基于ADAMS和Simulink联合仿真的主动悬架控制_陈黎卿

2007年4月

农业机械学报

第38卷第4期

基于ADAMS 和Simulink 联合仿真的主动悬架控制

*

陈黎卿　郑　泉　陈无畏　王继先　夏　萍

【摘要】　为减少车辆控制系统开发周期和成本,以某皮卡车为研究对象,利用AD AM S /V IEW 软件建立了车辆多体动力学模型;基于随机次优控制策略设计了主动悬架控制器,并通过M atlab /Simulink 编写了控制算法对其进行联合仿真,通过不断修正控制参数直至得到满意的控制效果。将采用主动悬架系统得到的仿真结果与采用被动悬架系统得到的仿真结果进行了性能对比,结果表明主动悬架系统有效地改善了车辆的行驶性能。

关键词:汽车　主动悬架　联合仿真　随机次优控制　多刚体动力学中图分类号:U 463.33;T P391.9

文献标识码:A

Study on Active Suspension System Based on ADAMS and Simulink

Chen Liqing 1　Zheng Qua n 1　Chen Wuw ei 2　Wang J ixian 1　Xia Ping 1(1.Anhui Agricultural University 2.Hef ei University of Technology )

Abstract

The desig n process of contro ller fo r active suspension emplo yed by a pickup v ehicle based on the co -sim ula tion w as presented .First ,a detailed m ulti -body dy namic m odel of the v ehicle w as established by using ADAM S /V IEW so ftw are package ;second ,a stochastic co ntroller w as de-sig ned for activ e suspensio n sy stem a nd w orked o ut by means o f Ma tlab /Simulink,the proposed control algo rithm w as integ rated with the multi-body dynamic vehicle model a nd the co-simula-tions co uld be perfo rmed repeatedly until a satisfactory controller was achieved ,the system w as com pared w ith a conv entional passive o ne.Sim ula tion results show ed that the propo sed activ e suspension considerably improv ed bo th the ride and handling perfo rmance of the v ehicle.

Key words Vehicle,Activ e suspension,Co-simula tion,Stochastic control,M ulti-bo dy dy-namic

收稿日期:2005-12-12

*安徽省教育厅重点项目(项目编号:KJ2007A061)和安徽农业大学2006年度校长青年资金项目陈黎卿　安徽农业大学工学院　讲师,230061　合肥市郑　泉　安徽农业大学工学院　副教授

陈无畏　合肥工业大学机械与汽车工程学院　教授　博士生导师,230009　合肥市王继先　安徽农业大学工学院　教授　通讯作者夏　萍　安徽农业大学工学院　副教授

引言

主动悬架的研究国内外已有许多学者做了大量的工作,采用了各种不同的控制技术,如最优控制、

LQG 、PID 控制

[1～3]

等方法,但大多是在数学模型的基础上,对车辆运动进行仿真研究。

文中以某皮卡车为研究对象,采用多体动力学建模软件ADAM S 建立车辆动力学模型和应用Matlab /Sim ulink 设计控制算法,建立了1个主动

悬架控制策略研究的集成环境,利用该集成环境进行车辆的联合控制仿真。

1　整车多刚体动力学仿真模型

本文在建立整车多体模型时,将前后减振器简化为阻尼约束,车架与后桥通过钢板弹簧连接起来;在平顺性分析中,只研究车辆在平直道路行驶的情况,故对发动机、传动系、动力总成等略去,通过将扭矩加在后轮胎上使汽车运动。建模时所需的各种参

数可通过图纸查阅、实验、计算和UG 建模等方法获

得,如表1所示。

表1　整车基本性能参数

Tab .1　Vehicle basic perf ormance parameter

整车参数数值整车质量/k g 2325悬挂质量/k g 2050前轮非悬挂质量/kg

125

后轮非悬挂质量/kg 150轴距/mm 3025轮距/mm

1430(前)/1426(后)

质心高度/mm

770(空)/750(满)整车参数数值前轴轴荷(满载)/kg 900

后轴轴荷(满载)/kg 1425车身侧倾转动惯量/kg ·m 23707.8车身俯仰转动惯量/kg ·m 24132.3车身横摆转动惯量/kg ·m 24023.8轮胎型号

215/75(前)/235/75(后)

为实现虚拟环境下的车辆仿真实验,需建立详细的悬架模型、路面模型以及轮胎模型。

1.1　后悬架虚拟模型

考虑本文研究的需要,主要是要保证钢板弹簧的垂向刚度。根据钢板弹簧的受力情况,在ADAM S /view 中,对建立的钢板弹簧模型施加1个方向向上的作用力,进行仿真分析。经计算垂向刚度为70.32N /mm,与实际相符,因此认为模型是准确的。1.2　轮胎

ADAM S 软件提供了FIALA 、U A

、DELFT 、SM ITHT 4种成熟的轮胎模型。文中采用的U A 轮胎模型是由Arizona 大学的Nika ravesh P E 和Gim G 提出,以Bergm en 的三维弹簧模型为基础推导而来的,该模型考虑了纵向和侧向联合滑动的情况,如图1所示。

