测定的相关参数就多，而在车辆设计阶段许多参数并不能准确测定，会给计算结果带来很大的误差。

另就研究汽车平顺性而言，由路面不平激起的各种振动成分的作用也有大小和主次之分。

在试验的基础上得知车身地板水平方向变化数值就很小，对平顺性影响不到3％。

通常在研究平顺性时，暂时忽略汽车的侧向运动，着重考虑车辆垂直平面内的运动。

4.1建模

在研究车辆振动性能的模型中，根据研究方便，我们简化成1/4悬架模型。

汽车行使时受到路面阶跃为X0，轮胎的缓冲作用令其弹性刚度为K1，空气弹簧刚度为K2，减振器阻尼系数为Cd，根据研究的方便及需要在本文中简化成单质量系统模型。

简化的结果如下

图1空气弹簧悬架的简化模型

它由车身质量M2，车质量轮M1，车轮刚度系数K1，减振阻尼器阻尼系数Cd的悬架组成。

其中X0为地面阶跃，X2为车身位移，X1为轮胎位移。

4.2振动微分方程的获得

对模型的分析，利用牛顿第二定理，得到系统运动的微分方程：

对车身而言：

（1）

对轮胎而言：

（2）

对空气弹簧内部，设其截面积不变；则

（3）

（Pv+Pa）Vm=（Pro+Pa）Vom（4）

令y0=x2,y1=x2',y2=x1,y3=x1'

则y0'=y1

y1'=

y2'=y3

y3'=-

其中上式中：

M1——轮胎的质量，Kg

M2——车身的质量，Kg

X0——地面对车的阶跃，m

X1——轮胎的位移，m

X2——车身的位移，m

Cd——阻尼系数，N·s\m

P——空气弹簧的气压，P

Pr0——静平衡位置时的相对气压，Pa

V0——静平衡位置时的相对体积，m3

V——任意位置的相对容积，m3,我们近似认为v1+v2

M——空气弹簧内部缓冲系数。

一般为M=1.3—1.38，缓慢时为M=1，

坏路为M=1.4。

A0——空气弹簧的截面积,m2

V1----空气弹簧的主室体积，m3

V2----空气弹簧的副室体积，m3

n-----空气热力指数，对静态时n=1，对动态时n=1.314。

5．微分方程的求解

5.1式my＂+c（y'-q'）+k（y-q）=0

（1）的解析解

直接求解上式的解析解由高等数学微分方程的求解可知此方程的解由自由振动奇次方程的解之和组成。

若令

，

则奇次方程为：

y＂+zny＇+ω02y=0

ω0为系统圆频率.而阻尼对运动的影响取决于n和ω0的比值ξ。

ξ为阻尼比：

汽车悬架的阻尼比ξ的比值通常在0.25左右属于小阻尼,此时方程的解为:

分析此解可知,有阻尼自由振动时,质量m以有阻固有频率

振动,其振幅按

衰减。

以上仅为方程的解析解。

在通常的科学计算中，大量的微分方程无法用解析的方法求解，且没有真正的应用价值。

特别是随着计算机的迅速发展和广泛的应用，人们越来越认识到科学计算是科学研究的第三种方法，特别是工科类的大学生更应该具备这方面的知识和能力。

为适应时代工科大学生的要求，故可对方程

（1）进行科学计算。

5.2方程

（1）的数值求解

常微分方程是讨论一些典型方程解析解的基本方法。

然而，在生产实际和科学研究中遇到的微分方程比较复杂，在很多情况下，都不可能给出方程的解析表达式，又因计算量太大而不实用；有时，即使是一些已经有了求解的基本方法的典型方程，但在实际使用时也是有困难的。

以上情况都说明：

用求解析式的基本方法来计算微分方程的数值解往往是不适宜的，基本上是很难办到的。

在实际问题中，对于求解微分方程，一般只要求解在若干上的近似值或者解的便于计算的近似表达式（只要满足规定的精度）即可，就像本课题为了求得最后的振动方程，只要求解若干个点最后连成光滑的曲线即可。

5.2.1选用解法

把式

（1）进行整理可得：

y”+

yˊ+

q=0.此方程是一个二阶微分方程，可由多种方法对其求数值解，改进的欧拉方法和四阶—龙格库塔法比较合适，又因改进的欧拉方法比较适用于本身不太光滑的曲线，故在本次设计中可选用经典的解法：

