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，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。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，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。
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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：
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包括汽车行驶时不要产生过大的侧倾与仰倾，使制动时产生的“点头”现象尽可能小；
（4） 使汽车具有不足转向特性，不产生过度转向；
（5） 使汽车与路面有较好的附着特性，不会由于过大的振动而使车轮脱离路面； （6） 在凹凸不平的路面上行驶时，为了保证必要的离地间隙，能主动调节车身
高度。
随着人们对汽车舒适性的要求越来越高，传统的被动悬架已不能满足人们的要求，于是适应力更强的主动悬架出现了，成为未来悬架的发展趋势。
2. 车身与车轮两自由度振动模型的建立
2.1 被动悬架系统模型
汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化. 参照文献，通常可以将汽车振动系统简化为单质量系统和双质量系统。在远离车轮部分固有频率的较低激振频率范围，轮胎变形很小，可忽略其弹性与车轮质量，从而得到最简单的单质量系统；当汽车悬挂质量分配系数的数值接近1时，可认为前后悬架系统的垂直振动几乎是独立的，此时可以简化为车身与车轮两个自由度的双质量系统。因双质量系统除了能反映车身部分的动态特性之外，还能反映车轮部分在产生高频共振时的动态特性，更接近汽车悬挂系统的实际情况，因此一般将汽车振动系统简化为双质量系统。图1是被动悬架车身与车轮两自由度振动系统模型简图。其中，m2为悬挂质量（车身质量） m1 为非悬挂质量（车轮质量）；K为悬挂刚度；C为阻尼器阻力系数；Kt 为轮胎刚度。
车轮与车身垂直位移坐标为z 1 、z 2 ，q为输入的路面不平度函数，坐标原点选在各自的平衡位置，其微分方程为：
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??mZ2
2
?1+ L3 Z?2) =0 + (L1(Z2 ? Z1 ) + L2 Z??1+ (L1(Z2 ? Z1 ) + L2 Z?1 +L3 Z?2) =0 （1） m1Z.................
图1被动悬架两自由度振动系统 图2主动悬架两自由度振动系统
2.2 主动悬架系统模型
图2是主动悬架系统车身与车轮两自由度振动系统模型简图。它将传感器测量系统运动状态信号输入电控单元，电控单元经过分析、判断后给力发生器发出指令，产生主动控制力，从而满足不同工况对悬架系统特性参数变化的要求。其中L1 、L2 、L3为根据优化得到的
?1+ L3Z?2 ) ，其他参数反馈系数；u为主动控制力，在此选择u =L1 (Z2 ? Z1 ) + L2Z与被动悬架系统相同。 其运动方程为：
??mZ2
2
?1+ L3 Z?2) =0 + (L1(Z2 ? Z1 ) + L2 Z??1+ Kt(Z1-q)-(L1(Z2 ? Z1 ) + L2 Z?1 +L3 Z?2) =0 （2） m1Z
3.路面不平度随机激励时域模型的建立
路面不平度随机激励时域模型的模拟方法很多，在此采用白噪声法：
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q (t) = ?2πf q(t) + 2πGq(n0)uw（t） （3）
0
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