图1　轮胎模型Fig.1　Tir e model

研究分析的工况为满载工况。U A 虚拟轮胎模型的参数见表2。

1.3　路面

目前,对于路面的构建方法大体有谐波叠加法、

表2　轮胎特性参数Tab .2

　Tire character parameter 参数名称数值轮胎自由半径r /mm 351.75(前)/366.75(后)轮胎径向刚度C z /N ·mm -1286.5

轮胎纵向滑移刚度C s /N rad -1

30000轮胎截面半径r J /mm

107.5(前)/117.5(后)

参数名称数值静摩擦因数_00.94动摩擦因数_10.75径向相对阻尼系数Y

0.75

轮胎外倾刚度C V /N rad -1

5640

轮胎侧偏刚度

C T /N rad -1

43250

积分白噪声法、滤波器整形的噪声法等。文中路面的构建通过对GB 7031—1986建议的公路路面功率谱

密度的拟合表达式进行研究,在分析了所关心的汽车固有振动频率和行驶速度的影响后,获得分布在一定频率范围内的离散功率傅里叶变化,进而利用离散傅里叶逆变换得到路面不平度值。具体过程见文献[4]。

1.4　整车动力学模型

整车动力学模型包括4个车轮在内,共有45个运动部件(不包括地面)。整车模型通过14个旋转副、6个球副、4个固定副进行约束,模型的自由度

f DO F =6n -

∑

i

n i =

6×45-14×5-6×3-4×6=158个

2　随机次优控制器设计

国内外已有许多学者进行了基于数学模型的多种控制方法的主动悬架控制器设计,但在实际中很

难作到所有的状态量都完全可测,有些根本无法测得。本文采用由可测得的输出变量提供反馈信息的次最优控制策略,建立了图2所示的整车模型。

图中,M s 、M ui 分别为悬挂质量、非悬挂质量,k si

为悬架刚度,c i 为悬架阻尼系数,k ti 为轮胎刚度,a 、b 分别为前、后轮到质心距离,T i (i =f ,r )为前后轴1/2轮距,h 为车身侧倾角,θ为车身俯仰角,z s 为悬挂质量的垂直位移,z si 为悬挂质量在4个车轮处的垂直位移,z ui 为非悬挂质量垂直位移,z gi 为路面位移,F 1、F 2、F 3、F 4分别为悬架对车身的合力,f 1、f 2、f 3、f 4分别为主动悬架作动器作用力。通过对汽车的运

动分析,得出系统的动力学方程如下:

车身俯仰运动方程

I y θ

=b (F 3+F 4)-a (F 1+F 2)(1)车身侧倾运动方程

I x h

=T f (F 1-F 2)+T r (F 3-F 4)(2)

车身垂直运动方程

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　第4期

陈黎卿等:基于AD AM S 和Simulink 联合仿真的主动悬架控制

图2　七自由度整车模型Fig.2　Sev en DO F v ehicle model

(a )垂直和俯仰运动　(b )侧倾运动

M s z

s =F 1+F 2+F 3+F 4

(3)M ui z

ui =k ti (z gi -z ui )-F i (i =1,2,3,4)(4)其中

F 1=k s 1(z u 1-z s 1)+c 1(z ·

u 1-z ·

s 1)+f 1(5)F 2=k s 2(z u 2-z s 2)+c 2(z ·

u 2-z ·

s 2)+f 2(6)F 3=k s 3(z u 3-z s 3)+c 3(z ·

u 3-z ·

s 3)+f 3

(7)F 4=k s 4(z u 4-z s 4)+c 4(z ·

u 4-z ·

s 4)+f 4

(8)当俯仰角θ、侧倾角h 在小范围内,近似有

z s 1=z s -a θ

-T f h (9)z s 2=z s -a θ+T f h (10)z s 3=z s +b θ+T r h (11)z s 4=z s +b θ-T r h

(12)

式中　I x 、I y ——车身侧倾、俯仰转动惯量,kg ·m 2

h

、θ

——侧倾角加速度、俯仰角加速度,rad /s 2

z ·si 、z ·

ui ——悬挂质量在4个车轮处垂直速度、

非悬挂质量垂直速度,rad /s

z

s 、z

ui ——悬挂质量质心垂直加速度、非悬挂

质量垂直加速度,rad /s 2

采用一个滤波白噪声作为路面输入模型　z ·

gi =-2πf 0z g i +2πw i

G 0u (i =1,2,3,4)(13)

式中　G 0——路面不平度系数,m 3

/cycle

w i ——均值为零的Gauss 白噪声

f 0——下截止频率,Hz

综合以上各式,取系统的状态变量为X =[θ,h ,z s 1,z s 2,z s 3,z s 4,z u 1,z u 2,z u 3,z u 4,θ·

,h ·

,

z ·

s 1,z ·

s 2,z ·

s 3,z ·

s 4,z ·

u 1,z ·

u 2,z ·

u 3,z ·

u 4,z g 1,z g 2,z g 3,z g 4]T

取系统的输出变量为

Y =[θ,h ,z ·

s 1,z ·

s 2,z ·

s 3,z ·

s 4,z ·

u 1,z ·

u 2,z ·

u 3,z ·

u 4,z s 1-z u 1,z s 2-z u 2,z s 3-z u 3,z s 4-z u 4]T

则系统状态方程和输出方程可写成

X ·

(t )=AX (t )+BU (t )+F W (t )

Y (t )=CX (t )

