汽车悬架检测的建模与仿真分析

易佳 熊光耀 李骏

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013，中国)

汽车悬架检测的建模与仿真分析

易佳 熊光耀 李骏

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013，中国)

谐振式汽车悬架检测台是汽车性能检测设备之一。本文建立了考虑整轴结构的悬架检测台“车-台”系统模型，通过实例仿真分析得到了可信的仿真结果，验证了模型的正确、有效。模型的建立为分析悬架检测结果的影响因素和优化检测台结构参数提供了理论依据。

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汽车悬架是汽车行驶系的重要组成部分,是汽车行驶安全性的重要部件之一。而减振器是汽车悬架装置最易发生故障的部件。研究表明，有相当比例的汽车上至少有一个减振器工作不正常。当减振器工作不正常时，汽车会出现跳跃、接地力减少、转向盘发飘、弯道行驶车身晃动、制动跑偏和侧滑等现象，并导致舒适性降低、危及驾驶安全。尤其在当前车辆行驶速度大大提高情况下，汽车的操作稳定性和行驶安全性尤为重要，且与悬架装置有直接关系。所以汽车悬架性能的检测十分重要，在JT/T448-2001《汽车悬架装置检测台技术条件》，规定把悬架吸收率作为评价悬架性能的指标。

以前对悬架装置的检测主要通过外观检测，看弹簧是否有裂纹、弹簧和导向装置的连接螺钉是否松动、减振器是否漏油等。这种方法的主要缺点是人为因素大，不全面，效率低，且对检测人员的经验要求较高。随着汽车检测技术的发展，谐振式悬架检测台因性能稳定、数据可靠而被普遍使用。

针对谐振式汽车悬架检测进行建模和仿真研究，是分析检测影响因素和检测设备结构参数的重要手段。目前多数文献建立的是由四分之一车辆模型与悬架检测台构成的“车-台”系统，不能反映整轴结构的影响。本文在分析谐振式悬架检测台工作原理的基础上，建立了考虑车辆整轴结构的悬架检测台“车-台”系统六自由度模型，并进行仿真分析，探讨相关影响，以期为分析悬架检测结果的影响因素和优化检测台结构参数提供理论依据。

1 谐振式悬架检测台结构原理

谐振式悬架检测台一般由机械部分和微机控制两部分组成。通过机械部分的电机、偏心轮、储能飞轮、台面组成激振器,使汽车悬架系统产生振动。开启电机使转速达到检测台的设计转速并稳定后,断开电源,储能飞轮存贮的动能通过偏心轮、台面对车轮进行扫频激振。由于设定的电机转速比汽车悬架的固有频率高,通过飞轮逐渐减速扫频,当激振频率达到汽车悬架的固有频率时,检测系统发生共振。微机控制部分经过相应的数据处理,可得到悬架的振动频率、振幅及相应的振动波形,通过振动频率、振幅及异常波形分析，计算悬架系统的吸收率，可对汽车悬架的综合性能及故障进行检测及评判。其工作原理如图1所示，左右两侧车轮分别由两套独立的激振系统控制。测试时,一般车轴两侧的悬架分别单独激振和测试。

2 悬架检测系统六自由度模型建模分析

2.1 物理模型分析

从图1分析可知，每一侧激振台面由两个相同的偏心轮驱动，它们与一个较大惯量的储能飞轮相连，组成一个对汽车车轮的激振系统。本文首先建立了反映整轴结构的车辆模型，再针对车轴的被检测悬架一侧采用“车-台”四自由度模型，由此构建了如图2所示的六自由度模型。其自由度包括：汽车整轴（前轴或后轴）承载质量的质心垂直自由度z1及其绕x轴的转动自由度θ1，激振系统的转动自由度θ及台板绕y轴的转动自由度β，整轴悬架左右侧非簧载质量的垂直自由度z2l， z2r。

图2 中：k2l，k2r分别为左右轮胎刚度；k，c分别为检测台两侧紧固弹簧的刚度和阻尼；m1，I1分别为整轴承载质量质心处的质量和侧倾转动惯量；s，d为该质心到左右两侧悬架的距离；z2，z4表示左右两侧悬架的垂直位移；Fl，Fr分别表示悬架系统中同轴左右两侧的悬架力；m2l，m2r分别为整轴悬架左右两侧非簧载质量；M(t)为电动机转矩。

2.2 数学建模

采用拉格朗日方法对系统进行数学建模，其动力学方程如下：

其中a为检测台两侧弹簧到台板x轴的距离，z3为检测台板的垂直位移。将方程进行综合可以简化为：

式中

式（1）为非线性数学模型，可应用Matlab/ Simulink进行仿真求解和分析。

3 实例仿真分析

3.1 检测实验仿真

为了验证理论模型的有效性和正确性，针对某一车型在某国产悬架检测台进行了悬架检测实验，测得的悬架吸收率为62.7%。采用原四自由度模型仿真计算得到的吸收率为65.3%，而采用本文所建考虑整轴结果的六自由度模型仿真得到的吸收率为61.5%，表明本文所建模型的正确、有效。应用本文所建模型模拟悬架检测实验进行仿真分析，得到悬架下面车轮部分位移信号和悬架吸收率的时间历程曲线分别如图4和图5所示，结果表明随着激振系统频率逐渐减小到非簧载质量的固有频率，非簧载质量出现共振，验证了模型能很好地反映悬架各部分随扫频激励的变化。

3.2 悬架故障实例仿真

为了分析本文模型对悬架故障检测的有效性，也为能进一步说明以吸收率作为评价悬架性能指标的合理性，针对上述实例，本文假设减振器出现漏油现象，即体现为减振器阻尼降低。本文假设减振器阻尼降低30%，再次通过仿真分析，得到吸收率的时间信号如图6所示，吸收率为50.1%。比较图5、图6和计算结果可知，当减振器阻尼下降30%时，其悬架吸收率从61.5%降到50.1%，减少了11.4%。说明该模型能很好地反映减振器阻尼变化对悬架性能的影响，体现了悬架吸收率对减振器阻尼参数变化的敏感，也进一步验证了模型的正确，可以为分析悬架检测结果影响因素和优化检测台结构参数提供帮助。

4 结论

（1）本文通过对谐振式悬架检测台的原理分析,建立了考虑整轴结构的汽车悬架检测的“车-台”振动系统理论模型，通过实例仿真验证，表明本理论模型是正确有效的。

（2）现有文献所建“车-台”模型多以四分之一车辆模型导入，不能反映整轴质量的转动惯量以及另一侧悬架结构的影响。本文所建模型解决了这一方面的不足，能反映更多相关影响因素，仿真分析更接近于实际检测。

（3）本文所建模型，有助于悬架检测台结构参数的优化分析，比如偏心轮的偏心距、激振系统的惯量等；也有助于对影响检测结果的因素进行分析，比如非检测侧悬架及轮胎参数的影响，为悬架检测分析提供了更多的选择。

Modeling and Simulation of Automotive Suspension Test

YI Jia, XIONG Guangyao, LI Jun
(East China Jiaotong University, School of Mechatronic Engineering, Nanchang Jiangxi,330013,China)

The resonant automotive suspension test rig is one of the automotive performance testing equipment. A model of suspension test rig based on the whole axle suspension was presented in the paper. Simulation analysis for two cases was given and the correct results were obtained. So the validation of the model was confirmed. It is helpful to analyze the influence factors of suspension test results and optimize the structural parameters of the test rig.

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