基于simulink的汽车悬架振动仿真与优化.docx

基于simulink的汽车悬架振动仿真与优化 1 路面输入的左右倾覆,有 由于车辆左右对称，本文选择了1%的汽车模型，并建立了4种自由的汽车悬臂系统模型。所建立四自由度模型忽略了悬置的发动机、驾驶员和座椅, 以及车辆的左右倾覆。 (1) 在路面的长波激励下, 可以认为车辆的左右两个车轮轨迹输入具有较高的相关性, 即认为左右轮输入是一致的。那么, 路面实际上可以看成是圆柱状, 再考虑到车辆左右的对称性, 则可以认为车辆左右两侧以完全相同的方式运动。 (2) 在短波输入情况下, 车辆所受的激励实际上大多只涉及到车轮跳动, 对车身运动影响甚微, 车身左右两边相互作用就几乎为零 如图1所示四自由度车辆模型, 图中各符号含义如下:M 四自由度悬架系统动力学方程: 2 汽车悬架建模及仿真 路面输入模型:由一白噪声通过一积分器产生随机路面不平度时间轮廓 (路面粗糙度) , 在Matlab\Simulink中建立仿真路面输入模型, 如图2所示。该模型可实现不同路面等级的仿真数据输入。 悬架系统仿真模型:根据所建立的四自由度车辆模型运动微分方程, 在Matlab\Simulink中可建立四自由度悬架线性系统的仿真模型 (略) 。 悬架系统仿真输出及结果分析:车身加速度是汽车行驶平顺性也就是乘坐舒适性的直接反映, 所以模型的主要输出之一就是加速度。包括车身质心加速度、车身俯仰角加速度、前轮上方车身加速度与后轮上方车身加速度 另一方面, 悬架的动行程对汽车的行驶平顺性也有较大的影响, 必须对悬架动行程予以考虑。四自由度悬架系统悬架动行程包括前悬架动行程和后悬架动行程。 选择某一款轿车进行仿真分析, 仿真时假定车速为40m/s, 路面为C级路面。仿真求解时采用变步长求解器ode45, 仿真时间为10s 为了研究方便, 将悬架系统振动响应的幅值和均方根值放入表1中。 3 各目标函数的权系数 根据汽车悬架刚度、阻尼优化设计的约束条件, 利用多项式拟合函数[P, S]=polyfit (X, Y, m) , 依次令优化设计目标参数 (设计变量) :前悬架刚度K 在多项式拟合时为了得到准确的多项式表达式, 必须将采样点X、Y的数量级化为相当。为此, 令刚度的单位为10kN/m、阻尼的单位为kN·s/m、动行程的单位为mm。 利用上述函数拟合作为设计变量之一的前悬架刚度K 拟合多项式得到的前悬架刚度K 用同样的方法还可以求得6个优化目标与另外3个设计变量的关系表达式, 其中:y 将各目标函数作无量纲处理, 再赋予其相应的权系数用以表明各子目标之间的重要程度。权系数的选取由悬架刚度、阻尼对各振动响应的影响得到, 根据前后悬架的刚度和阻尼对各振动响应 (优化评价指标) 的影响大小, 可以确定各个子目标函数的权系数。另外, 权系数具有归一性和非负性条件 利用所建立的四自由度汽车悬架模型, 结合悬架刚度、阻尼的设计要求 (约束条件) 以及上面讨论的目标函数, 分别赋予各个分目标相应的权系数以及作无量纲处理, 并由此作为优化目标函数, 在Matlab环境下编写M文件, 调用Matlab优化工具箱 (Optimization Toolbox) 中fminimax函数对车辆悬架系统进行平顺性优化计算, fminimax的作用是使目标函数的最大值逐次减小, 即在最坏的情况下, 寻求最好的结果, 这是一种稳妥的保守策略。最终优化计算得悬架的刚度、阻尼如表2所示。 为了全面分析计算结果, 分别取车速u=20m/s和u=40m/s两种工况, 路面等级取为D级。几种加速度优化前后均方根值对比如表3所示。 由表3的数据对比可以看出, 不管是车速u=20m/s还是车速u=40m/s, 悬架系统行驶平顺性的主要反映量, 各动加速度都明显地降低, 汽车乘坐舒适性得到很好的改善。各加速度的降低幅度大概都在10%左右, 其中后轮上方车身加速度的降低最为明显, 两种工况下都达到12%多。 前后悬架动行程优化前后均方根值对比如表4所示。 由表4的优化前后动行程的数据对比可以看出, 前后悬架动行程在u=20m/s时都略有增加, 但幅度很小。在u=40m/s工况下后悬架动行程降低了0.8%, 前悬架动行程略有增加, 但幅度也很小。总体来看, 优化后的动行程比优化前的要略大一些, 但是增大的幅度非常小。