其中 U (t )=[f 1(t )　f 2(t )　f 3(t )　f 4(t )]T

W (t )=[w 1(t )　w 2(t )　w 3(t )　w 4(t )]T

式中　U (t )——控制输入矩阵

W (t )——Gauss 白噪声输入矩阵

则可得各系数矩阵。

综合考虑汽车平顺性,其主要的性能指标有:车身垂直加速度、悬架动挠度和车身侧倾角等性能指标。则目标性能指标J 表示为

J =E

∫

∞

[q 1z 2s 1+q 2z 2s 2+q 3z 2s 3+q 4z

2s 4+q 5θ2

+

q 6h 2

+q 7(z u 1-z s 1)2

+q 8(z u 2-z s 2)2

+q 9(z u 3-z s 3)2+q 10(z u 4-z s 4)2+r 1f 21+r 2f 22+r 3f 23+r 4f 2

4]d t

式中　q 1、…、q 10——前、后左右悬架与簧上质量连

接点的垂直加速度、轮1处悬架动挠度、轮2处悬架动挠

度、轮3处悬架动挠度、轮4处悬架动挠度的加权系数

r 1、r 2、r 3、r 4——主动悬架控制力f 1、f 2、f 3、f 4的加权系数

将上式写成矩阵形式

J =E

∫

∞

0(Y T Q 0Y +U T

R 0U )d t =

E

∫∞0

[X T (C T

Q 0

C )X +U T

R 0

U ]d t =E ∫∞0

(X T

QX +U T

R 0

U )d t

其中

Q 0=diag {q 1,q 2,…,q 10}R 0=diag {r 1,r 2,…,r 4}式中　Q 0——输出变量的加权矩阵

R 0——输入变量的加权矩阵

下面求次优反馈增益矩阵K ,需分2步进行,具体过程见文献[5～7]。

3　联合仿真及结果分析

3.1　联合仿真系统设计

首先,在ADAM S /V IEW 环境下定义状态变量,包括前、后、左、右悬架与簧上质量连接点的速度

z ·s 1、z ·s 2、z ·s 3、z ·

s 4,4个车轮处动挠度z s 1-z u 1、z s 2-z u 2、

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2007年　

z s 3-z u 3、z s 4-z u 4,4个车轮中心处的速度z ·

u 1、z ·

u 2、

z ·

u 3、z ·

u 4,车身俯仰角θ和车身侧倾角h ,将这14个信

号作为车辆多体动力学模型的输出量。将车辆多体动力学模型的控制输入量规定为前、后、左、右4个

主动作用力。接着,通过ADM AS /Controls 模块将整车多体动力学模型以非线性被控对象形式输出至Matlab /Sim ulink 环境中,以ADAM S -sub 子系统来表示,如图3所示。图中K 为随机次优控制反馈增益矩阵,是通过编写S -Function 函数计算所得

。

图3　联合仿真主程序模块Fig .3　M odel block of co -simula tio n

3.2　系统联合仿真

为验证建模、控制策略和联合仿真算法的合理性和有效性,对主、被动悬架分别作用下的汽车行驶

平顺性进行了大量的仿真计算和性能分析。设车辆以15m /s 的速度在C 级路面上直线行驶,仿真工作步长0.005s,仿真时间为10s 。加权矩阵Q 0、R 0的加权系数选择对系统各方面的性能有重要影响。经反复调试,矩阵R 0取r 1=r 2=r 3=r 4=1,矩阵Q 0取q 1=q 2=q 3=q 4=105,q 5=q 6=2500,q 7=q 8=q 9=q 10=1000时,控制器发挥较好作用。车身

垂直加速度、俯仰角加速度、车身动挠度、俯仰角以

及侧倾角等性能参数的仿真结果如表3所示。

表3　主、被动悬架性能对比表

Tab .3　Performance of act ive and passive suspension

指标

均方根

被动悬架

主动悬架车身侧倾角/rad 0.03470.0246车身俯仰角/rad

0.00910.0079车身俯仰角加速度/rad ·s -2

1.549 1.054车身垂直加速度/m ·s -2 1.243 1.147轮1处悬架动挠度/m 0.01820.0146轮2处悬架动挠度/m 0.01760.0153轮3处悬架动挠度/m 0.01670.0172轮4处悬架动挠度/m

0.0161

0.0175

由仿真结果对比分析表明,车身俯仰角加速度均方根值减少了31.9%,车身垂直加速度均方根值减少了7.72%,车身侧倾角均方根值减少了29.1%,车身俯仰角均方根值减少了13.2%。主动

悬架控制器明显地改善了车辆的行驶平顺性性能。

4　结束语

利用M atlab /Simulink 和ADAM S 软件分别在控制器设计和参数建模中的优势,建立了车辆主动悬架控制策略研究的集成环境。在此环境下,对所设计的随机次优控制主动悬架控制器进行了设计研究。与被动悬架相比,所设计的控制器能有效地改善车辆行驶平顺性;另外,建模所用数据均来自于实际车辆的数据,因此联合仿真结果进行的设计具有较好的实用性,大大减少了车辆控制系统的实际开发时间和费用。

参

考

文

献

1　兰波,喻凡.车辆主动悬架LQ G 控制器的设计与仿真分析[J].农业机械学报,2004,35(1):13～17.2　董波.主动悬架最优控制整车模型的研究[J ].汽车工程,2002,24(5):422～425.

