精品版工程力学一个典型汽车非线性悬架系统的动力学行为研究Word格式.docx

1、学院土木工程学院专业工程力学121指导教师韩彦伟年月日摘 要悬架系统是汽车的重要组成部分，是连接车身与车轮之间的弹簧、减振器、导向机构等部件的总称，设有横向稳定器和缓冲块。悬架系统传递轮胎到车体的驱动力，缓冲吸收地面的激励振动，还能够在汽车加速减速时减少车身的俯仰和前倾，并且影响汽车行驶稳定性，安全性，保障汽车零件长久使用，加强乘坐人员舒适度的重要部分。悬架系统中存在大量的复杂的非线性特征元件，如弹性原件，阻尼原件等。模拟汽车通过不同路况下的路面时汽车的运动状态，为了保证仿真的真实性，需要建立非线性汽车悬架模型，非线性汽车悬架模型的建立与分析越来越受到人们的关注。本文通过分析汽车悬架的弹簧与阻

2、尼器的作用方式，建立了简单的单自由度1/4汽车模型。通过牛顿定律，建立了模型的非线性动力学微分方程，将方程进行无量纲化处理，以便于用MATLAB软件进行数值仿真分析。在分析了系统中车体相对于路面激励运动状况的同时，为了直观地表现出车体本身的运动规律、振幅大小、平稳性等情况，建立了车体绝对振幅的表达式，运用软件仿真，到得车体非线性振动特性，作出车体相对运动幅频曲线、绝对运动幅频曲线、时间历程图、时间速度图、相图及三维相图。在此基础上分析了车体重力、阻尼及激励幅值各参数对于车体运动的影响。关键词：汽车悬架，非线性振动，幅频特性曲线AbstractSuspensionsystemisanimport

3、antpartofthecar, istheconnectionbetweenthebodyandthewheelsofthespring, shockabsorber, guidemechanismandotherpartsofthegeneralterm, withahorizontalstabilizerandbufferblock. Suspensionsystemtiretothevehicledrivingforce, abuffertoabsorbthegroundvibration, butalsotoreducebodypitchandforwardatatimeofacce

4、lerationanddeceleration, andaffectingthedrivingstability, safety, securityautopartsusedforalongtime, strengthenridecomfortistheimportantpart. Therearealargenumberofcomplexnonlinearcharacteristiccomponentsinthesuspensionsystem, suchastheelasticelement, theoriginaldampingandsoon. Vehicleissimulatedbyd

5、ifferentroadconditionstothepavementwhenthestateofmotionofthecar, inordertoensurethatthesimulationauthenticityandneedtoestablishnonlinearvehiclesuspensionmodelandnonlinearvehiclesuspensionmodelestablishmentandanalysisofmoreandmorepeoplehaveattention.Basedontheanalysisoftheeffectofspringanddamperofaut

6、omobilesuspension, asimple1/4 vehiclemodelwithsingledegreeoffreedomisestablished. BasedonNewtonslaw, thenonlineardynamicdifferentialequationsofthemodelareestablished, andtheequationsarenon-dimensional. SothenumericalsimulationanalysisiscarriedoutbyusingMATLABsoftware. Ontheanalysisofthesysteminvehic

7、lerelativetotheroadincentivemovementatthesametime, tovisuallyshowthemovementofthebodyitself, amplitudeandsmooth, theestablishmentoftheexpressionsfortheabsoluteamplitudeofthebody, usingthesimulationsoftware, nonlinearvibrationsofthecarbody, makethebodyrelativemotionamplitudefrequencycurveandabsolutem

8、otionamplitudefrequencycurves, timehistorydiagramandtimevelocity, phasediagramsandthree-dimensionalphasediagram. Onthebasisofthis, theinfluenceofgravity, dampingandexcitationamplitudeonthevehiclebodymotionisanalyzed.KEYWORDS:vehiclesuspension, nonlinearityvibration, Amplitude-frequencyCurve第一章引言1.1本

9、文的研究背景和意义悬架系统就是指由车身与轮胎间的弹簧和避震器组成整个支持系统，是汽车的一个重要组成部分，主要由弹簧，减震器和导向机构三部分组成，设有横向稳定器和缓冲块1，如图1-1。悬架系统应有的功能是支持车身，改善乘客乘坐的舒适度。不同的悬架设置会使驾驶者有不同的驾驶感受。悬架系统将车体和轮胎进行连接，传递从路面传递到轮胎在从轮胎传递到车体的力与力矩，减少因为路面振动而引起的车身不平稳振动，保证车辆行驶的平稳性。外表看似简单的悬架系统决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，更甚能够减少动载荷引起的零件碰撞损坏或疲劳损坏，是现代轿车十分关键的部件之一，同时也是现代交通实现高速化，安全化提供前提。图

10、1-1汽车悬架系统结构汽车悬架系统在控制方法上分类能够分为主动悬架系统及被动悬架系统两类，被动悬架就是一般的常规悬架，按导向机构可分为非独立悬架，独立悬架，复合悬架三种。主动悬架可以分为全主动，半主动，主动阻尼悬架几种2。悬架系统中的阻尼部分也有多种形式，结构上分为传统线性阻尼，非对称阻尼，多级分段阻尼等，这些阻尼由阀来调整液体的通过面积进而控制阻尼；材料上分为电流变阻尼，干摩擦阻尼，磁流变阻尼等。传统的被动悬架系统往往很难兼顾到悬架系统需要达到的平稳性和安全性的要求，很多时候为了提高乘客舒适性，悬架系统往往采用低刚度的弹簧和高阻尼的减震器，但这样会使悬架系统行程增加，对于车身保持稳定性是不利

