二自由度车辆悬挂系统建模与特性分析

二自由度车辆悬挂系统建模与特性分析

0悬挂系统动态工况分析改善车辆悬挂性能是提高车辆乘坐舒适性和机动性的关键，尤其是在战斗车辆上。行驶路径差，对先进悬挂系统的要求更加紧迫。而在设计悬挂之前,首先需要掌握履带车辆悬挂系统特性和悬挂参数变化对其特性的影响。悬挂系统在保证良好的乘坐舒适性时,还必须将悬挂动行程控制在允许的限度内,并且满足在载荷变化、加速、制动和转弯时对车身姿态的要求。针对悬挂系统参数匹配需求,建立了履带车辆悬挂系统模型,阐述了悬挂参数变化对悬挂特性的影响,为研究可控悬挂奠定基础。1模式与标准方法履带式车辆悬挂系统性能评价指标主要有3个参数来定性评价其性能,分别为车身加速度、悬挂动行程和负重轮相对动载的均方根值。均方根值作为系统的统计特性,强调的是系统在整个频率范围内的总体性能,履带车辆悬挂性能用3个均方根值形式的基本性能参数来进行定量评价,实际上这3个参数代表了悬挂互相冲突的设计要求。a.乘坐舒适性。ISO2631是国际标准化组织制定的评价人体承受振动的标准,针对路面的不同,评价标准也略有差异。车辆乘坐舒适性指标主要参照ISO2631及其类似标准。标准认为,各种振动源将振动传递到座椅和地板,人体对振动的感觉来自这两个位置。地板的振动反应了车体本身的特性,同时又是对座椅的振动输入,而座椅的振动除与振动输入外,还与座椅的结构有关。标准通过实验列出了人体舒适性对振动大小的主观统计数据。标准认为人体各个部位对不同频率振动的敏感程度不同,ISO2631定义了各轴向加速度在0.5~80Hz的频率加权函数;该标准中推荐的加权函数适用于多频率加速度频谱,优于积分方法,并给出频率加权加速度或舒适性参数的均方根值。为了研究的方便,也可直接采用车体加速度的均方根值来表征乘坐舒适性,这是最简单也是最常用的方法。b.悬挂动行程。悬挂动行程参数,定义为负重轮与车身的位移之差的均方根值,它影响的是车辆的重心高度及悬挂的结构尺寸。对于车辆的悬挂系统,其动行程是有限的,超过系统许用动行程时,就会出现悬挂击穿,即悬挂系统导向机构撞击限位器,此时负重轮传来的冲击力很大一部分通过行程限制器刚性地传到车体上,从而使乘员感觉很不舒适。但另一方面,悬挂动行程过小,会导致向车身传递更多的冲击,也会破坏乘坐舒适性。所以应根据实际应用情况对悬挂动行程加以适当的限制,既不过多也不过小。悬挂动行程均方根值SWS是表征这一性能很好的指标。因此,在满足悬挂平顺性要求的前提下,悬挂最大动行程应在限位行程之内。c.负重轮动载荷。负重轮动载荷参数,定义为相对于静平衡位置时负重轮载荷变化的均方根值。因为负重轮载荷的变化会引起地面接触印迹面积的变化,并导致侧向力与制动力的减少,所以该指标的大小主要影响车辆的附着性,该值大,意味着附着性差(当负重轮动载超过负重轮的静负荷,负重轮会离地),同时,过大动载导致过大的负重轮胶圈变形,还严重影响负重轮胶圈的寿命。2自由度车辆振动系统的建模和简化模型的建立履带车辆是一个复杂的空间多自由度非线性系统,当考虑履带车辆的履带时,大大增加了建立完整的履带车辆悬挂振动系统动力学模型的难度。因为每辆车的履带都是由上百块履带板组成的柔性体,履带板不仅与路面激励相互作用,而且每块履带板之间相互作用,还要与负重轮发生相互作用。完整的描述这些动力学关系十分复杂,且运算量大,将严重制约车辆悬挂振动系统实时控制的工程应用。当研究的着眼点是车体垂直振动和车体俯仰振动时,不计履带的影响,综合结果会使分析结论稍稍偏大,从安全考虑,并无不妥,且可大大简化分析过程。因此,所描述的悬挂系统动力学模型均未考虑履带的影响。为研究问题的方便,在不影响悬挂系统特性的情况下,对悬挂系统进行简化。简化过程中,做以下假设,(1)左右路面相同,左右负重轮的输入可以看作是相同的;(2)悬置质量和非悬置质量是刚体,不会发生结构变形;(3)悬挂系统元件的刚度和阻尼系数都可线性的换算到负重轮上;(4)悬挂系统质量分配系数为1。在考虑负重轮胶圈刚度的情况下,可建立二自由度车辆振动系统简化模型,如图1所示。其动力学方程为:m为悬挂质量(车体);mu为非悬挂质量(负重轮);k和kt分别为悬挂和负重轮胶圈刚度;c为减振器阻尼系数;q为路面不平度激励;z和zu分别为负重轮和车体垂直位移。