基于虚拟样机模型的车辆蓄能悬架联合仿真研究

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1、振动与冲击第２９卷第１２期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．２９Ｎｏ．１２２０１０基于虚拟样机模型的车辆蓄能悬架联合仿真研究江浩斌，耿建涛，张孝良，王涛（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江２１２０１３）摘要：基于机电系统相似性理论，设计了一种采用惯性蓄能器的车用蓄能悬架系统。运用ＰｒＯ／Ｅ软件建立了机械式惯性蓄能器的三维实体模型，通过接口程序Ｍｅｃｈ／Ｐｒｏ将蓄能器三维模型导

2、入到动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ中，与弹性元件、阻尼器连接，构建了１／４车辆蓄能悬架虚拟样机模型。在ＡＤＡＭＳ和Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ联合仿真环境中，分别对正弦输入、随机路面输入和阶跃输入作用下的蓄能悬架动态性能进行仿真分析。结果表明，蓄能器具有“通高频、阻低频”的性能特点，与传统的被动悬架相比，蓄能悬架可有效降低车身垂直振动加速度，提高了车辆的行驶平顺性。关键词：惯性蓄能器；虚拟样机；车辆悬架；动态性能；联合仿真中图分类号：Ｕ４６３．３３５．１文献标识码：Ａ悬架对车辆操纵稳定性和行驶平顺性具

3、有重要影有相位滞后及“通低频，阻高频”的作用，阻尼器呈中响。传统被动悬架的刚度和阻尼不能随路面状况的变性，所以采用弹簧和阻尼器并联结构的传统悬架［如图［５］化而变化，难以满足人们对车辆性能的要求。主动和１（ａ）］只能缓冲和衰减高频振动和冲击。研究表明，半主动悬架技术虽能提高车辆动态性能，但主动悬架惯性蓄能器具有相位超前及“通高频，阻低频”的特性，成本偏高，半主动悬架存在时滞问题，所以国内外研究将惯性蓄能器和阻尼器并联可缓冲和衰减低频振动和人员都在积极探索提高悬架性能的新技术。冲击。因此，若先将弹簧

4、和阻尼器并联，再将惯性蓄能［３－５］２００２年英国剑桥大学学者Ｓｍｉｔｈ发明了一种器与另一个阻尼器并联，最后将两者串联，组成一个全机械式惯性蓄能器，并于２００４年提出了多种车用蓄能新结构的悬架［如图１（ｂ）］，理论上该悬架可在全频域悬架的结构模型，初步研究结果显示了蓄能悬架的潜范围内缓冲和衰减由路面不平度引起的冲击和振动。［６］在优势。台湾学者ＷａｎｇＦｕｃｈｅｎｇ等人将惯性蓄能惯性蓄能器的实现可采用液压或机械装置，典型［３，４］器应用于列车悬架，改善了列车的乘坐舒适性和动态的机械结构为齿轮齿条式

5、和螺杆－球式。本文研稳定性。目前，对于这种新型悬架系统的研究报道甚究的齿轮齿条式惯性蓄能器结构组成如图２（ａ）所示。少。本文运用虚拟样机和联合仿真技术，将惯性蓄能器与弹簧和阻尼器在虚拟环境里连接起来组成蓄能悬架，通过仿真分析，对蓄能悬架在不同类型的激励作用下的动态响应进行初步研究，以掌握蓄能悬架的性能特点，为开展蓄能悬架的应用研究打下基础。１蓄能悬架系统结构和组成１１蓄能悬架的设计理论基础根据机电系统相似性理论，由“Ｒ（电阻）－Ｌ（电感）－Ｃ（电容）”组成的电路动态特性的微分方程与描图１两种悬架

6、结构比较述由“ｍ（质量）－ｋ（弹簧）－ｃ（阻尼器）”组成的机械系Ｆｉｇ．１Ｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［２］统动态特性的微分方程是完全相似的。按照机电模１２惯性蓄能器的工作原理拟方法，可用机械元件所受的力来模拟通过电学元件图２（ａ）中齿条和箱体分别为元件的两个端点设施的电流，用机械元件两端的速度差来模拟电学元件两加于两个端点上的力Ｆ为大小相等而方向相反的压力端的电位差（电压），类比电学元件的特性可知，弹簧具时，力Ｆ为正，两个端点上相应的速度为ｖ１和ｖ２，相对基金项目

7、：国家自然科学基金项目（５０８７５１１２）和江苏省高校“青蓝工速度ｖ＝ｖ２－ｖ１为正。设齿轮轴２上的齿轮半径为ｒ１，程”资助大齿轮５半径为ｒ２，小齿轮１半径为ｒ３，飞轮４半径为收稿日期：２００９－０６－２３修改稿收到日期：２００９－０８－３１ｒ４、质量为ｍ。为了简化推导，忽略其它组件的质量，第一作者江浩斌男，博士，教授，１９６９年生得到：通讯作者江浩斌２２·Ｆ＝（ｍα１α２）ｖ（１）２２２振动与冲击２０１０年第２９卷式中α１＝ｒ４／ｒ３，α２＝ｒ２／ｒ１。２２蓄能悬架虚拟样机模型若ｖ１＝０，即箱

8、体固定，则有：将惯性蓄能器应用于汽车悬架系统是一个新的尝２２·试，本文以１／４车辆蓄能悬架为研究对象，将在Ｐｒｏ／ＥＦ＝（ｍα１α２）ｖ２（２）若ｖ≠０，则飞轮产生平动惯性效应；通常α２α２非中设计的蓄能器三维模型导入ＡＤＡＭＳ中，建立了蓄能１１２常大，这部分的效应对式（１）的影响很小，对于因近似悬架虚拟样机模型（如图３所示）。蓄能悬架系统主要处理而忽略的其它组件质量所产生的平动惯性效应也参数列于表１。可以忽略。因此，就象定义弹簧刚度和阻尼系数一样，表１蓄能悬架系统主要参数可得到蓄