基于AMESim的农用运输车悬架系统仿真研究

李红科

【摘要】對农用运输车的悬架系统建立了2自由度被动悬架和主动悬架系统模型，利用AMESim仿真软件对模型进行了时域分析，研究了在随机路面和三角形凸块路面工况下的车身加速度和轮胎压缩量，并据此评价了两种悬架的性能。结果表明：具有主动悬架的农用运输车，乘坐舒适性和行驶平稳性性都有明显改善。

【关键词】农用运输车；悬架；AMESim；仿真

Simulation Study On Agricultural Vehicle Suspension System Based On AMESim

Abstract： A 2-degree-of-freedom model of the agricultural vehicle passive suspension and active suspension system was built， and the time-domain analysis was made by using the AMESim software. The vehicle body acceleration and tire compression were studied under the condition of vehicle passing stochastic road and single bumper， and the performance of the two suspension systems was evaluated. The results showed that the ride comfort and ride performance were apparently improved for the vehicle with active suspension.

Key words： Agricultural vehicle Suspension AMESim Simulation

前言

农用运输车经常在乡村道路上行驶作业，路况比较差，对车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和驾驶员的乘坐舒适性等都产生不利影响。悬架的主要作用是把路面作用于车轮上的力传递到车架上，并衰减冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车正常行驶，因此汽车悬架系统必须满足行驶平顺性和安全性的要求。因此，设计优良的悬架系统，对提高农用运输车的性能有着重要意义[1，2]。

目前，农用运输车的减振系统主要采用由弹性和阻尼元件构成的被动悬架，其刚度和阻尼参数在车辆行驶过程中不能随其运行工况及路面激励的变化而自动调整，故只能保证在特定的道路和车速条件下达到性能最优折衷[3]。为克服常规悬架对其性能改善的限制，采用和发展了新型的主动悬架。主动悬架能根据路面情况及汽车运行的实际状态进行最优反馈控制，使汽车整体行驶性能达到最佳。其特点是能够主动提供能量，与被动悬架相比，优点在于具有高度的自适应性[4，5]。本文利用AMESim软件对农用运输车的被动悬架和主动悬架分别建立了它们的仿真模型，得到了它们在随机路面和三角形凸块路面工况下的车身加速度和轮胎压缩量，并据此评价被动悬架和主动悬架的性能。

1 农用运输车悬架模型的建立

1.1 悬架模型

以某载质量为1.5t的农用运输车为试验机，研究悬架系统特性。车辆是一个复杂的振动系统，为使问题简化，根据车辆左右对称及悬挂质量分配系数近似为 1，可采用目前比较常用的1/4车辆模型，它是一个2自由度系统，是能够仿真乘坐舒适性、车身位移、车轮动载和悬架位移的最小模型，在该模型中，因轮胎的阻尼较小而予以忽略，并假设轮胎和路面是始终接触的。2自由度1/4车体悬架系统动态模型如图1所示。

图1 悬架系统2自由度模型

（a） 被动悬架 （b）主动悬架

根据牛顿定律，可以得到主动悬架的动力学方程：

（1）

其中：为非悬置质量；为悬置质量；为轮胎等效刚度； 为悬架弹簧等效刚度；为悬架等效阻尼；为控制力；为路面不平度；为非悬置质量位移；为悬置质量位移。

选取状态向量，其中输入变量，则系统的状态方程可表示为

（2）

这里选取农用运输车的车身加速度、车身速度和悬架变形作为输出变量，则，，，，故输出方程为

（3）

式（2）和式（3）中

1.2 路面工况输入

本文分别选择两种路面工况激励进行仿真计算：

（1）当农用运输车车速稳定时，在时间域内路面输入为白噪声随机路面，路面轮廓可由谱密度为的白噪声通过一积分器产生[6]。即

（4）

由于农村道路一般采用《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）中的三级、四级标准，以及达不到四级公路的简易公路，所以式中路面不平度系数，农用运输车速度。另外，为零均值单位白噪声，参考空间频率为。

