兩級(jí)串聯(lián)型慣容基于半車模型的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架性能分析

兩級(jí)串聯(lián)型慣容基于半車模型的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架性能分析

0系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真“靈容-彈簧-衰減”（id）車輛懸臂鏡包括三個(gè)被動(dòng)因素：習(xí)慣容器、彈簧和衰減。它具有提高車輛隔震性能的潛力。與手動(dòng)懸掛相比，無(wú)需輸入外部能量。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠、成本低。因此，它已成為車輛工程界的中心對(duì)象。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為,通過(guò)抑制1~2Hz行駛時(shí)車身的跳動(dòng),減小小于5Hz的車身俯仰和側(cè)傾振動(dòng),采用改善低頻車身振動(dòng)的思路來(lái)設(shè)計(jì)懸架,可以最大限度地提高舒適性,而且更簡(jiǎn)單直接?；谶@種設(shè)計(jì)思路,本文利用機(jī)電系統(tǒng)相似性和級(jí)聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò),以改善車輛低頻隔振性能為出發(fā)點(diǎn),提出一種能夠抑制車身共振的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架,建立懸架的半車輛模型,在數(shù)值仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上,研究隨機(jī)和脈沖激勵(lì)下懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及性能改善情況。研究結(jié)果不僅為改善車輛低頻隔振性能提供一種科學(xué)的思路與方法,更重要的是為兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1慣容器、彈簧和阻尼的性質(zhì)“慣容—彈簧—阻尼”懸架新結(jié)構(gòu)體系的提出,以及由此引起的懸架技術(shù)創(chuàng)新,得益于機(jī)電系統(tǒng)相似性研究的最新理論成果。在傳統(tǒng)的“力—電流”對(duì)應(yīng)中,力和電流是“流變量”,速度和電壓是“跨變量”,質(zhì)量、彈簧和阻尼分別與電容、電感和電阻對(duì)應(yīng)。在這種對(duì)應(yīng)關(guān)系中,彈簧和阻尼都具有兩個(gè)獨(dú)立、自由的端點(diǎn),而質(zhì)量元件的一個(gè)端點(diǎn)是它的質(zhì)心,另一個(gè)端點(diǎn)卻是慣性參考系中的固定點(diǎn),這導(dǎo)致了質(zhì)量元件只能和“接地”的電容相對(duì)應(yīng),這種“接地”要求使得“電容—電感—電阻”電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與“質(zhì)量—彈簧—阻尼”機(jī)械網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能嚴(yán)格對(duì)應(yīng),也使得長(zhǎng)期積累的大量電子網(wǎng)絡(luò)理論不能應(yīng)用于對(duì)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)的分析與綜合中,限制了人們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)的自由度和靈活度,制約了機(jī)械系統(tǒng)尤其是隔振系統(tǒng)的發(fā)展。慣容器又稱慣性質(zhì)量蓄能器或慣性蓄能器,它的實(shí)質(zhì)是一種封裝了質(zhì)量或飛輪慣性并具有兩個(gè)自由端點(diǎn)的容器運(yùn)用機(jī)電系統(tǒng)之間嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)相似關(guān)系及“流變量”和“跨變量”的概念,根據(jù)電容、電感和電阻的性質(zhì),可以類推慣容器、彈簧和阻尼的性質(zhì),見表1。需要指出的是,電子系統(tǒng)中“通”和“阻”的是電流,而機(jī)械系統(tǒng)中“通”和“阻”的是力流。2兩級(jí)串聯(lián)型isd懸架網(wǎng)絡(luò)的建立本文研究的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架是基于分析的方法提出的,借鑒電學(xué)中級(jí)聯(lián)濾波的思想,并根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際進(jìn)行了改進(jìn),基本研究思路和過(guò)程如下:級(jí)聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)→原始的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架網(wǎng)絡(luò)→改進(jìn)的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。2.1濾波、隔振原理和性能原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架網(wǎng)絡(luò)是級(jí)聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)相似性,可以從級(jí)聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波原理和性能類推原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架的隔振原理和性能。隔振原理:當(dāng)混有高頻和低頻成分的力流流經(jīng)懸架網(wǎng)絡(luò)時(shí),分別被彈簧和慣容器所阻止而流向與之相并聯(lián)的阻尼,兩個(gè)阻尼分別吸收高頻和低頻振動(dòng)能量,從而使得傳遞到車身的振動(dòng)能量大大減小。因此,根據(jù)類推,原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架既阻低頻又阻高頻,其中懸架第二級(jí)阻低頻,應(yīng)具有良好的低頻隔振性能。