对式(1)两个方程分别进行Laplace变换,并整理得车体位移与路面不平度的传递函数为:令s=jw,γ=kt/k为刚度比,μ=m/mu为质量比,λ=ω/ω0为频率比,为阻尼比,则车身加速度¨z对路面速度输入6)q幅频特性为:悬挂动行程fd对路面速度输入6)q的幅频特性为:负重轮相对动载荷Fd/G=kt(zu-q)/G对路面输入的幅频特性为:3悬挂参数分析根据以上公式,利用某型履带装甲车辆的结构参数,如表1所示,分析悬挂刚度、阻尼、负重轮胶圈刚度和负重轮质量对车身加速度、悬挂动行程和相对动载荷幅频特性的影响。3.1悬挂系统的刚度为了分析研究悬挂刚度系数对悬挂性能的影响,选取表2中的悬置质量、负重轮质量、系统阻尼、负重轮胶圈刚度,将悬挂刚度系数设置为0.5k,k,2k3种情况来进行分析,输出车体垂直加速度、悬挂动行程fd和负重轮相对动载荷Fd/G对路面速度的幅频特性。图2显示了刚度变化对悬挂性能的影响。从图2a中可以看出,随着悬挂刚度的减小,车身无阻尼固有频率减小,车身的加速度的峰值减小。当车速与路面不平度一定时,加速度均方根值也减小。因此减小悬挂系统的刚度,可以增加履带车辆的乘坐舒适性。但由于车辆的尺寸及悬挂布置空间,使得固有频率限制在一定的范围内。另外,悬挂刚度过小,当车辆经过颠簸路面时会导致限位铁的频繁碰撞或车辆转弯时车身侧倾变化太大等情况。从图2b中可以看出,随着悬挂刚度的增大,悬挂动行程曲线在低频部分下移,这使得悬挂动行程的均方根值减小,但是变化很小,对悬挂动行程影响不大。从图2c中可以看出,悬挂刚度增加使得负重轮相对动载荷增大,这对整车的行驶安全性不利。3.2悬架阻尼器的阻尼同理,为考虑系统阻尼对悬挂系统的影响,选择0.5c,c,2c3种情况来分析悬挂响应的幅频特性曲线。从图3a中可以看出,随着阻尼的减小,车身加速度幅频特性在低频共振区的峰值增大,这使得路面波长较大的起伏被放大为较大的车身加速度,这是不利的。但在低频共振点以上频率却因此获得较大的衰减,有利于路面波长较小的颠簸的衰减。在高频共振区车身加速度幅频特性峰值变化很小。从图3b中可以看出,悬挂阻尼增大后,悬挂动行程的幅频特性曲线在两个共振区之间的变化很小,而在两个共振区的幅值都明显下降。悬挂动行程的均方根值随着阻尼的增大而减小。从图3c中可以看出,随着阻尼的增大,负重轮相对动载荷的变化曲线在两个共振区之间的幅值都增大,在两个共振区的幅值则显著减小。另外,阻尼的增大使得轮胎相对动载荷的均方根值减小。因此,在悬挂设计中,阻尼不宜过小或过大。阻尼过小,会使车身低频的共振峰值很大;增加悬挂阻尼器的阻尼系数,有利于车身低频垂直方向跳动的控制,但对较高频率的隔振非常不利。如果阻尼超过相应的某一临界值,意味着阻尼器将变得非常硬,甚至会使得车辆在行驶时悬挂将地面不平度引起的振动直接传给车身。3.3胶圈刚度的影响图4是负重轮胶圈刚度分别为0.5kt,kt和2kt时,振动响应的幅频特性曲线。从图4a中可以看出,胶圈刚度增加使得负重轮跳动的固有频率向高频移动,负重轮共振点的车身加速度峰值变大。胶圈刚度的变化对车身跳动在低频共振区影响很小。从图4b和图4c中可以看出,随着胶圈刚度的增加,悬挂动行程与负重轮相对动载荷在高频共振区峰值变大,负重轮相对动载荷的峰值变化较大,悬挂动行程的峰值变化较小。因此,适当降低胶圈刚度来减小负重轮相对动载荷以提高负重轮和地面间的附着性能,对整车安全性有明显的好处。3.4非弹簧载质量一般是提高调整乘图5是非簧载质量分别为0.5mu,mu和2mu时,振动响应的幅频特性曲线。从图5a中可以看出,车身在低频处的共振性能不受非悬挂质量变化的影响。增大非簧载质量使得高频共振频率降低,在共振频率范围内车身加速度峰值、均方根值增大,使来自路面的输入被放大。由于此范围的频率与人体的垂向敏感振动频率接近,且不容易消除,导致乘坐舒适性下降。相反,减小非悬挂质量将提高高频共振频率,使中间频率范围隔振较好,另外底盘也比较容易隔绝高频振动,因此减小非簧载质量一般可提高乘坐舒适性。从图5b和图5c中可以看出,非簧载质量对悬挂动行程与负重轮动载荷在低频共振区的幅值几乎没有影响。但非簧载质量减小,使得高频共振点向高频方向移动,并且高频共振点的峰值都减小。另外,悬挂动行程均方根值随非簧载质量的增