CN105302944B - 基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法，属于车辆被动悬架技术领域。本发明根据1/4车辆行驶振动模型，分别通过确定被动悬架阻尼比上界函数和下界函数的解析表达式，建立被动悬架阻尼比的优化目标函数；利用使得优化目标函数最小的阻尼比的解析表达式，通过积分运算得到被动悬架的广义耗散能，从而建立了基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的解析计算方法。通过实例与厂家经验设计值对比可知，该方法可得到准确可靠的车辆被动悬架最佳阻尼比设计值。利用该方法，可以使得车辆乘坐舒适性和安全性实现最佳折中，提高车辆被动悬架的设计水平；同时，还可缩短设计周期，降低悬架设计及试验费用。

Description

基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法

技术领域

本发明涉及车辆被动悬架，特别是基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法。

背景技术

悬架是车辆的重要组成部分，其性能影响和决定车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。目前，汽车上应用最为普遍的悬架类型为被动悬架，其阻尼比对悬架系统的阻尼匹配具有重要的指导意义，然而，由于受悬架系统最佳阻尼匹配理论的制约，目前国内外对被动悬架的阻尼比设计仍然没有可靠的方法。根据德国Manfred Mitschke教授所著的《汽车动力学》，可知目前对乘坐舒适性和行驶安全性折中的加权因数难以确定，从而导致悬架的最佳阻尼比的设计成为困扰悬架设计的关键问题。目前，对被动悬架阻尼比的设计，大都采用“经验+反复试验”的设计方法，即根据车辆参数，利用被动悬架的阻尼比可行性设计区间，并根据经验折中选择某一阻尼比，然后经过反复试验和修改，根据主观和客观加以综合判断，最后确定出悬架的最佳阻尼比的设计值。虽然这种方法是可行的，但由于其设计成本高、周期长，不能满足现代汽车行业快速发展的要求。为了更好地改善被动悬架的性能，需要对乘坐舒适性和行驶安全性之间的矛盾进行最佳折中，因此，必须建立一种简单可靠的基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法，从而降低悬架设计及试验费用，缩短设计周期，增强我国车辆的国际市场竞争力。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、可靠的基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法，其计算流程图如图1所示；1/4车辆行驶振动模型如图2所示。

为解决上述技术问题，本发明所提供的基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法，其具体计算步骤如下：

(1)确定车身振动加速度车轮动载F_d对路面输入激励速度的频响函数和

根据车辆单轮簧上质量m₂，簧下质量m₁，被动悬架的刚度K，轮胎刚度K_t，质量比r_k＝K_t/K，刚度比r_m＝m₂/m₁，固有圆频率待设计被动悬架的阻尼比ξ，其中，减振器的阻尼系数频率比λ＝ω/ω₀，ω为圆频率，ω＝2πf，f为激励频率；利用1/4车辆行驶振动模型，以路面不平度q为输入激励，以车轮的垂向位移z₁及车身的垂向位移z₂为输出；确定车身振动加速度车轮动载F_d对路面输入激励速度的频响函数和分别为：

其中，j为虚数单位；

(2)确定被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)的解析表达式：

①根据步骤(1)中所确定的频响函数和建立被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，分别为：

②根据①步骤中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，通过积分运算，建立它们的解析表达式，分别为：

(3)建立被动悬架阻尼比优化目标函数J_o(ξ)：

根据车辆单轮簧上质量m₂，簧下质量m₁，及在不同车速和不同路况情况下的舒适性加权因子α∈[0,1]，利用步骤(2)中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，建立被动悬架阻尼比优化目标函数

式中，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

(4)计算被动悬架的广义耗散能D：

A步骤：确定使目标函数J_o(ξ)最小的阻尼比

将步骤(2)中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)的解析表达式，代入步骤(3)中建立的被动悬架阻尼比优化目标函数J_o(ξ)，求得使目标函数J_o(ξ)最小的阻尼比，记作ξ^*，即

B步骤：确定被动悬架的广义耗散能D：

根据质量比r_k＝K_t/K，刚度比r_m＝m₂/m₁，利用A步骤中ξ^*的解析表达式，在加权因子α∈[0,1]区间内进行定积分运算，求得被动悬架的广义耗散能D，即

式中，

(5)计算基于广义耗散能D的被动悬架最佳阻尼比ξ_op：

根据在不同车速和不同路况情况下的舒适性最大加权因子α_max＝1和最小加权因子α_min＝0，以及步骤(4)中确定的被动悬架的广义耗散能D，计算得到基于广义耗散能的被动悬架最佳阻尼比ξ_op，即

本发明比现有技术具有的优点：

对车辆被动悬架最佳阻尼比的设计，大都采用“经验+反复试验”的设计方法。虽然这种方法是可行的，但由于其设计成本高、周期长，不能满足现代汽车行业快速发展的要求。

本发明根据1/4车辆行驶振动模型，分别通过确定被动悬架阻尼比上界函数和下界函数的解析表达式，建立被动悬架阻尼比的优化目标函数；利用使得优化目标函数最小的阻尼比的解析表达式，通过积分运算得到被动悬架的广义耗散能；基于广义耗散能建立了车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法。通过设计实例与厂家的试验设计值进行对比验证可知，该方法可计算得到车辆被动悬架准确可靠的的最佳阻尼比，为车辆被动悬架的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，可以使得车辆乘坐舒适性和安全性实现最佳折中，提高车辆被动悬架的设计水平；同时，还可降低其设计及试验费用，缩短设计周期，增强我国车辆的国际市场竞争力。

