全版汽車動力學-5

第五章汽車懸架系統(tǒng)動力學5.1被動式懸架參數優(yōu)化5.2主動懸架工作原理1.精品課件.5.1振動系統(tǒng)運動微分方程根據機械、汽車的等的實際結構簡化成多自由度系統(tǒng)模型后,要研究其振動問題,關鍵在于建立系統(tǒng)的運動微分方程2在選定廣義坐標后，可以引用達朗貝爾原理或牛頓第二定律，即用矢量力學的方法來求導系統(tǒng)運動方程用影響系數的概念，從研究系統(tǒng)在慣性力作用下的變形而求得系統(tǒng)的運動微分方程還可用分析力學的方法，從研究系統(tǒng)的動能與勢能入手，然后利用拉格朗日方程求出系統(tǒng)的運動微分方程.精品課件.5.1.1用牛頓定律建立系統(tǒng)微分方程（1）二自由系統(tǒng)質量在水平光滑平面上作往復直線運動3.精品課件.5.1.1用牛頓定律建立系統(tǒng)微分方程（2）采用隔離法m1,m2的任一瞬時位置只要x1,x2兩個獨立坐標就可以確定,系統(tǒng)只有兩個自由度4.精品課件.5.1.1用牛頓定律建立系統(tǒng)微分方程（3）可以看出,這是一組兩個聯(lián)立的微分方程。第一個方程中不僅有x1及其導數,也有x2及其導數,第二個方程也是如此。這種現(xiàn)象就是前面提到的“耦合”現(xiàn)象。當位移項x1與x2耦合時,稱為“彈性力耦合”(或靜力耦合)當加速度項x1與x2耦合時,稱為“慣性力耦合”(或動力耦合)。5歸并整理得.精品課件.加速度向量，用X表示速度向量，用X表示位移向量，用X表示激振力向量，F(xiàn)(t)6轉換為矩陣形式

質量矩陣，用M表示

阻尼矩陣，C

剛度矩陣，K.精品課件.5.1.1用牛頓定律建立系統(tǒng)微分方程（4）多自由度振動系統(tǒng)的微分方程就具有這種形式,如果上述各矩陣能夠直接寫出,則建立系統(tǒng)方程就方便多了。系統(tǒng)微分方程的矩陣中,如質量矩陣為對角形的,則慣性力不耦合,否則則為慣性力耦合。剛度矩陣一般為對稱形,所以為彈性力耦合。阻尼矩陣一般也為對稱形。7.精品課件.5.1.2二自由度系統(tǒng)的自由振動8系統(tǒng)阻尼為0二自由度無阻尼自由振動系統(tǒng).精品課件.(1)自由振動微分方程9.精品課件.(2)固有頻率、主振型及主振動10從單自由度系統(tǒng)振動理論得知,系統(tǒng)的無阻尼自由振動是簡諧振動。所以可設在振動時兩個質量按同樣的頻率和相位角作簡諧振動,則方程組的特解可設為振幅A1與A2.相位角、頻率p都有待于確定。分別取一、二階導數關于振幅A1與A2的線性齊次代數方程組零解，A1=A2=0，代表系統(tǒng)的平衡情況。對于A1與A2具有非零解的情況，方程組的系數行列式必須等于零.精品課件.固有頻率p1和p2只與振動系統(tǒng)本身的物理性質有關,稱為系統(tǒng)的固有頻率,也可稱為主頻率。較低的p1稱為第一階固有頻率,簡稱基頻。較高的p2稱為第二階固有頻率可見二自由度振系有二階固有頻率。理論證明,n個自由度系統(tǒng)的頻率方程是p2的n次代數方程,在無阻尼的情況下,它的n個根必定是正實根,故固有頻率的個數與系統(tǒng)的自由度數相等。11展開關于p2的一元二次方程,稱為頻率方程或特征方程,它的兩個特征根為.精品課件.主振型振幅的大小可用振動的初始條件來確定,但當系統(tǒng)按任一固有頻率振動時,振幅比卻和固有頻率一樣,只決定于系統(tǒng)本身的物理性質。在振動過程中,系統(tǒng)各點位移的相對比值都可由振幅比確定?？梢?振幅比確定了系統(tǒng)的振動形態(tài),因此,稱為主振型。主振型和固有頻率一樣,只決定于系統(tǒng)本身的物理性質,而與初始條件無關。主振型與固有頻率密切相關,系統(tǒng)有幾個固有頻率,就有幾個主振型。多自由度系統(tǒng)具有多個固有頻率和相應的主振型。與p1對應的振幅比1稱為第一階主振型；與p2對應的振幅比2稱為第二階主振型。12固有頻率p1.p2代入得到對應于p1和p2振幅A1和A2之間有兩個確定的比值。這個比值稱為振幅比，用1和2表示:.精品課件.在第二主振型中有這樣一點,它在整個振動過程的任一瞬間始終保持不動,這樣的點稱為“節(jié)點”。在二自由度系統(tǒng)的第二階主振型中存在著一個節(jié)點,而在第一階主振型中卻不存在節(jié)點。振動理論證明,多自由度系統(tǒng)主振型的階數越高,節(jié)點數越多,第i階主振型一般有i－1個節(jié)點。對于彈性體(無窮多自由度系統(tǒng))來說,節(jié)點已經不再是一個點,而是連成線或面,稱為節(jié)線和節(jié)面。13振型圖由于振動系統(tǒng)在節(jié)點處不動,因而振幅受節(jié)點的限制就不易增大。節(jié)點數越多,其相應的振幅越難增大。相反,低階的主振型由于節(jié)點數少,故振動容易激起。所以,在多自由度系統(tǒng)中低頻主振動比高頻主振動危險。.精品課件.5.2被動式懸架參數優(yōu)化1.取1/4汽車作為分析模型；2.只考慮垂直方向振動；3.不考慮非線性因素；4.認為輪胎不離開路面。14.精品課件.15系統(tǒng)在時域中的動力學方程拉氏變換KtCsS+k2+－+－+－+－.精品課件.車身位移與路面激勵之間的傳遞函數16.精品課件.車身位移與車身干擾力的傳遞函數17.精品課件.隨機路面輸入下懸架參數的優(yōu)化18不考慮車身上干擾力的影響,即Fb(S)=0.精品課件.車身垂直加速度的均方根值19隨機路面輸入可用功率譜表示為式中R——路面不平系數v——車速車身垂直加速度的均方根值式中相對阻尼系數Ψ=ε/ω0.精品課件.懸架參數對車身垂直加速度均方根值的影響20fs較大（彈簧較軟）時,Ψmin可選得小一些；ft較大（輪胎較軟）時,Ψmin可選得大一些.精品課件.懸架動撓度和車輪動載21懸架動撓度（x2-x1）使用條件一定時,彈簧行程將隨阻尼的增大而單調地減小車輪動載Fd=Kt(x1-x0)與地面靜載Gc=(M+m)g此式表明當A,v一定時,使車輪動載最小有一最佳阻尼值車輪動載最小的阻尼比為.精品課件.選取被動懸架汽車的最佳Ψ值時要考慮以下兩點以平順性為主則Ψ要接近Ψx2min以安全性為主則Ψ要接近于ΨFmin被動懸架的參數優(yōu)化問題,由于其剛度和阻尼不能隨頻率而調節(jié),因而即使采用優(yōu)化方法來設計也只能把其性能改善到一定的程度。為了克服常規(guī)懸架對其性能改善的限制,性能更加優(yōu)越的主動懸架和半主動懸架便應運而生22.精品課件.5.3主動懸架工作原理主動式懸架也可稱為“可調懸架”，主要通過各種反饋信息實現(xiàn)懸架剛度和阻尼值的可調，以保證汽車行駛時的舒適性和安全性都很好。主動式懸架主要由三部分

