汽车悬架系统性能评价与故障诊断.pdf

论文分类号 U 4 7 2.9 单 位 代 码 1 0 1 8 3 密 级 公 开 研 究 生 学 号 2 0 0 6 4 4 2 0 9 3 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 汽车悬架系统性能评价与故障诊断 Automobile Suspension Systems Performance Evaluation And Fault Diagnoses 作者姓名：卢凤英 专 业：载运工具运用工程 导师姓名 及 职 称：刘玉梅 教 授 学位类别：工学硕士 论文起止时间：2 0 0 7 年 4 月至 2 0 0 8 年 4 月 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿声明 研究生院：本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 投稿，希望 中国优秀博硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博硕士学位论文评价数据库和 C N K I系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：硕士 博士 学科专业：载运工具运用工程 论文题目：汽车悬架系统性能评价与故障诊断 作者签名：指导教师签名：年 月 日 作者联系地址（邮编）：吉林省长春市人民大街 5 9 8 8号吉林大学南岭校区交通学院载运工具运用工程系（1 3 0 0 2 2）作者联系电话：0 4 3 1-8 5 0 9 5 5 0 6 作者姓名 卢凤英 论文分类号 U 4 7 2.9 保密级别 公 开 研究生学号 2 0 0 6 4 4 2 0 9 3 学位类别 工学硕士 授予学位单位 吉 林 大 学 专业名称 载运工具运用工程 培养单位（院、所、中心）交通学院 研究方向 汽 车 智 能 检 测 与 诊 断 学习时间 2 0 0 6 年 9 月 至 2 0 0 8 年 6 月 论文中文 题目 汽车悬架系统性能评价与故障诊断 论文英文 题目 A u t o m o b i l e S u s p e n s i o n S y s t e m s P e r f o r m a n c e E v a l u a t i o n A n d F a u l t D i a g n o s e s 关键词(3-8 个)悬架性能 评价参数 S i m u l i n k 仿真 故障诊断 姓 名 刘玉梅 职 称 教 授 导师情况 学历学位 博士 工作单位 吉林大学交通学院 论文提交日期 2 0 0 8-5-2 0 答辩日期 2 0 0 8-5-1 8 是否基金资助项目 否 基金类别及编号 如已经出版，请填写以下内容 出版地（城市名、省名）出版者（机构）名称 出版日期 出版者地址（包括邮编）提 要 汽车悬架系统是汽车的一个重要组成部分，其技术状况的好坏对汽车的操纵稳定性、安全性、平顺性、通过性都有影响。因此，本文研究了汽车悬架性能的评价方法，提出了新的性能评价参数，并研究了悬架系统的故障诊断方法，建立了故障诊断系统。该诊断系统，能够为汽车悬架系统参数优化设计和在用车量悬架性能的检测、诊断与维修提供有效参考。论文采用车身加速度、车轮相对动载荷、悬架动挠度等参数作为悬架性能的评价参数，完善了现有汽车悬架系统的评价方法，实现了对悬架系统全面、有效的评价。通过对汽车的振动分析，建立起1/4汽车两自由度振动模型，运用Matlab软件仿真了减震器阻尼系数、轮胎气压、悬架刚度等结构参数对悬架性能的影响，在Simulink环境下进行被动悬架振动响应量的仿真分析，通过曲线对比分析，对悬架系统常见故障进行了诊断，建立了悬架系统的故障诊断系统。因此，利用多参数对悬架性能进行评价，能够更好地评定汽车悬架性能；用振动响应量对悬架故障进行诊断，能够准确地确定汽车悬架故障所在，确保悬架具有良好的使用性能、高的可靠性。