3　宋宇,陈无畏,黄森仁.车辆悬架多刚体动力学分析及P ID 控制研究[J ].农业机械学报,2004,35(1):4～7.4　刘献栋,邓志党,高峰.公路路面不平度的数值模拟方法研究[J].北京航空航天大学学报,2003,29(9):843～846.5　王启瑞,刘立强,陈无畏.基于随机次优控制的汽车电动助力转向与主动悬架集成控制[J].中国机械工程,2005,16

(8):743～747.

6　张玉春,王良曦,丛华.汽车主动悬挂系统的次优控制及仿真[J].系统仿真学报,2003,15(8):1095～1097.7　陈黎卿.基于AD AM S 的悬架优化及控制研究[D ].合肥:合肥工业大学,2005.

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陈黎卿等:基于AD AM S 和Simulink 联合仿真的主动悬架控制

最新汽车悬架双质量系统的传递特性仿真研究

实例13 汽车悬架双质量系统的传递特性仿真研究 根据汽车理论可知悬架双质量系统微分方程为 0)()()(0)()(1212111121222=-+-+-+=-+-+q z k z z k z z c z m z z k z z c z m t (13-1) 对式（13-3）和式（13-4）进行拉氏变换并整理，可得 t t qk k cs z k k cs s m z k cs z k cs s m z ++=++++=++)()()()(22 111222 (13-2) 由上式可得2z 和1z 之间的传递函数为 k cs s m k cs z z s G +++== 2 2121)( (13-3) 另,,,2 132221t t k k cs s m A k k cs s m A k cs A +++=+++=+=将(13-3)代入(13-2),可得到 1z 与路面激励q 的传递函数为 N k A A A A k A q z s G t t 2212321 2)(=-== (13-4) 13.1 车身位移z 2与路面激励位移q 的传递函数 现在可分析车轮与车身双质量系统的传递函数。由式（13-3）（13-4）相乘可以得到车 身位移z 2与路面激励位移q 的传递函数为 N k A s G s G q z s G t 1212 )()()(=== （13-5） 由于传递函数分母为高阶多项式相乘，计算量比较大，因此可利用MATLAB 多项式计算函 数求出分母N 的系数。具体程序如下：

m2=317.5; m1=45.4; k=22000; kt=192e3; c=1.5e3; a1=[c k]; a2=[m2 c k]; a3=[m1 c k+kt]; n1=conv(a3,a2); N1=poly2sym(n1); n2=conv(a1,a1); N2=poly2sym(n2); nn=N1-N2; pretty(nn); a1=[c*kt k*kt]; den=[28829/2,544350,68943800,288000000,4224000000]; sys=tf(a1,den); w=0.1:.1:100; >> figure(1) >> [h,w1]=freqs(a1,den,w); >> freqs(a1,den,w); 运行可得到传递函数表达式以及传递函数的频率响应特性图： Transfer function: 2.88e008 s + 4.224e009 ------------------------------------------------------------------- 1.441e004 s^4 + 544350 s^3 + 6.894e007 s^2 + 2.88e008 s + 4.224e009 10 10 10 10 Frequency (rad/s) P h a s e (d e g r e e s ) 10 10 10 10 10 10 10 10 1 Frequency (rad/s) M a g n i t u d e

车辆悬架模型的仿真与分析

车辆悬架模型的仿真与分析 目前，关于汽车模型的研究很多。詹长书等人研究了二自由度懸架模型的频域响应特性。李俊等人模拟了不同车速和路况下二自由度车辆模型的动力学。郑兆明研究了二自由度车轮动载荷的均方值。基于Matlab建立了更加复杂的悬架模型，分析了其在模拟路面作用下的响应，分析了系统阻尼参数和刚度参数变化对车身动态响应的影响。 标签：汽车悬架；模型；模拟 据公安部交通管理局统计，截至2019年3月底，全国机动车保有量达3.3亿辆，其中汽车达2.46亿辆，驾驶人达4.1亿，机动车、驾驶人总量及增量均居世界第一。随着汽车数量的迅速增加，人们开始越来越重视汽车的乘坐舒适性，平顺性是舒适性的重要组成部分。振动是影响平顺性的主要因素，因此车身系统参数的合理设计对提高汽车的舒适性和安全性具有重要意义。 1车辆悬架模型 传统的悬架系统一般由弹性元件和参数固定的阻尼元件组成。本文选择汽车后轮的任意悬架系统建立四分之一模型。该模型的简图如下图1所示。其中，1是螺旋弹簧，2是纵向推力杆，3是减震器，4是横向稳定器，5是定向推力杆。 2悬架刚度分析 2.1悬架垂直刚度分析 悬架系统的垂直刚度可以通过分析悬架两个车轮在同一方向上的运行情况来获得。因为装有发动机的车辆的前轴载荷变化很大，所以前悬架通过调节螺旋弹簧的刚度和自由长度来确保车身姿态。后悬架的轴重变化不大，只有螺旋弹簧的自由长度略有调整，后悬架螺旋弹簧的刚度没有调整。这导致带有发动机的B 车型前悬架刚度略有增加。 除了悬架结构和参数的匹配外，前后悬架固有频率的正确匹配是降低车辆振动耦合度、有效提高车辆乘坐舒适性的重要方法之一。由于B型前悬架的轴重变化很大，通过调整前悬架螺旋弹簧的刚度，前悬架和后悬架的偏置频率比几乎不变。 2.2悬架倾角的刚度分析 一般来说，乘用车的前后侧倾刚度比要求在1.4和2.6之间，以满足略微不足的转向特性的要求。B车型前悬架的侧倾刚度略高于C车型，这是由前悬架刚度的增加引起的。前悬架侧倾刚度的增加有助于减小侧倾角度，但变化很小。