2.2原始二級(jí)鏈?zhǔn)絪id懸臂退化2.2.1滾珠絲杠慣容器“擊穿”慣容器在車身重力的作用下易因“擊穿”而“短路”失效。圖4顯示了質(zhì)量為m的車身作用于滾珠絲杠慣容器時(shí),慣容器“擊穿”前后的狀態(tài)。由圖2中慣容器的定義式可得式中vm——車身質(zhì)量b——慣容器慣容系數(shù)設(shè)慣容器兩端點(diǎn)的初始位移和速度均為零,從0到t時(shí)間內(nèi)對(duì)式(1)積分可得式中,Lb和mg是定值,由式(2)可知,慣容器行程L2.2.2原始兩級(jí)串聯(lián)型isd懸架退化后的阻尼“擊穿”現(xiàn)象在車身重力的作用下,慣容器會(huì)發(fā)生“擊穿”現(xiàn)象,同樣,阻尼也會(huì)發(fā)生類似的“擊穿”現(xiàn)象(阻尼“擊穿”現(xiàn)象是常識(shí),不再贅述),因此,原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架第二級(jí)會(huì)因慣容器和阻尼“擊穿”而“短路”,從而喪失低頻隔振性能,導(dǎo)致原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架退化成傳統(tǒng)懸架,如圖5所示。這種退化現(xiàn)象已為文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)所證實(shí)。2.3兩級(jí)串聯(lián)型isd懸架原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架退化成傳統(tǒng)懸架后也就失去了實(shí)用性。為了使它不喪失實(shí)用性,對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),方法是在第二級(jí)中的慣容器旁并聯(lián)一個(gè)彈簧,目的是讓慣容器能夠在平衡位置附近工作,避免第二級(jí)被“擊穿”,從而發(fā)揮其隔離低頻振動(dòng)的作用。改進(jìn)后的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架以并聯(lián)的彈簧和阻尼為第一級(jí)(與傳統(tǒng)懸架相同),并聯(lián)的慣容器、彈簧和阻尼為第二級(jí),如圖3所示。增加了旁路彈簧的原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架,即改進(jìn)的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架,是否還具有低頻隔振性能,它的綜合性能是否有明顯改善,成為了研究關(guān)注的問(wèn)題,下文將結(jié)合建立的半車模型,針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入分析。如無(wú)特別說(shuō)明,下文中提到的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架均指改進(jìn)的兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架,并簡(jiǎn)稱為ISD懸架。3系統(tǒng)微分方程運(yùn)動(dòng)方程ISD懸架半車模型如圖6所示。車身質(zhì)心處的垂直運(yùn)動(dòng)方程為車身俯仰運(yùn)動(dòng)方程為非懸架質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)方程為根據(jù)第一、二級(jí)懸架作用力相等,可得當(dāng)俯仰角uf071較小時(shí),近似有線性關(guān)系式中mmuf071——車身俯仰角Izz將式(3)~(7)寫成矩陣的形式如式(8)~(11)所示顯然,M式中M=G取系統(tǒng)變量和輸出變量則系統(tǒng)微分方程的狀態(tài)空間表達(dá)式為式中4功能2:傳統(tǒng)懸架評(píng)估系統(tǒng)為分析基于半車模型的ISD懸架性能,分別采用隨機(jī)和確定性兩種路面作為輸入,以傳統(tǒng)懸架為比較對(duì)象,分析系統(tǒng)響應(yīng)情況。需要說(shuō)明的是原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架最終會(huì)退化成傳統(tǒng)懸架,因此,與傳統(tǒng)懸架比較性能,即與原始兩級(jí)串聯(lián)型ISD懸架比較性能。圖6中半車模型的相關(guān)參數(shù)見表2。4.1路面輸入模型描述對(duì)于隨機(jī)路面輸入,取積分白噪聲的時(shí)域表達(dá)式作為路面輸入模型,其輸入方程為式中w(t)——均值為零的Gauss白噪聲輸入矩陣G車輛以u(píng)=20m/s駛過(guò)不平度系數(shù)G4.2系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)特性對(duì)于確定性路面輸入,根據(jù)國(guó)標(biāo)GB5902—1986,取長(zhǎng)坡形單凸塊作為脈沖輸入,前輪的速度輸入方程為后輪的速度輸入方程為式中,A車輛以u(píng)=10m/s駛過(guò)上述長(zhǎng)坡形凸塊時(shí),系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)輸出如圖8所示。由圖8可以看出,與傳統(tǒng)懸架相比,ISD懸架的質(zhì)心垂直加速度、車身俯仰加速度、輪胎動(dòng)載荷和懸架動(dòng)行程均沒有了劇烈的、大幅度的、長(zhǎng)時(shí)間的振蕩,即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,響應(yīng)輸出超調(diào)量小,表明ISD懸架具有良好的動(dòng)態(tài)性能。4.3彈簧剛度對(duì)懸架質(zhì)心與懸架載荷的影響為了解旁路彈簧剛度對(duì)懸架性能的影響,仍然設(shè)車輛以u(píng)=20m/s駛過(guò)不平度系數(shù)G圖9的功率譜密度曲線顯示,隨著前、后旁路彈簧剛度的減小,ISD懸架的質(zhì)心垂直加速度,車身俯仰加速度,前、后輪胎動(dòng)載荷,前、后懸架動(dòng)行程低頻峰值均有所減小。這表明前、后旁路彈簧剛度愈小,ISD懸架的低頻性能愈好,與比傳統(tǒng)懸架相比也更具優(yōu)勢(shì)。5懸架的動(dòng)態(tài)性能(1)ISD懸架有效抑制了低頻垂直和俯仰振動(dòng),尤其是車身共振,改善了車輛乘坐舒適性,提高了行駛安全性。(2)ISD懸架系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,響應(yīng)輸出超調(diào)量小,具有良好的動(dòng)態(tài)性能。