关键词：悬架性能 评价参数 Simulink 仿真 故障诊断 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 课题研究的意义.1 1.2 相关领域的研究现状.1 1.2.1 汽车悬架系统性能检测的研究现状.1 1.2.2 汽车悬架系统故障诊断的研究现状.3 1.3 论文主要研究内容.4 第二章 汽车悬架系统性能评价理论基础.5 2.1 汽车悬架系统的组成及分类.5 2.1.1 汽车悬架系统的组成.5 2.1.2 汽车悬架系统的分类.5 2.2 汽车悬架性能的评价方法研究.7 2.2.1 汽车悬架性能评价方法研究现状.7 2.2.2 汽车悬架性能评价参数的选择.10 第三章 汽车悬架系统的性能评价.15 3.1 汽车悬架系统建模.15 3.1.1 汽车振动系统的简化.15 3.1.2 1/4 汽车悬架系统振动模型.17 3.2 汽车悬架性能频域分析.21 3.2.1 1/4 汽车悬架性能幅频特性研究.21 3.2.2 1/4 汽车悬架振动系统仿真模型.24 3.3 仿真模型的验证.28 3.4 评价参数对悬架性能变化的响应.29 3.4.1 车身加速度对悬架性能变化的响应.30 3.4.2 车轮相对动载荷对悬架性能变化的响应.33 3.4.3 悬架动挠度对悬架性能变化的响应.36 3.5 悬架性能的评价.38 第四章 汽车悬架系统故障诊断.43 4.1 故障诊断理论基础.43 4.1.1 汽车故障分类.43 4.1.2 汽车故障诊断基础.43 4.2 悬架系统故障诊断参数选择.44 4.2.1 影响悬架性能的结构参数分析.45 4.2.2 故障诊断参数的选择.46 吉林大学硕士学位论文 II 4.3 悬架系统故障仿真.46 4.3.1 单因素影响的故障仿真.47 4.3.2 双因素影响的故障仿真.53 4.3.3 多因素影响的故障仿真.56 4.4 悬架系统故障诊断.58 4.4.1 悬架系统故障诊断标准.59 4.4.2 悬架系统的故障诊断.59 4.4.3 例证说明.63 第五章 实车试验设计及数据处理.67 5.1 悬架性能试验检测装置介绍.67 5.2 车辆悬架状态参数的确定.68 5.2.1 车轮质量（非悬挂质量）.68 5.2.2 车身质量（悬挂质量）.69 5.2.3 悬架刚度.70 5.2.4 轮胎刚度.71 5.2.5 减振器阻尼.72 5.3 悬架系统性能实车验证试验.73 5.3.1 实验中的信号提取.74 5.3.2 实验中信号的处理.75 第六章 总结.81 6.1 全文总结.81 6.2 工作展望.82 参考文献.83 附 录 Matlab 程序文件.I 摘 要.V ABSTRACT.VII 致 谢.IX 第一章 绪 论 1.1 课题研究的意义 汽车已被人们推崇为现代生活的首选交通工具。随着道路交通条件的不断完善，现代汽车行驶速度不断提高，对车辆的技术状况就有了更高的要求。悬架是保证汽车具有良好行驶平顺性、操纵稳定性、舒适性和行驶安全性的重要机构。悬架技术状况的好坏直接影响汽车的使用性能。因此，有必要对悬架的性能进行全面的检测并做出正确的评价。目前，现有的标准（交通部发布的J T/T 4 9 7 2 0 0 4 乘用车悬架特性的评定指标和检测方法）虽然给出了悬架性能的评定指标和检测方法，但其评定指标单一，不能全面反映悬架使用性能，因此有必要提出新的评价参数，并对悬架系统的性能做出全面的评价。其次，作为车辆重要总成的悬架系统，目前还没有系统的故障诊断系统，如果能够运用有效的方法对检测结果进行定性、定量分析确定出悬架的技术状况，或查明故障发生的部位、原因，建立起悬架故障诊断系统，不仅可以实现对悬架系统的快速、高效检测与诊断；而且能够为后续的维修工作提供准确、丰富的悬架技术状况信息；还能为今后悬架的设计、改造提供相应的指导。因此，如何快速、可靠的检测出汽车悬架系统存在的故障或隐患，并对悬架性能做出全面、客观的评价，是保证悬架系统具有良好工作性能的重要手段。1.2 相关领域的研究现状 1.2.1 汽车悬架系统性能检测的研究现状 汽车悬架性能试验按试验方法可分为三类：第一类是整车室外道路试验，第二类是整车试验场试验，第三类是整车室内振动模拟台架试验12。