matlab四自由度汽车悬架仿真系统

线性系统理论大作业 1/2汽车模型悬架系统建模与分析学院：自动化学院 姓名学号：陈晨（16） 周铉（84） 联系方式： 时间： 2015年6月

目录 一、研究内容 .....................................................错误!未定义书签。 1、问题描述.................................................错误!未定义书签。 2、系统建模.................................................错误!未定义书签。 二、系统分析 .....................................................错误!未定义书签。 1、状态空间方程.........................................错误!未定义书签。 2、系统稳定性判断.....................................错误!未定义书签。 3、使用不同的采样周期将系统离散化求得其零极点分布图 .......................................................................错误!未定义书签。 4、系统一、二正弦响应曲线 ....................错误!未定义书签。 5. 系统一、二的阶跃响应..........................错误!未定义书签。 三、系统能控能观性判别.................................错误!未定义书签。 1、根据能控性秩判据.................................错误!未定义书签。 四、极点配置 .....................................................错误!未定义书签。 五、状态观测器设计.......................................错误!未定义书签。 1、全维状态观测器设计.............................错误!未定义书签。 2、降维状态观测器.....................................错误!未定义书签。 一、研究内容 本文对题目给定的1/2汽车四自由度模型，建立状态空间模型进行系统分析，并通过MATLAB仿真对系统进行稳定性、可控可观测性分析，对得的结果进行分析，得出系统的综合性能。在此基础上，设计全维和降维状态观测器以及状态反馈控制律和对性能的优化设计。

基于Matlab的汽车主动悬架控制器设计与仿真

《现代控制理论及其应用》课程小论文 基于Matlab的汽车主动悬架控制器设计与仿真 学院：机械工程学院 班级：ＸＸＸＸ（XX） 姓名：X X X 2015年6月3号 河北工业大学

目录 1、研究背景 (3) 2、仿真系统模型的建立 (4) 2.1被动悬架模型的建立 (4) 2.2主动悬架模型的建立 (5) 3、LQG控制器设计 (6) 4、仿真输出与分析 (7) 4.1仿真的输出 (7) 4.2仿真结果分析 (9) 5、总结 (10) 附录：MATLAB程序源代码 (11) （一）主动悬架车辆模型 (11) （二）被动悬架车辆模型 (12) （三）均方根函数 (13)

1、研究背景 汽车悬架系统由弹性元件、导向元件和减振器组成,是车身与车轴之间连接的所有组合体零件的总称,也是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间一切力传递装置的总称,其主要功能是使车轮与地面有很好的附着性,使车轮动载变化较小,以保证车辆有良好的安全性,缓和路面不平的冲击,使汽车行驶平顺,乘坐舒适,在车轮跳动时,使车轮定位参数变化较小,保证车辆具有良好的操纵稳定性。 (a)被动悬架系统(b)半主动悬架系统(c)主动悬架系统 图1 悬架系统 汽车的悬架种类从控制力学的角度大致可以分为被动悬架、半主动悬架、主动悬架3种（如图1所示）。目前,大部分汽车使用被动悬架,这种悬架在路面不平或汽车转弯时,都会受到冲击,从而引起变形,这时弹簧起到了减缓冲击的作用,同时弹簧释放能量时,产生振动。为了衰减这种振动,在悬架上采用了减振器,这种悬架作用是外力引起的,所以称为被动悬架。半主动悬架由可控的阻尼及弹性元件组成,悬架的参数在一定范围内可以任意调节。主动悬架是在控制环节中安装了能够产生上下移动力的装置,执行元件针对外力的作用产生一个力来主动控制车身的移动和车轮受到的载荷,即路面的反作用力。随着电控技术的发展，微处理器在车辆中的应用已经日趋普遍,再加上作动器、可调减振器和变刚度弹簧等重大技术的突破,使人们更加注对主动悬架系统的研究。 车辆悬架的特性可以从车身垂直加速度,悬架动行程以及轮胎动位移来研究。本文对主动悬架采用LQG最优设计策略,利用MATLAB/Simulink软件进行仿真,分别对被动悬架与主动悬架建立动力学模型,并对两种悬架的仿真结果做了详细的比较分析与说明。

