透析廂式半掛車空氣懸架系統(tǒng)仿真
出處：汽車工程 發(fā)布于：2011-09-05 09:51:29
一、動力學模型
研究分析的對象為整個廂式半掛車的掛車部分，其副車架為雙軸。掛車簧下質(zhì)量的振動是高頻振動，可以認為左右車輪的輸入是獨立的，不考慮其相互影響。建立6自由度（用z1～z6表示）半掛車空氣彈簧動力學模型，q1、q2、q3 表示路面激勵，如圖1所示。
表1 半掛車的動力學簡化模型參數(shù)
二、數(shù)學模型
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式中L為拉格朗日函數(shù)，L=T-V，其中T為系統(tǒng)動能，V為系統(tǒng)勢能；D為系統(tǒng)的耗散能；Q為系統(tǒng)的廣義力。
副車架前懸架后支撐的計算要考慮懸架前支撐的影響和前懸架質(zhì)量塊的綜合影響，根據(jù)幾何關(guān)系有
將式（2）～式（4）代入式（1）得到
式中
分別為位移、速度和加速度列向量。M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣。Q為路面激勵力的列向量，文中假設(shè)輪胎阻尼為0。
?。ǘ顟B(tài)方程
式中x是半掛車的狀態(tài)向量，12個分量分別表示6個自由度處的位移和速度；u是輸入向量；y為輸出向量，設(shè)置為6個自由度處的位移和速度；A為系統(tǒng)矩陣；C為輸出矩陣，設(shè)置為一個12階的單位矩陣；D為控制矩陣，設(shè)置其為3×12階的O矩陣。
三、仿真模型
在 Matlab/Simulink環(huán)境下，一般用基本方框圖的數(shù)學運算關(guān)系連接系統(tǒng)的搭建。采用直接應(yīng)用狀態(tài)方程模塊的方法進行仿真，只需將微分方程的參數(shù)代入，設(shè)置并添加必要的激勵和輸出顯示等環(huán)節(jié)即可仿真。
為了便于與試驗對比，以驗證模型的正確性，將簧上質(zhì)量的垂直振動和縱向角振動轉(zhuǎn)化為前后軸上方底板處的垂直振動，同時對加速度信號求自功率譜密度及加速度均方根值。
?。ㄒ唬r域輸入部分
用于隨機路面輸入的信號可以用兩種方法獲得，一種是根據(jù)有理函數(shù)標準譜的輸入方法模擬時域信號，另一種是直接利用獲得的道路時間歷程信號。圖2、圖3中輸出 1、輸出2和輸出3分別作為牽引銷處、副車架前軸、副車架后軸處的時域輸入。兩種不同來源的信號輸出模塊的內(nèi)部處理結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。
實測得到的是加速度時間歷程，需要進行二次積分并用高通濾波將趨勢消除，才能取得隨機位移。
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圖4 計算部分
為了獲得加速度輸出信息，對輸出的速度進行微分計算，根據(jù)幾何關(guān)系換算對應(yīng)位置的量值。
?。ㄈ┙K模型
終的分析系統(tǒng)模型如圖5所示。在整個模型建立中，主要使用Simulink庫中的Band2LimitedWhiteNoise、Sum、 Integrator、Gain、Transport Delay、Mux、State2Space、Demux、Derivative、Scope等模塊以及DSP block set庫中的Buffer、Rms、Yule Walker Method、Short Time Spectrum、Power Spectral Density等模塊。
四、仿真與試驗結(jié)果對比
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試驗在不同等級路面上進行，車輛參數(shù)選取與仿真一致，為滿載20t的廂式半掛車。車輛勻速行駛過程中，采用LMSDIFA數(shù)據(jù)采集前端，實時提取粘貼在車架上的ICP加速度傳感器信號，用LMS Testlab測量分析軟件進行數(shù)據(jù)實時分析和存儲。
?。ǘ┙Y(jié)果對比
輸入滿載行駛時廂式半掛車的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)以及路面參數(shù)，通過Scope和Display模塊可以看出該車各個自由度處的垂直加速度時間歷程與均方根值。仿真選用與試驗一致的參數(shù)，如表2所示。其中α為常數(shù)；ρ為常數(shù)；v為車速。
表2 路面參數(shù)
以C級路面下實車測試與仿真計算的加速度均方根值為例，給出結(jié)果如表3所示。
表3 隨機路面加速度輸出響應(yīng)
從表3結(jié)果來看，仿真模型響應(yīng)計算結(jié)果與實車試驗結(jié)果比較接近，二者在誤差允許范圍內(nèi)是一致的，說明該模型作為初步的模擬和預(yù)估是可行的。產(chǎn)生誤差的重要原因是本模型自由度較少且空氣彈簧的非線性阻尼和剛度的影響較大，同時路面使用情況較為復雜。
五、結(jié)論
通過實車試驗，驗證了模型的可靠性。為空氣懸架等部件在半掛車設(shè)計與匹配中的應(yīng)用提供了有利的工具。通過計算結(jié)果分析設(shè)計者可以明確懸架參數(shù)對于廂式半掛車動態(tài)響應(yīng)的影響，改進設(shè)計系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，以獲得更好的動態(tài)性能，從而縮短開發(fā)設(shè)計周期，節(jié)約成本。
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