其中最吉林大学硕士学位论文 2 常用的是整车室内振动模拟台架试验。目前，国内外对悬架性能的检测都是在室内的检测设备上进行的，主要是谐振式和平板式这两种悬架性能检测台，这些设备的技术在国外已经比较成熟。在国内，国家标准推荐使用谐振式悬架检测台和平板检测台进行检验，其中前者以共振法激励，后者以制动法激励3。共振法是目前应用较多的一种形式，通过垂直方向的激振，迫使汽车悬架装置产生强迫振动，使汽车发生共振现象，通过检测在共振后的振动衰减过程中力或位移的振动曲线，求出频率和衰减特性，进而判断悬架减振器的性能4。谐振式检验台是通过激振器驱动汽车上下振动，然后断开电机电源，储能飞轮产生扫频激振。由于电机的频率比车轮固有频率高，飞轮逐渐减速的扫频激振过程总可以扫到车轮固有频率处，从而使台面汽车系统产生共振，根据共振时汽车振动频率和振幅来判断悬挂装置工作性能。这种方法的优点在于检验台性能稳定，数据可靠性好，并且结构简单，操作也比较方便，得到了广泛应用。但也存在下列问题：1、检测台检测参数单一，对悬架装置不能进行深入的性能分析与故障诊断，无法全面反映悬架装置的技术状况。2、利用谐振法对汽车悬架性能的评价标准不尽合理。汽车悬架装置对其安全性、平顺性、操纵稳定性等很多性能都有影响，单独用 EUSAMA 比值不能全面反映悬架装置的性能优劣，这是因为车辆安全性一般要求减振器有较大的阻尼，而平顺性要求有较小的阻尼，所以评价悬架性能应根据车型、载荷等条件，建立科学的评价方法和标准。3、无法实现对汽车悬架装置的故障诊断，不利于汽车修理厂用于指导维修。针对国内外检测设备均存在以上问题，前人也在结构等相关方面进行过一些改进研究，并取得了良好成果。对接下来要进行的研究，最明显的不足是检测参数过于单一，对悬架系统不能进行全面的性能分析与故障诊断，无法全面反映悬架装置的技术状况，检测结果不利于汽车修理厂用于指导维修。第一章 绪论 3 1.2.2 汽车悬架系统故障诊断的研究现状 汽车故障诊断技术是随着汽车的发展从无到有逐渐发展起来的一门应用技术。国外一些发达国家，在进入20世纪60年代后，检测设备应用技术获得了较大发展，出现了汽车检测站。70年代出现了检测控制自动化、数据采集自动化、数据处理自动化、检测结果自动存储并打印的现代综合检测技术，并于80年代将此技术推广使用5。近二十年来实现了诊断功能的综合化、诊断专家系统和诊断技术软件的集成化和智能化6。汽车故障诊断的一个发展研究方向就是新技术的不断运用。汽车在运行中的信息多特征性、非线形、模糊性和强的含噪性，出现故障时这些特征表现得尤为突出。现代非线形工具在对信号提纯去噪、识别、信息融合等方面具有良好的表现。具体应用有以下几个方面：人工神经网络、小波分析方法、模糊数学方法789等。目前将机械系统振动噪声检测分析方法用于汽车的研究还较少，多数还集中在发动机缸盖、气缸活塞组、汽车变速箱等的振声诊断研究中，且是单项静态检测。而在汽车悬架系统方面的应用还尚未成熟。因此有必要对汽车振动机理进行研究，揭示悬架中振动产生与传播机理，确定表面振动信号与悬架内各振动源的内在联系。另外，若能将基于工程数学的机械振声检测与车载检测设备结合起来，在车辆运行中做到动态即时检测与诊断，那么对于汽车故障的早期识别分类，进而提高汽车使用寿命是大有裨益的。现代汽车故障诊断技术集现代诊断理论与先进诊断技术为一体，以多功能、电子化、集成化、智能化的诊断设备为手段，以信息技术为依托，成为现代汽车可靠性实现的技术保障。与此相比，国内目前的汽车故障诊断技术尚有一定差距。除了应从硬件、软件努力赶超国外先进技术外，还应该展开新理论方法的研究，增加振动等信息获取及其故障特征等方面的研究10。吉林大学硕士学位论文 4 1.3 论文主要研究内容 通过1.2节分析，本文的主要研究目的是完善现有汽车悬架系统评价方法，建立悬架系统的综合评价系统，以实现对悬架系统的全面、有效的评价；并且利用Matlab仿真软件，在Simulink环境下对简化的汽车悬架振动模型进行故障模拟仿真，通过模拟仿真和试验验证，判断出特定条件下故障的发生部位、查明故障原因，建立悬架故障诊断系统。