基于MATLAB的汽车悬架仿真研究

基于MATLAB的汽车悬架仿真研究 周新鹏 （昆明理工大学交通工程学院，云南昆明） 摘要：针对不同悬架的性能特点，分别建立了被动悬架、主动悬架的车身与车轮二自由度振动模型，基于Matlab 软件用白噪声法模拟了路面不平度随机输入，在此基础上，对被动悬架与主动悬架的性能进行了仿真对比。仿真结果表明：主动悬架能更好地衰减振动，因此具有更佳的平顺性。 关键词：汽车主动悬架被动悬架Matlab 引言 悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称，用以把路面作用于车轮上的各种力和力矩传递到车架上[1]，同时还起到缓和冲击、吸收振动、提高平顺性与乘坐舒适性的作用。传统悬架的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，在汽车行驶过程中，其性能不变，也无法调节，从而使汽车平顺性与乘坐舒适性受到一定的影响，因此称这种悬架系统为被动悬架。主动悬架可根据汽车的行驶条件的变化对刚度和阻尼进行动态地自适应调节，因此能使悬架系统始终处于最佳状态[2]。车身垂直位移决定了汽车振动时振幅的大小，悬架行程直接影响撞击限位的概率，而车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标[3]，因此，本研究主要从车身垂直位移、车身加速度、悬架行程等几个方面比较主动悬架与被动悬架的特性。 1.汽车悬架相关理论 汽车悬架系统由弹性元件、导向元件和减振器等部分组成。弹性元件用来传递并承受垂直载荷，它也具有一定的吸振能力；导向元件用来传递纵向力、侧向力和由此产生的力矩；减振器用来迅速减小车身和车架的振动。 汽车悬架一般应具备以下功能： （1）承受汽车的重量； （2）承受并缓和汽车行驶时由路面通过车轮传给车身的冲击与振动； （3）在承受制动力、驱动力和转弯时产生的离心力时，要保证操纵的稳定性：

汽车悬架系统动力学研究完整版

汽车悬架系统动力学研 究 集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]

（研究生课程论文） 汽车动力学论文题目：汽车悬架系统动力学研究 指导老师：乔维高 学院班级： 学生姓名： 学号： 2015年1月

汽车悬架系统动力学研究 摘要：汽车悬架类型的选择和悬架参数的差异对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性具有重要的影响。主要分析了麦弗逊悬架的结构特点，并通过ADAMS软件建立麦弗逊悬架的3D模型,对其进行仿真分析,得出悬架参数的优化设计方法。关键词：麦弗逊悬架；ADAMS多刚体动力学；仿真分析Theautomobilesuspensionsystemdynam icsresearch CaisiVehicle141 Abstract:Differentkindsofsuspensionsystemsand ofdifferencesinsuspens ionparametersonthevehiclesteeringstabilityandridingcomforthaveimporta ntinfluence.MainlyanalyzedthestructurecharacteristicsofMacphersonsusp ension,andbyusingADAMSsoftwaretoestablish3DmodelofMacphersonsuspensio n,carryonthesimulationanalysis,themethodofoptimaldesignparametersofth esuspension. Keywords:Macphersonsuspension;ADAMS/Car;multi-rigid-bodydynamics;simulationandanalysis 引言 汽车悬架是汽车车轮与车身之间一切装置的总称。其功用在于：在垂直方向能够衰减振动和起悬挂作用；在侧向可防止车身侧倾和左右车轮载荷转移；在行驶方向上能够保证驱动与制动的实现并保持行驶方向的稳定性。不同的悬架设置会使驾驶者有不同的感受。看似简单的悬架系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。悬架系统起着传递车轮和车身之间的力和力矩、引导与控制汽车车轮与车身的相对运动、缓和路面传递给车身的冲击、衰减系统的振动等作用，汽车悬架系统对汽

