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车辆悬架系统性能综合评价方法研究

张磊;张进秋;罗涛;毕占东;姚军

【摘要】针对现有悬架性能评价方法仅考虑以乘坐舒适性和操纵稳定性为指标的

车辆减振性能,未计及能耗性能的不足,提出了一种计及能耗性能的悬架系统性能综

合评价指标.以4种不同种类的悬架为对象进行了综合评价的对比分析,验证了该评

价方法的有效性.

【期刊名称】《汽车工程》

【年(卷),期】2016(038)012

【总页数】6页(P1494-1499)

【关键词】悬架;减振性能;能耗;评价指标

【作者】张磊;张进秋;罗涛;毕占东;姚军

【作者单位】陆军沈阳军代局驻长春地区军代室,长春130033;装甲兵工程学院装

备试用与培训大队,北京100072;装甲兵工程学院科研部,北京100072;装甲兵工程

学院装备试用与培训大队,北京100072;装甲兵工程学院装备试用与培训大队,北京

100072

【正文语种】中文

悬架是车辆行动系统不可或缺的组成部分，它弹性地连接车体和车轮，缓和并衰减

由于路面不平度传递至车辆的振动，其性能优劣直接影响车辆的乘坐舒适性、操纵

稳定性和行驶安全性[1-2]。

悬架系统性能评价是悬架设计和性能分析的重要依据。传统的悬架性能评价主要考

虑悬架特性对车辆减振性能的影响，而忽略了对能耗的分析。研究表明：车辆行驶

时悬架系统的能耗是不可忽略的[3-6]，即悬架系统的减振要以消耗一定的能量为

代价。悬架系统的能耗归根结底来源于发动机，能耗过大将直接影响车辆的燃油经

济性。近年来，出于降低悬架系统能耗的考虑，一种基于车辆振动能量回收的馈能

悬架技术应运而生[7-8]。因此，悬架有必要将悬架系统能耗一并纳入到评价指标

体系综合进行分析。

本文中基于双质量2自由度悬架系统模型，提出了一种综合考虑悬架减振性能和

能耗特性的综合性能评价指标和方法，并以算例分析的形式对该评价方法的有效性

进行验证，提高了悬架系能评价的科学性。

车辆悬架控制算法设计和分析时，常采用双质量2自由度模型。该模型相对简单，

且能够基本真实地反映出车辆垂直振动方向的全部动力学特性[1]。

忽略悬架系统的非线性，假设车辆左右对称且前后质量分配系数为1，对于采用独

立悬架的车辆可建立双质量2自由度可控悬架系统动力学模型，如图1所示。假

设坐标原点选在各自平衡位置，该悬架系统的力学方程为

式中:ms和mt分别为车体和车轮的等效质量；ks和kt分别为悬架系统弹簧和车

轮的等效刚度；cs为悬架阻尼系数；xs，xt和xr分别为车体、车轮的垂直位移和

路面不平度激励；F为悬架系统的控制力，当F=0时，该悬架模型退化为被动悬

架。

2.1减振性能评价

传统的悬架系统性能评价，通常是以悬架动行程为约束，着重分析悬架性能对乘坐

舒适性和操纵稳定性等减振性能的影响，主要评价指标有车体加速度加权均方根值

和车轮动变形(动载荷)均方根值。文献[9]中以标准被动悬架为参照，定义了乘坐舒

适性和操纵稳定性函数对悬架系统性能进行评价。该方法排除了路面激励的影响，

且考虑了车体加速度和悬架动行程的频域差别，比传统的减振性能评价方法更有效。

乘坐舒适性评价函数定义为

与车体加速度类似，车轮动变形对车辆操纵稳定性的影响也具有一定频率差别，即

路面输入频率越低，对操纵稳定性的影响越大。因此，操纵稳定性评价函数的定义

为

式中tdef～xr(f)和(f)分别为可控悬架和标准被动悬架的车轮动变形传递函数；

wd(f)为车轮动变形的加权函数，取值为wd(f)=1/f。

2.2能耗特性分析

2.2.1悬架系统功率流分析

将悬架系统分为2类进行讨论，即常规悬架(不具有能量回收功能)和馈能悬架。图

2为悬架系统功率流分析原理框图。车辆行驶时，2类悬架阻尼器一直做负功，消

耗振动能量并以热能形式耗散；常规悬架作动器做正功时耗能，做负功时不耗能；

馈能悬架的作动器能量流动方向取决其工作状态，做正功时为耗能装置，做负功时

可进行能量回收。

为便于理论分析，本文中在进行馈能悬架能耗分析时，不计馈能悬架作动器作功时

的功率损失，且假设能量回收效率为100%，即所做负功可全部回收。下文算例分

析时无特殊说明均基于上述假设。

2.2.2能耗评价方法

(1)功率流计算

振动功率流理论是功率守恒原理在振动领域的扩展，常用平均功率的概念表示系统

的功率流[10-11]。通常将输入外力u(t)写成简谐形式，即u=|u|ejωt，则对应速

度v=|v|ej(ωt+φ)，而系统功率流的频域表达