本论文主要研究内容有：1）分析悬架性能对汽车操纵稳定性、行驶平顺性及其他使用性能的影响，并对汽车悬架性能的评价方法进行系统、深入的分析，采用多参数综合评定法，对悬架系统的性能进行综合评价。2）对汽车振动系统进行必要的简化，建立1/4汽车悬架振动模型，并验证该仿真模型的正确性；在此模型的基础上，通过对悬架性能的理论分析，文章选用车身加速度、车轮相对动载荷、悬架动挠度等作为悬架性能的评价参数；完成了车身加速度、车轮相对动载荷、悬架动挠度等振动响应量的幅频特性分析，对悬架性能做出全面、客观的评价；3）分析汽车悬架故障诊断方法，利用汽车振动模型，对悬架系统进行故障仿真，改变结构参数（如悬架刚度、减振器阻尼系数、轮胎刚度），分析悬架振动响应量的变化情况，通过统计及相关分析，建立故障诊断系统，实现对悬架系统常见故障的综合诊断。第二章 汽车悬架系统性能评价理论基础 2.1 汽车悬架系统的组成及分类 2.1.1 汽车悬架系统的组成 汽车悬架系统是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架（或承载式车声）上，同时，将作用于车架上的载荷传递给车轮，以保证汽车的正常行驶11。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构（纵、横向推力杆）三部分组成，有些还加有横向稳定器。（图 2.1）。图 2.1 汽车悬架系统的组成 2.1.2 汽车悬架系统的分类 现代汽车悬架的发展十分迅速，不断出现崭新的悬架装置。按照不同的分类标准有不同的表达形式。按导向机构的不同可分为：非独立悬架和独立悬架。吉林大学硕士学位论文 6 按控制形式的不同可分为：被动悬架、半主动悬架和主动悬架。非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架（或车身）连接。当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆动。非独立悬架因其结构简单，工作可靠，被广泛应用于货车的前、后悬架。在少数轿车中，非独立悬架仅用做后悬架11 独立悬架的车桥都做成断开的，每一侧的车轮单独地通过弹性悬架与车架（或车身）连接。当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮。这样使得发动机可以放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有较大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹性元件使平顺性得到改善。以上的优点使独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮普遍采用了独立悬架11。被动悬架无外部能量输入，弹簧刚度和减振器阻尼系数不可调，一般是通过经验设计或优化设计方法来选择，在汽车行驶过程中无法随外部路面状况而改变，设计时只能保证在一种特定路面和车速下达到性能最优。被动悬架主要有纵臂式、横臂式和车轮沿主销移动式独立悬架等。由于参数不能任意选择和调节，限制了被动悬架系统性能的进一步提高12。半主动悬架是不考虑改变悬架刚度，而只考虑改变悬架阻尼的悬架系统。虽然它不能随外界的路面输入进行最优的控制和调节，但它可按存储在计算机中的在各种条件下最优减振器的优化参数指令来调节减振器的阻尼状态，从而改变汽车悬架系统的减振性能12。主动悬架是在悬架系统中附加一个可控制作用力装置，通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳的减振状态。因此，主动悬架系统能使汽车在各种行驶条件下的乘坐平顺性和行驶安全性同时得到改善11。本论文将针对被动悬架进行性能分析和故障诊断方面的研究。第二章 汽车悬架系统性能评价理论基础 7 2.2 汽车悬架性能的评价方法研究 2.2.1 汽车悬架性能评价方法研究现状 汽车悬架性能与很多因素有关，不能简单地根据使用时间的长短和行驶里程来判断其损坏程度。应该建立一套检测标准。