浅谈汽车悬架系统建模与仿真

浅谈汽车悬架系统建模与仿真 发表时间：2019-01-15T12:39:58.223Z 来源：《防护工程》2018年第30期作者：周磊[导读] 汽车悬架系统较为复杂，而且多种构件组成，构件与构件之间的相互配合运转也较为复杂，因此使用传统的方式来对汽车悬架的特性进行分析便面临着诸多困难。本篇文章从悬架运动学和动力学仿真来分析汽车悬架特性的研究中所发挥的重要作用，并且就汽车悬架系统的设计开发进行探讨。 周磊 安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 230601 摘要：汽车悬架系统较为复杂，而且多种构件组成，构件与构件之间的相互配合运转也较为复杂，因此使用传统的方式来对汽车悬架的特性进行分析便面临着诸多困难。本篇文章从悬架运动学和动力学仿真来分析汽车悬架特性的研究中所发挥的重要作用，并且就汽车悬架系统的设计开发进行探讨。 关键词：汽车悬架系统；建模；仿真 本篇文章以国内某品牌汽车自主生产的SUV汽车前悬架为例，通过ADAMS/CAR建立前悬架三维实体模型，前悬架相关数据参数，包括构件的质量、转动惯量等参数，来确定前悬架的几何定位参数、减震器、扭杆等参数，依据这些数据来确定运动学和动力学仿真模型的建立。 1. 前悬架模型建立 利用ADAMS/CAR建立仿真模型时，建模顺序自下而上，最后得到前悬架模型，通过装配试验来确定模型建立的正确与否。 利用ADAMS/CAR软件建立仿真模型时要确保各个零部件关键点的位置要准确，这样才能确保建立的仿真模型的准确性。通过对比汽车理零件的设计图纸以及三维实体模型的实际测量，获得前悬架中零件关键的位置。设计图纸上可以查询悬架零件的质量，在多体系统的运动中，在运动过程中具有某种联系并且具有相同的运动轨迹而且固定在一起的部件可以看做是一个运动部件。一个运动部件具有同样的质心和转动惯量。获取运动部件的质心和转动惯量的参数可以通过称重和计算或者试验获取。利用CAD技术来完成部件实体模型，将构件的材料密度等参数输入既可以获得部件的质量、质心和转动惯量。 2. 悬架系统的仿真结果分析 利用ADAMS/CAR软件可对悬架系统进行分析，通过对车轮的垂直跳动来分析出前束角、车轮外倾角、后倾角及主销内倾角的参数变化。在轮胎的接地点施加侧向力、回正力矩来测量前束角和车轮侧偏角的参数变化。 2.1车辆悬架仿真实验 建立好悬架仿真模型之后，接下来就可以对其进行分析，悬架转向系统仿真分析的过程大体包括：打开悬架数学模型，然后设置好轴距、驱动力分配等悬架参数，之后进行仿真实验，根据实验结果绘制试验曲线图。 2.2悬架仿真结果分析 通过建立悬架仿真模型对其进行动力学和弹性动力学分析，通过对车辆左右侧的车轮同时进行上下跳动的位移，进行双轮同向激振的仿真试验。 2.2.1车轮外倾角结果分析 车轮的外倾角是车轮中心的平面与地面的垂线所形成的的夹角大小，在汽车工程手册中对于车轮外倾角的推荐中，在上调中外倾角变化范围在正负一度范围内合理选择悬架设计参数。 在该试验中，车轮在上跳过程中出现了外倾角的数值变化，外倾角由正值变向负值，当车轮处于-50mm时，外倾角大小为0.2°，当车轮在50mm时，车轮外倾角为-1.77°。通过对结果进行分析可以看出在上跳过程中车轮外倾角的数值变化范围超过了推荐的数值范围，变化过大，因此该设计需要改进。 2.2.2主销后倾角和后倾拖矩 主销后倾角和主销后倾拖矩是为了保证汽车在行驶过程中能够保证有足够的侧向力回正力矩，从而保证汽车能够保持直线行驶。主销后倾角数值越大那么主销后倾拖矩也就越大，从而回正力矩的力臂越大，结果就是回正力矩也就越大。通常来讲，四轮车的主销后倾角一般为3-10°足有，后倾拖矩数值大小一般为0-30mm。该次仿真实验中，仿真结果显示主销后倾角随车轮跳动量变化范围在4.2°-5.3°之间，这个范围在允许的范围内，因此符合悬架设计要求。 在主销后倾拖矩进行仿真试验时，实验结果可以看出来，随着车轮的上跳，主销后倾拖矩逐渐变大，而且变化范围在10.26mm-22.04mm之间，随着后倾拖矩的增大，回正力矩的力臂变大，而回正力矩也随之变大，不过回正力矩的数值变化范围仍然在规定范围之内，因此可以视为符合设计要求。 2.2.2主销内倾角及横向偏移距分析 主销内倾角的作用也是保证汽车在行驶过程中车轮自动回正，其作用效应是利用汽车本身的重力使得车轮回复到原来的中间位置。主销内倾角和主销横向偏置距有关系，主销内倾会减小横向偏置距的大小，从而使得驾驶员在转向时使用的作用力减小，也就是转向更加方便，也减小了转向轮传递过来的冲击力。 在实际设计汽车的时候，主销内倾角的范围大致在7-13°之间，数值最好取小一点，主销横向偏移距数值范围在-10-30mm之间，数值也是越小越好。通过对主销内倾角和横向偏移距进行仿真分析后得出的结果为，随着车轮的上跳，主销内倾角的增加幅度比较大，数值为10.6°-14.72°，这个范围已经超过了设计要求的标准范围，因此汽车悬架的主销内倾角需要改进。 对主销横向偏移距的仿真分析结果表明，前悬架的主销横向偏移距范围在13.87-23.35mm范围内，符合设计要求的范围，因此不必改进。 2.2.3汽车前束