四阶—龙格库塔法。

5.2.2四阶—龙格库塔法的基本思想

从研究商

开始，由微分方程中值定理

　　　　　　　　　（０<θ<１）

于是微分方程

得到解

此处的

称作

上平均斜率，记k*=f（（xi+θy）,（xi+θh））

即：

因此只要对平均斜率k*提供一种算法，由式便相应地得到一种微分方程地数值计算公式。

用此观点来研究欧拉公式与改进的欧拉公式，可以发现欧拉公式仅取

一个点的斜率

作为平均斜率k*的近似值，因此精度很低。

而改进欧拉公式即是利用了

与

两个点的斜率

与

取算术平均值作为平均斜率k*的近似值：

其中

是通过已知信息yi利用欧拉公式得到的。

改进欧拉公式比欧拉公式精度高的原因，也是在于确定平均斜率时多取了一个点的斜率。

因此它启发我们，如果设法在［xi，xi＋１］上多预报几个点的斜率值，然后将他们加权平均作为k*的近似值，则有可能构造出更高精度的计算公式，此则是龙格—库塔法的基本思想。

5.3　四阶龙格—库塔法编程及其参数说明

根据以上分析，用C编写为grkt1.c的子程序，此程序可以结合不同的微分进行调用，格式如下：

voidgrkt1（t,y,n,d）

intn;

doublet,y[],d[];

{d[0]=f0（t,y0,y1,.........yn-1）的表达式；

……

d[n-1]=fn-1（t,y0,y1,.........yn-1）的表达式；

return;

}

调用参数说明：

t—双精度实型变量，积分的起点t0

y—双精度实型一维数组，长度为n。

存放n个未知函数在起始点t处的函数值（即处值）

n—整型变量，微分方程组中方程的个数，也是未知函数个数。

k—整型变量，积分的步数

h—双精度实型变量，积分的步长

z—双精度实型二维数组，体积为n*k

以上仿真的基本参数：

M1=1400Kg；M2=70Kg；V1=0.03M3；V2=0.06M3；

A0=0.2827M2；P1=4Pa；K2=0.2MN/m；K1=0.1MN/m；

6．客车空气悬架系统的仿真分析

空气悬架的特性在很大程度上取决于空气弹簧的弹性特性。

空气弹簧具有非线性特性。

空气弹簧的载荷一位移曲线形状呈反“S”形，作该曲线上某点的切线便得到了该点的刚度。

说明了空气悬架的刚度是无限个的。

为了便于研究，简化了一下，就取曲线上的两个刚度值来研究，一个是刚度较大的情况下，一个是刚度较小的情况下，来分析车身、车轮、的位移速度加速度图象

汽车在行驶过程中振动时候，其阻尼比一般有三种情况：

0<ξ<1,ξ=1,ξ>1,其中：

1.0<ξ<1时，此时符合汽车小阻尼（欠阻尼）的振动，汽车在大部分情况下都是按照这种情况下振动的。

2.ξ=1时，此时为临界阻尼，汽车处于要振动而未振动的情况。

3.ξ>1时，此时为过阻尼，汽车振动不明显。

在本文中，我们分别对以上0<ξ<1和ξ>1两种情况下汽车悬架的振动情况进行仿真输出，对比各种情况下在受到相同阶跃输入时候，那种情况更理想，从而达到汽车舒适性和平顺性的目的。

6.1数据的处理

利用设计出来的C语言程序计算出来数据处理后分别将车轮位移、车轮速度、车身位移、车身速度、车身加速度、车轮加速度转化为test.txt、test2.txt、test3.txt、test4.txt、test5.txt、test6.txt的数据文件存放在计算机磁盘中，以供Matlab绘图时候调用。

在Matlab调用数据之前，应先将以上的数据文件保存到Matlab程序文件夹的work文件里面，这样才能直接调用。

在调用时候，将每个数据转化为矩阵形式，与时间参数一一对应（即t=0:

0.01:

1.00）进行绘图，从而的出车轮位移图、车轮速度图、车身位移图、车身加速度图、车身速度图。

6.2输出图形的结果

本次仿真设计的结果是对悬架系统在汽车车轮受到阶跃输入时候，对车身的位移，速度，加速度和对车轮的位移和速度进行形象的图形输出。

通过改变汽车阻尼比进行对比，具体结果如下：

图1阻尼比较小的情况，车身位移图

图2阻尼比较小的情况下，车身速度图

图3阻尼比较小的情况下，车轮位移图

图4阻尼比较小的情况下，车身加速度图

图5阻尼比较小的情况下，车轮加速度图

图6阻尼比较大时，车身加速度图。

在阻尼比大时，车身的加速度很快的降下来

图7在阻尼比大，车轮受到较大地面冲击时，也能在较短的时间内变小，使车轮在短时间平稳下来

图8在阻尼比大，车身受到较大地面冲击时，也能在较短的时间内变小，使车身在短时间平稳下来。

6.3仿真结果分析

通过对以上各图形的相互对比分析，汽车空气悬架的阻尼比在处于0<ξ<1情况下，当车轮受到地面阶跃输入的时候，车身的位移和速度不是随着地面的阶跃输入突然变化，不是突然变到最大后，车身速度马上就变为零。

而是有一个缓和的逐渐收敛过程。

在这种情况下，地面的变化情况对车身的冲击比较小，从而达到汽车平顺性和驾驶舒适性的目的。

而悬架的阻尼比处于ξ>1情况下的时候，当车轮受到地面阶跃输入的时候，车身的位移速度都变化的太快，给人身的刺激也就比较大，从而不能达到乘坐舒适性和驾驶平顺性的目的。

所以汽车在大部分情况下，阻尼比一般处于0<ξ<1情况下。

总结及建议

本文以客车空气悬架系统为研究对象，先对空气悬架系统的结构进行分析，再把空气悬架系统特点对整车的影响通过简单计算，得出计算结果后输入计算机，由计算机模拟出图形，我们得到研究结果。

由于时间仓促和客观条件限制，再加上作者水平有限，所以在本文研究工作基础上还有诸多可以完善之处。

现提出以下几点建议：

（1）对悬架的仿真目的是为了寻找一个最合适的阻尼系数以达到汽车的最佳舒适性和平顺性，由于路面和外界干扰因素对车身的干扰都是未知的，人们无法用什么模型来表示它，所以为了达到最佳舒适性和平顺性，悬架的阻尼系数也不应该是一个定值，只有通过不断的改变悬架的阻尼系数，同时通过对不同的路面冲击的模拟，通过计算机的输出的结果，我们找出接近理想的仿真曲线，才能达到最理想的状态，这是悬架的控制，才能了解空气弹簧的优越性。

（2）在空气悬架控制系统结构及控制算法的设计和研究上，国内大多停留在计算机仿真上。

因此在条件允许的情况下，综合考虑整车的平顺性和操纵稳定性，对各种控制策略下的主动空气悬架系统进行实车试验，验证所研究控制策略的正确性和可行性，为进一步实用化打下基础。

致谢

行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。

离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。

感谢学院关心我们毕业论文的老师和领导们，学院的计算机实验室给我的课题带来了很多方便；感谢在班里同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候帮助我，给我支持和鼓励，感谢你们。

特别感谢我的指导老师宋宇，在本课题中给予我悉心指导，从一开始对空气弹簧的完全陌生到最后的恍然大悟，我学到了很多知识。

宋老师给我的鼓励与指引，使我能够克服重重困难，将论文完成，在此谨向宋宇老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

谢谢！

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AutomotiveAirSuspensionModelingandSimulation

Author:

liuyidongteacher:

SungYu

（Theagricultureuniversityhefei07530087）

Abstract

Suspensionisoneoftheimportantassemblycar,itforcargettingsmooth-goingandstabilityhasverybigeffect.Intheautomobilesuspensionsystemdesignanddevelopmentprocess,thekinematicsanddynamicsandcontrolstrategyofcalculationandanalysisbyoccupiesveryimportantposition.Airspringhasexcellentelasticproperties,usedinvehiclesuspensiondevicescannotonlycangreatlyimprovevehicledynamicperformancesignificantlyimprovetheoperationvehiclecomfort;Stillcanreducevehiclevibrationfrequencyandwheeldynamicload,makeitswingoodridecomfortandsex,handlingstabilityandhigh-speeddrivingsafety,reducingvehicleofautomobidamage.Thispaperautomobileairspringsuspensionandairsuspensionsystemcharacteristic,theinfluenceofvehiclethroughasimplecalculation,andthenthecalculationresultsintothecomputerandthegraphicbycomputersimulation,wewillgetresults.

Keywords:

theairsuspension,airspring,modeling,computersimulation

附录

编程模块grkt1.c

#include"stdlib.h"

voidgrkt1（t,y,n,h,k,z）

intn,k;

doublet,h,y[],z[]