成立于 1971 年的欧洲减振器制造商协会（THE EUROPEAN SHOCK ABSORBER MANUFACTURERS 简称 EUSAMA）的标准是世界上最具代表性的标准。此标准规定了一个非常有用的车辆安全检测度量标准相对接地性。相对接地性定义为汽车在悬架检测台上振动衰减过程中的最小车轮作用力与汽车在检测台上静态时的载荷之比13。我国在此基础上也建立了适合自己国情的检测标准，交通部 2001 年颁布的检测标准 JT/T4482001汽车悬架装置检测台提出了吸收率的概念，即共振时车轮作用于检测台的最小动态车轮垂直接地力与静态车轮垂直接地力之比的百分数。该评价指标与欧洲施行的相对接地性概念完全相同，如图 2.2 和 2.3 所示。其计算公式为：图 2.2 为理想情况下汽车振动衰减曲线：100共振时最小动态车轮垂直接地力吸收率静态时车轮垂直接地力载荷 最大接地力 静态载荷 最小接地力 图 2.2 理想振动衰减曲线 吉林大学硕士学位论文 8 图 2.3 为实际汽车振动衰减曲线：图 2.3 实际振动衰减曲线 将实际得到的振动衰减信号加以处理，识别出在给定的频率范围内每个车轮与悬架检测仪台面之间的最小法向量接地力，即可计算得到吸收率。吸收率评价指标是一个百分数，从 0 变化到 100，它反映了悬架在最恶劣条件下保证与路面接触的最小能力。其值越大，说明行驶附着情况越好，从而行车安全性越好。当吸收率为 0 时，表明车轮与路面脱离接触；当吸收率为100时，表示汽车处于静止状态，这时车轮的接地性最好14。同前所述，在整个频段内发生了两次共振：一次是低频共振，此时是车身和试验台面发生了共振；一次是高频共振，此时是车轮与试验台面发生的共振，如图 2.4 所示。图 2.4 相对接地性 第二章 汽车悬架系统性能评价理论基础 9 表 2-1 列出了车轮共振时的相对接地性指数，该表中数据是在悬架检测仪的振幅为 3mm 时测量的，这也是大部分检测仪采用的激振振幅。目前我国也采用此标准，并推荐使用简谐式悬架性能试验台，对最大设计车速大于或等于100km/h、轴载质量小于或等于 1500kg 的载客汽车，按规定进行悬架特性检测。表 2.1 EUSAMA 车轮接地性指数评价指标 相对接地性指数 车轮接地状态 60100 非常好 4560 好 3045 欠好 2030 不足 120 危险 0 车轮与路面分开 标准中规定，汽车悬架系统吸收率不得小于 40%，同轴左右吸收率之差不得大于 15%。它反映的是汽车具有的最小路面附着性，也反映了悬架的性能，通常采用汽车悬架性能检测台测得。谐振式悬架装置试验台通过电机、偏心轮、储能飞轮、弹簧组成的激振器，迫使汽车悬架装置产生振动，并由储能飞轮产生扫频激振，由于扫频激振的频率比车轮固有频率高，因此，飞轮逐渐减速的扫频激振过程总可以扫到车轮固有频率处，从而使台面上汽车系统产生共振。测量此时振动频率振幅输出振动波曲线，以系统地处理评价汽车悬架系统性能。目前，现有的评价参数只能反映汽车在共振时车轮的接地状态，不能反映悬架装置在整个振动频段内的性能。为了尽可能地全面评价汽车的悬架系统，本论文将选用车身加速度、车轮相对动载荷和悬架动挠度作为新的悬架性能评价参数。吉林大学硕士学位论文 10 2.2.2 汽车悬架性能评价参数的选择 目前，汽车悬架性能检测台的评价参数单一，只能反映汽车在共振时车轮的接地状态，不能反映悬架装置在整个振动频段内的性能。因此，本文选用车身加速度、车轮相对动载荷、悬架动挠度作为悬架性能评价参数1516，以综合评价汽车悬架的性能。1、车身加速度 车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标，它通过座椅传递到人体，人体对此振动的反映是评价乘坐舒适性的主要标准，且车身加速度是个可以直接获取的实时状态量，可以用来评价悬架性能的好坏。在强迫振动下，激励频率接近车身固有频率时，主要产生车身质量的振动，此时，车身质量的振动就可以用车身加速度来量化其振动的剧烈程度。由本论文所建立起的加速度幅频特性公式：2122214()xqH ww+=&（21）其中：0ww=是频率比，202kwm=为车身固有频率；2222ck m=是阻尼比；12kk=是轮胎和悬架的刚度比；21mm=是车身和车轮的质量比；22222221(1)(1)14(1)=+。