附图说明

为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。

图1是基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法的计算流程图；

图2是1/4车辆行驶振动模型图。

具体实施方式

下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。

某越野车单轮簧上质量m₂＝350kg，簧下质量m₁＝35kg，被动悬架的刚度K＝19897Nm^-1，轮胎刚度K_t＝179073Nm^-1，质量比r_k＝K_t/K＝9，刚度比r_m＝m₂/m₁＝10，固有圆频率为了实现最佳减振效果，需要计算该被动悬架的最佳阻尼比。

本发明实例所提供的基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法，其计算流程图如图1所示，1/4车辆行驶振动模型如图2所示，具体步骤如下：

(1)确定车身振动加速度车轮动载F_d对路面输入激励速度的频响函数和

根据车辆单轮簧上质量m₂＝350kg，簧下质量m₁＝35kg，被动悬架的刚度K＝19897Nm^-1，轮胎刚度K_t＝179073Nm^-1，质量比r_k＝K_t/K＝9，刚度比r_m＝m₂/m₁＝10，固有圆频率待设计被动悬架的阻尼比ξ，其中，减振器的阻尼系数频率比λ＝ω/ω₀，ω为圆频率，ω＝2πf，f为激励频率；利用1/4车辆行驶振动模型，以路面不平度q为输入激励，以车轮的垂向位移z₁及车身的垂向位移z₂为输出；确定车身振动加速度车轮动载F_d对路面输入激励速度的频响函数和分别为：

其中，j为虚数单位；

(2)确定被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)的解析表达式：

①根据步骤(1)中所确定的频响函数和建立被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，分别为：

②根据①步骤中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，通过积分运算，建立它们的解析表达式，分别为：

(3)建立被动悬架阻尼比优化目标函数J_o(ξ)：

根据车辆单轮簧上质量m₂＝350kg，簧下质量m₁＝35kg，及在不同车速和不同路况情况下的舒适性加权因子α∈[0,1]，利用步骤(2)中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，建立被动悬架阻尼比优化目标函数

式中，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

(4)计算被动悬架的广义耗散能D：

A步骤：确定使目标函数J_o(ξ)最小的阻尼比

将步骤(2)中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)的解析表达式，代入步骤(3)中建立的被动悬架阻尼比优化目标函数J_o(ξ)，求得使目标函数J_o(ξ)最小的阻尼比，记作ξ^*，即

B步骤：确定被动悬架的广义耗散能D：

根据质量比r_k＝K_t/K＝9，刚度比r_m＝m₂/m₁＝10，利用A步骤中ξ^*的解析表达式，在加权因子α∈[0,1]区间内进行定积分运算，求得被动悬架的广义耗散能D，即

式中，

(5)计算基于广义耗散能D的被动悬架最佳阻尼比ξ_op：

根据在不同车速和不同路况情况下的舒适性最大加权因子α_max＝1和最小加权因子α_min＝0，以及步骤(4)中确定的被动悬架的广义耗散能D＝0.3103和步骤(3)中的加权因子α∈[0,1]，计算得到基于广义耗散能的被动悬架最佳阻尼比ξ_op，即

本发明提供的基于广义耗散能的被动悬架最佳阻尼比ξ_op＝0.3103与汽车厂家“经验+反复试验”的设计方法所确定的最佳阻尼比0.3000吻合，两者偏差仅为0.0103，相对偏差仅为3.43％，表明所建立的基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼的计算方法是正确的。

Claims (1)

1.基于广义耗散能的车辆被动悬架最佳阻尼比的计算方法，其具体计算步骤如下：

(1)确定车身振动加速度车轮动载F_d对路面输入激励速度的频响函数和

根据车辆单轮簧上质量m₂，簧下质量m₁，被动悬架的刚度K，轮胎刚度K_t，质量比r_k＝K_t/K，刚度比r_m＝m₂/m₁，固有圆频率待设计被动悬架的阻尼比ξ，其中，减振器的阻尼系数频率比λ＝ω/ω₀，ω为圆频率，ω＝2πf，f为激励频率；利用1/4车辆行驶振动模型，以路面不平度q为输入激励，以车轮的垂向位移z₁及车身的垂向位移z₂为输出；确定车身振动加速度车轮动载F_d对路面输入激励速度的频响函数和分别为：

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其中，j为虚数单位；

(2)确定被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)的解析表达式：

①根据步骤(1)中所确定的频响函数和建立被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，分别为：

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②根据①步骤中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，通过积分运算，建立它们的解析表达式，分别为：

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(3)建立被动悬架阻尼比优化目标函数J_o(ξ)：

根据车辆单轮簧上质量m₂，簧下质量m₁，及在不同车速和不同路况情况下的舒适性加权因子α∈[0,1]，利用步骤(2)中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)，建立被动悬架阻尼比优化目标函数

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式中，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

(4)计算被动悬架的广义耗散能D：

A步骤：确定使目标函数J_o(ξ)最小的阻尼比

将步骤(2)中所建立的被动悬架阻尼比上界函数J_s(ξ)及下界函数J_c(ξ)的解析表达式，代入步骤(3)中建立的被动悬架阻尼比优化目标函数J_o(ξ)，求得使目标函数J_o(ξ)最小的阻尼比，记作ξ^*，即

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B步骤：确定被动悬架的广义耗散能D：

根据质量比r_k＝K_t/K，刚度比r_m＝m₂/m₁，利用A步骤中ξ^*的解析表达式，在加权因子

α∈[0,1]区间内进行定积分运算，求得被动悬架的广义耗散能D，即

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式中，

(5)计算基于广义耗散能D的被动悬架最佳阻尼比ξ_op：

根据在不同车速和不同路况情况下的舒适性最大加权因子α_max＝1和最小加权因子α_min＝0，以及步骤(4)中确定的被动悬架的广义耗散能D，计算得到基于广义耗散能的被动悬架最佳阻尼比ξ_op，即

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