基于ADAMS和MATLAB的汽车悬架系统仿真分析

基于ADA MS和MAT LAB的汽车悬架系统仿真分析3 韩朝晖 (湖南文理学院继续教育学院,湖南常德　415000) 摘要:文中对汽车半主动悬架系统的仿真分析采用了ADAMS和MAT LAB联合仿真方法。在ADAMS中建立了1/4汽车悬架的动力学模型,然后用MAT LAB软件建立汽车半主动悬架的阻尼控制模型,通过改变阻尼系数减小汽车的垂直振动。在MAT LAB/SI M UL I N K中建立采用模糊逻辑控制的控制系统模型,分析汽车车身垂直方向的加速度,来达到汽车行驶的平顺性。ADAMS和MAT LAB联合仿真方法为汽车动力学仿真提供了一种新途径。 关键词:虚拟样机技术;半主动悬架;模糊控制;联合仿真 中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)07-0016-04 车辆振动是影响车辆行驶性能的重要因素,这种振动不仅大大降低了车辆行驶平顺性,也影响其操纵稳定性。车辆振动严重时,还影响其行驶速度,同时车辆振动也是车内噪声的主要来源。为了提高汽车平顺性,减少振动,对汽车的悬架控制系统进行研究显得尤为重要。 1　ADAMS与MAT LAB软件简介 ADA MS是目前世界上最著名的虚拟样机分析软件,广泛应用于汽车制造业、工程机械、航空航天、国防等领域。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统动力学模型,利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分-代数方程,求解器算法稳定,对刚性问题十分有效,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线以及动画仿真。仿真结果可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷,以及计算有限元的输入载荷等[1～3]。 MAT LAB是矩阵实验室(M atrix Laborat ory)的简称,除具备卓越的数值计算能力外,还具有功能强大的工程应用工具箱,广泛应用于我国的各项领域[4,5]。文中在调用其中的控制应用模块程序的基础上,开展汽车悬架系统仿真研究。 2　ADAMS和MAT LAB联合仿真 2.1　半主动悬架的动力学模型 下面以某型号汽车为研究对象,建立其动力学模型[6,7],如图1所示。 根据牛顿第二定律,系统的运动方程为: m1x¨1+k1(x1-x0)-c(x?2-x?1)-k(x2-x1)=0 m2x¨2+c(x?2-x?1)+k(x2-x1)=0 (1)式中:x¨1,x¨2———分别为车身非簧载部分与簧载部分的垂直加速度; x?1,x?2———分别为车身非簧载部分与簧载部分的垂直速度; c———阻尼系数,为控制量。 [6]　李海庆,殷国富,彭瑞飞.基于X3D虚拟场景交互架构的实现方 法研究[J].系统仿真学报,2006(8):383-385. [7]　冯桂珍,池建斌.基于W eb的虚拟现实模型创建工具[J].工程 图学学报,2004,25(3):60-64. [8]　陈江平.虚拟现实技术及其在现代化教学中的研究[J].计算机 应用,2000,20(2):26. Rea li za ti on s on the con structi on of v i rtua l exper i m en t a l syste m for m echan i ca l i n nova ti on desi gn ba sed on X3D CHEN M i n,W U Sheng2nan,L I U X i a o2q i u (Electr o2Mechanical Engineering Depart m ent of Nanchang Ca mpus,J iangxi University of Science and Engineering,Nanchang 330013,China) Abstract:I nteractivity is fav ourable t o ins p ire the interest of study and t o devel op the main2body acti on of kno wledge.The cons ol2 idati on and devel opment of kno wledge would exist only when the in2 novati on exists.The virtual laborat ory of mechanical innovati on de2sign is a kind of open laborat ory and it depends upon the ex peri m en2 tal envir on ment under the conditi on of co mputer net w ork.It possesses characteristics of g ood interactivity,str ong sense of i m mersi on,con2 venient in both manufacturing and use,ins p iring the interest of stud2 y,enhancing the ability f or starting work,ex p l oiting the thought and raising the cooperative p r operty etc..This paper analyzed the key technol ogy,modeling and app licati on of constructing the virtual ex2 peri m ent of on lined mechanical innovati on design and realized the mechanical innovative virtual ex peri m ental syste m that can be inter2 acted with the users on internet by the use of X3D technol ogy.An analytical discussi on was carried out on ho w t o make the virtual ex2 peri m ent of mechanical design and the designing i m p le mentati on p r ocess of the virtual laborat ory of mechanical design was ex pounded. Key words:X3D(extendible3D);virtual laborat ory;me2 chanical innovati on design Fig6Tab0Ref8“J ixie Sheji”7596 第25卷第7期2008年7月 机　械　设　计 JOURNAL OF MACH I N E DESI G N Vol.25　No.7 Jul. 2008 3收稿日期:2007-12-03;修订日期:2008-01-22 基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(07JJ3095) 作者简介:韩朝晖(1962-),男,湖南常德人,副教授,硕士,主要研究方向:机械设计与制造、计算机仿真技术、高教管理等,发表论文二十余篇。

基于ADAMSCAR前悬架仿真模板

摘要 操纵稳定性是汽车的重要使用性能之一,它不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度,而且也是决定高速汽车行驶安全的一个重要性能,被称为“高速车辆的生命线”。因此操纵稳定性日益受到人们的重视。但是传统的研究分析方法已无法满足现代汽车的研究要求,现在虚拟样机技术作为一项新的产业技术,己经开始应用到各个领域。本文正是利用动力学仿真软件ADAMS研究探讨悬架系统对操纵稳定性的影响。 本文以汽车的前悬架系统为研究对象,应用ADAMS软件对汽车做仿真优化分析。第二章和第三章详细的介绍了汽车操纵稳定性在国内外发展状况及研究成果及ADAMS软件。然后利用ADAMS/Car模块建立汽车的前悬架系统并对该系统进行模拟仿真分析。 关键字 ADAMS/CAR 汽车操纵稳定前悬架运动学仿真

Abstract Handling and stability is one of the important performance of the car, it not only affects the ease of manipulation of motorists, but also determine the performance of an important high-speed cars with security, known as "high-speed vehicles lifeline." Therefore, increasing handling stability people's attention. But the traditional analysis methods have been unable to meet the research requirements of modern car, and now virtual prototype technology as a new industrial technology, had begun applied to various fields. This article is the use of dynamic simulation software ADAMS study investigated the effect of steering stability of the suspension system. In this paper, the car's front suspension system for the study, application software ADAMS simulation and optimization analysis of automobile do. The second and third chapters detailed description of the vehicle handling and stability at home and abroad and the research and development of ADAMS software. Then use ADAMS / Car module builds the front suspension system of the vehicle and the system simulation analysis. Keywords ADAMS / CAR car front suspension kinematics simulation steering stability