可以看出:频率比、阻尼比、轮胎与悬架刚度比，以及车身和车轮的质量比，这些影响悬架系统性能的参数发生改变都将引起车身加速度产生变化，因第二章 汽车悬架系统性能评价理论基础 11 此车身加速度能够很好地反映悬架系统的性能。如式中阻尼比减小，而车身固有频率f和轮胎与悬架的刚度比变大时，都将引起车身速度的增大，车身加速度的增大说明车身部分振动比较剧烈，这正是由于悬架系统没能很好的衰减不平路面带来的冲击，才导致了车身振动加剧；反之如果悬架系统性能下降，反映到车身上时，车身加速度一定增大，车身振动剧烈。因此，车身加速度是表征悬架系统性能好坏的重要指标，可以用其来评价悬架系统的性能。在测定汽车车身加速度的频率特性试验时，可以记录表征振动过程的各种数值，如位移、速度、加速度。对于线性系统来说，位移频率特性曲线，速度频率特性曲线，加速度频率特性曲线可以看作是相同的信息，因为其中任一个参数都容易转化为其他特性参数，但是对于悬架这种复杂的非线性振动系统来说，它们之间的转换常常是极为困难的。目前，人们广泛利用记录振动位移或加速度的方法来测定车身加速度的频率特性曲线，而直接记录振动速度的方法很少应用，因为利用现有的传感器记录振动绝对速度存在一定的困难。同样，记录振动过程中绝对位移不大方便，因为记录绝对位移要有固定的读数基准，在测量某些特征点的振动时，实现这一基准，特别是座位上的基准是比较困难的。试验过程中传感器的零点漂移也会带来困难，这种漂移不论是在静态时或在振动过程中都可能产生。因此，在根据簧载质量及非簧载质量的振动情况来测定车身加速度的频率特性曲线时，以记录加速度最为适宜17。在实验过程中，车身加速度的获取可以直接用加速度传感器测得，正常进行悬架性能测试试验时，总是某一轴的两侧车轮同时停放在检测台板上进行检测，因此加速度传感器不能直接放在整车的质量中心，应布置在被测一轴所承受质量的质心。为减小误差、利于传感器的加固，且考虑到车身加速度最终要反映的是乘客的乘坐舒适性，因此不论哪一轴在检测台上时，就将加速度传感器固定在该轴上面的座椅上，左右各放置一个。加速度传感器在车身上的布置情况可以由下图说明。吉林大学硕士学位论文 12 图 2.5 测车身加速度时加速度传感器的布置 2、车轮相对动载荷 车轮与路面间的相对动载荷标示着影响车轮与路面间的附着状况，由此可反映汽车的操纵稳定性与行驶安全性。当车轮与路面之间的相对动载荷接近零时，车轮则脱离路面，失去纵向和横向的附着力，使汽车丧失可操纵性和安全性。车轮相对动载荷反映的是车轮的实时接地情况，用车轮每一时刻作用在试验台上的接触载荷和静态载荷的比值表示,即车轮动载荷为11()dFk xq=，车轮静载荷为121()(1)Gmmgm g=+=+,则车轮相对动载荷为：111()(1)dFk xqGm g=+（2-2）车轮相对动载荷的幅频特性公式为：122222/(1)41()dFG qwH wg+=&（2-3）从两式可以看出：频率比、阻尼比、轮胎与悬架刚度比，以及车身和车轮的质量比，这些影响悬架系统性能的参数发生改变都将引起车轮相对动载荷产生变化，尤其是刚度比的影响更为明显。随着车辆行驶里程的增加，其使用性能逐渐由好变坏，悬架性能也发生变化，从公式（2-2）可以看出，若悬架系统中悬架刚度1k 减小，则车轮相对动载荷也随之降低，这会直接影响到车第二章 汽车悬架系统性能评价理论基础 13 轮的接地情况，汽车的操纵稳定性和行驶安全性进而受到影响，所以采用车轮相对动载荷评价悬架性能，能够反映汽车悬架系统在车轮刚度方面性能的变化情况。车轮相动载荷的测量可以直接由检测台下的力传感器测得，当车静止在检测台上时，检测台下力传感器测得的是车轮静载荷，而当启动试验台后车-台系统共同振动时，力传感器测得的是瞬时车轮动载荷。由公式（2-2），车轮相对动载荷就等于车轮动载荷与静载荷的比值。将力传感器获取的信号经放大、A/D转换后传输到计算机进行处理即可得到实测的车轮相对动载荷。