11、的，反过来为了车身稳定往往需要悬架系统更加坚硬，然而坚硬的悬架系统减振效果降低，车身振动又不利于乘客的舒适。以同时实现稳定性，安全性为目的的主动悬架和半主动悬架系统，由于有着自己的控制系统，能够根据环境的变化自主调节，从而同时改善汽车的舒适性和稳定性。半主动悬架结构简单，制作成本低，耗能环保，在大多情况下有着可以媲美主动悬架的性能，时现在最受到汽车厂商关注，可能大批量投入生产应用的悬架系统。同时随着人们对于智能材料研究的高速进展，电流变阻尼和磁流变阻尼越来越多地投入到汽车悬架减振器的制作中去3，这种阻尼可变的减振器为新式悬架系统的开发开辟了道路。这其中，磁流变阻尼以其响应快速，耗能低的特点成为

12、研究人员的研究热点4。由于对汽车的速度、安全性和舒适性等方面的要求不断提高，必须从力学机理上研究汽车振动与路面激励间的彼此影响以及系统内部的非线性动力学行为。但是，目前对于汽车悬架的线性分析虽已十分成熟，悬架构造不断进步，控制技术也在改善，但对汽车悬架的非线性动力学行为的理论研究尚不多见，非线性悬挂系统的原件刚度阻尼会随着激励，载荷的变化而变化，装备非线性悬架系统的汽车能够适应各种不同路况，衰减从路面传递来的振动，从而更加完善地保障乘客，货物及车体本身的安全。现代汽车的悬架系统非线性特性十分明显，弹性元件，减振元件甚至轮胎都表现出明显的非线性特征。在地面路况变化情况大，汽车的速度越来越快的现在

13、，线性模型已经很难真实还原汽车高速行驶时的状况，用精确的非线性模型代替线性模型的研究以势在必行。事实上，现代汽车产业对于非线性悬架系统非常重视，国内外的工作人员都在研究非线性悬架系统的改善及开发。通过对汽车动力学系统进行深入研究，可以概括为如何衰减车体振动，如何抑制蛇行运动，如何保障行驶的安全等等。悬架系统的形式需要尽可能满足不易损坏，易制造，检修简单，适用范围广等要求。使用更精确的非线性模型进行理论方面的研究，应以通过对非线性悬架系统的元件的仿真计算以及实验，掌握元件和悬架系统的非线性特性为目的，使我们能够深入理解车辆的结构，车辆参数的意义，可以通过数据与分析令汽车在获得良好动力性和经济性的

14、同时，获得好的操作稳定性和行驶平顺性。1.2非线性动力学的研究宇宙中的所有物体处于一种绝对永恒无条件的运动状态中，而这种运动大多时候都是非线性运动，在我们研究物质的运动规律时，线性的运动理论往往不能满足我们模拟真实状况的需求，线性运动和非线性运动在某些时候彼此差异不大，但在条件复杂的振动分析中，两者得到的结果往往有较大的误差5，这种时候我们就要对非线性系统进行研究。非线性系统对应平衡状态和周期振动的稳态解有多个，振幅，频率都与系统的初始状态有关。非线性系统的理论研究一般有定性分析6-7和定量分析8-9两种方法。定性分析不直接解出方程，反过来由系统微分方程出发，分析系统的动力学行为。定量分析方法

15、很多，如PL摄动法，多尺度法，KBM法，平均法等。先求出方程近似解然后再分析系统的运动特性。大部分方程都只能求出近似解而没有求出精确解的方法。弹簧振子系统是一种经典的振动模型，现实中不少模型都可以简化成弹簧系统进行分析，弹簧系统受到许多研究者的关注及应用10-11。1.3国内外研究背景近年来，国内外研究者越来越多地关注非线性汽车悬架系统的动力学分析与研究。PalkovicsL利用数值方法研究了控制中时间滞后性对悬架系统分岔和混沌行为的影响，得到了系统在某些参数范围内，会发生拟周期运动甚至混沌运动的结果12。Segel在1993年英国机械工程师协会（IMechE，InstitutionofMec

16、hanicalEngineers）举行的题为“车辆平顺性和操纵稳定性”的会议上发表的论文，总结了1990年汽车动力学的发展。13国外研究者也有利用“数字虚拟化样车”技术研究汽车动力学。JanJ.M. vanOosten在1997年的欧洲ADAMS用户年会上发表了一个报告，表示了自己对Delft-Tyre轮胎研究现况和未来发展的看法，随后在1999年和2000年的国际ADAMS用户年会上和利用ADAMS建立了包含Swift-Tyre轮胎的1/4汽车模型，模型的圆周振动频率高达80Hz，研究了随着车体速度和车辆载荷变化轮胎的动力学特性14-16。国内研究者虽然在非线性悬架系统的研究上起步较晚，但充分借鉴了国外研究成果，20世纪90年代往