組成:能源反饋控制系統(tǒng)（微機、傳感

器、信號處理器等）執(zhí)行機構（力發(fā)生器）23.精品課件.主動懸架的數學模型僅進行垂直振動分析時常采用1／4整車所簡化的模型。該模型與一般被動式傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)不同之處在于:彈性元件和減振器被執(zhí)行機構代替，執(zhí)行機構一方面和動力源相連以獲得能量(又稱有源懸架)，另一

方面又和反饋控制系統(tǒng)相連，反饋系

統(tǒng)從本身振動參數中獲得信息，經過

反饋系統(tǒng)中控制單元的計算機處理，

然后發(fā)出指令給執(zhí)行機構，就能調節(jié)

給車身和車軸的力f2以保證所需的舒

適性和安全性。如需要控制垂直振動和前后起伏振動

要用1/2整車模型分析，而研究包括垂

直、俯仰和側傾響應的控制，則需用整車模型。24.精品課件.主動懸架與被動懸架的比較主動式懸架能供給能量和調節(jié)能量，而被動式懸架只能靠變形貯存和釋放能量。因為這個特點，主動式懸架又被稱為“有源懸架”主動式懸架能產生許多變量函數的力，從而適應外部廣泛的干擾。主動式懸架的優(yōu)點就在于:①固有頻率可以較低，而且不隨裁荷而變，從而保證良好的舒適性；②懸架的動態(tài)變形?。虎蹖θ魏屋斎氲捻憫己芸?。其缺點就在于結構復雜，成本昂貴，但隨著汽車技術的發(fā)展，這些問題必然會得到解決。25.精品課件.主動懸架的分類慢主動懸架通常作動器與一個彈簧串聯(lián)（如液氣彈簧）,再與一個減振器并聯(lián)此系統(tǒng)在5~6Hz以下可實現(xiàn)有限帶寬主動控制,高于此頻率則控制閥不再起響應,恢復為被動懸架,因為被動懸架在高