（2）农用运输车以的速度过一底边宽为400mm，高为60mm的等腰三角形凸块。

2 仿真模型的建立

农用运输车各参数的选择如表1所示，其中悬置质量包含车身自身重量和所载货物重量。

表1 悬架系统参数

非悬置质量

悬置质量

轮胎等效刚度

悬架弹簧等效刚度

悬架等效阻尼

80

1 950

61 000

89 500

4 895

应用法国IMAGINE公司开发的系统工程高级建模和仿真软件AMESim对车辆悬架系统建立如图2所示模型。图2中的（a）图和（b）图分别包含了被动悬架模型和主动悬架模型。主动悬架模型中包含了力补偿模块，本文采用的是"天棚"阻尼控制。图2（a）所示为随机路面输入的悬架模型，信号源采用的是AMESim中零均值单位白噪声信号产生器模块，采样时间间隔设为0.01s，经过一积分器和增益放大器输入到悬架模型中。图2（b）为等腰三角形凸块路面输入，采用的是AMESim中的分段线性信号源输入，信号源分段设置成4段信号，从第1s开始遇到三角形凸块，由于农用运输车的速度为40km/h，所以通过凸块的时间只有0.036s。仿真运行时间设为5s。

图2 悬架系统的AMESim模型

（a） 随机路面工况输入 （b）三角形凸块路面工况输入

3 仿真结果及分析

车身加速度、轮胎压缩量是评价汽车平顺性、操纵稳定性和驾驶员的乘坐舒适性的主要性能指标，图3和图4分别为在随机路面工况输入和三角形凸块路面工况输入条件下的车身加速度和轮胎压缩量仿真曲线。其中，（a）图中的曲线1表示被动悬架的车身加速度，曲线2表示主动悬架的车身加速度，（b）图中的曲线1表示被动悬架的轮胎压缩量，曲线2表示主动悬架的轮胎压缩量。

图3 随机路面工况输入时的仿真结果

（a） 车身加速度 （b）轮胎压缩量

图4 三角形凸块路面工况输入时的仿真结果

（b） 车身加速度 （b）轮胎压缩量

从图3中可以发现：在输入为随机路面时，从整个时域信号来看，主动悬架的车身加速度和轮胎压缩量幅值与被动悬架相比都有明显的减小，曲线变化较为平缓，而且恢复平稳行驶的时间要少，表明采用主动悬架的农用运输车的乘坐舒适性和运行平稳性要比采用被动悬架的农用运输车好。

从图4中可以发现：在输入为三角形凸块路面时，从整个時域信号来看，主动悬架的车身加速度和轮胎压缩量幅值与被动悬架相比都有明显的减小，曲线变化也较为平缓。在遇到凸块路面时，主动悬架的车身最大加速度和轮胎最大压缩量与被动悬架相比差异并不明显，但是主动悬架的车身震荡次数明显要比被动悬架少，而且恢复平稳行驶的时间要少，表明乘坐舒适性和运行平稳性得到了提高。

综上所述，采用主动悬架的农用运输车的车身振动加速度明显减少，轮胎压缩量也明显减少，车辆的舒适性和行驶平稳性得到了较大的提高。但是，在遇到凸块路面时，车身最大加速度和轮胎最大压缩量没有明显降低，这可能跟时滞对车辆悬架"天棚"阻尼控制的影响有关[7]。

4 结论

本文用AMESim建模仿真软件建立了悬架系统的机械模型，比较了在随机噪声路面和三角形凸块路面激励输入下，被动悬架和主动悬架的车身加速度和轮胎压缩量的仿真结果。结果表明：主动悬架对农用运输车的乘坐舒适性和行驶平稳性都有明显改善。未来的研究中，可以引入模糊控制和自适应控制策略，以达到更好的控制效果。

参考文献

[1]田冬艳，孙淑霞，姜彤. 基于COSMOS/Motion的汽车半主动悬架仿真研究[J].机械传动， 2010，34（7）：77-79.

[2]吴飞，刘存香. 基于AMESim的农用车辆悬架自整定PID调节[J].农机化研究，2011，：214-216.

[3]张为春，戴成. 基于ADAMS和MATLAB的车辆半主动悬架系统的研究[J].拖拉机与农用 运输车，2010，37（1）：45-46，49.

[4]续海峰，张慧鹏. 汽车主动悬架模糊PID控制器的设计[J].机械传动，2008，32（6）：81-83.

[5]M. A. Eltantawie. Decentralized neuro-fuzzy control for half car with semi-active suspension system[J]. International Journal of Automotive Technology， 2012，13（3）：423-431.

[6]马宏霞，靳晓雄，王阳阳. 基于AMESim的车辆主动悬架联合仿真研究[J]. 汽车科技，2007，（6） ：44-46.

[7]张文丰，翁建生，胡海岩. 时滞对车辆悬架" 天棚"阻尼控制的影响[J]. 振动工程学报，1999，12（4）：486-491.