3、悬架动挠度 悬架的动挠度是指悬挂质量与非悬挂质量之间的相对位移量21dfxx=，悬架动挠度df 的幅频特性为：1221()dfqH ww=&（2-4）从式中看出影响悬架性能的那些参数变化时，悬架动挠度的幅频特性相应发生变化。如车轮与悬架刚度比增大时，悬架动挠度相应增大。而悬架动挠度影响汽车的重心高度及悬架结构尺寸，因此悬架动挠度只能在给定的尺寸内变化（由限位行程块决定）。当悬架动挠度超出限位行程时就会撞击限位块，且过大的冲击将会导致悬架参数的改变，使汽车平顺性变坏，所以要求悬架动挠度时时在限位行程内。因此悬架动挠度能够反映悬架系统的性能。汽车悬架动挠度的频率特性曲线可以通过记录车身与车轮的相对位移得到，也可以由加速度积分计算得到。实际进行悬架性能检测时，采用测位移的方法获取悬架动挠度，这就需要在悬架系统特定部位加位移传感器。由于悬架动挠度就是车身与车轮之间的相对位移，因此可直接在被测悬架的旁边安装一非接触激光位移传感器，该位移传感器是利用三角反射原理非接触测量位移，测量时由激光二极管发射的光束投射到被测量体表面上，漫反射回来的光通过透镜聚焦折射到极灵敏的光学线性检波器上，就测得了所需位移量18。实测时将激光位移传感器吸附在车身上（接近减振器和弹性元件在车身一端的连接吉林大学硕士学位论文 14 处），使光束能够正好投射在其正下方的半轴（近似车轮中心）上，并能够接收到自己发出的反射光线。如图2.6所示。图 2.6 测悬架动挠度位移传感器的布置 由于各轴上有左右两套悬架装置，因此需在各自悬架旁安装一个位移传感器，以测得该悬架的动挠度，这样可以对每个悬架分别进行评价或故障诊断。第三章 汽车悬架系统的性能评价 对汽车悬架系统性能的评价，通常从频域和时域两方面进行研究。本论文主要从频域的角度进行评价。通过对车台振动系统的微分方程进行拉普拉斯变换和复数计算，得到悬架系统的各评价参数对激励的频率响应函数和幅频特性。利用Matlab软件进行仿真并作出幅频特性曲线图，分析、对比所得幅频特性曲线图，从而对汽车的悬架系统做出全面评价。3.1 汽车悬架系统建模 3.1.1 汽车振动系统的简化 汽车是一个复杂的多自由度非线性系统，为便于分析悬架系统动力学特性，需要对其进行简化，否则解释系统性能的变化就非常困难。目前常用的悬架系统动力学模型有单自由度模型、两自由度模型、半车模型和整车模型。图 3.1 双轴汽车七自由度振动模型 悬架振动系统整车模型如图3.1所示，图3.1是把一个汽车的车身质量看作是刚体的立体模型。汽车的簧载（车身）质量为2m，它由车身、车架及其上m1f m1f m1r m1r y(I)x(I)y(I)m2 z2 z1f z2f z1r z2r x y y xx(I)吉林大学硕士学位论文 16 的零部件总成所构成，通过减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连接。车轮、车轴构成的非簧载（车轮）质量为1m,车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支撑在不平的路面上。这样它们就构成了一个复杂的振动系统。在讨论行驶平顺性时，这一立体模型的车身质量主要考虑垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量有4个垂直自由度，共7个自由度1931。当汽车对称于其纵轴线且左、右车辙的不平度函数)()(IyIx=时，汽车只有垂直振动和俯仰振动，这两个自由度的振动对平顺性的影响最大。因此，双轴汽车复杂振动系统简化为图3.2所示的4个自由度的平面模型。在这个模型中，因轮胎的阻尼较小而可以忽略，同时把质量为2m，转动惯量为yI的车身按动力学等效的条件分解为前、后轴及质心C上的三个集中质量fm2、rm2及cm2。这三个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述三个条件决定：1、总质量保持不变 2222frcmmmm+=（3-1）2、质心位置不变 220frm am b=（3-2）3、转动惯量的值保持不变 222222yyfrImm am b=+（3-3）式中，y为绕横轴y的回转半径；a、b为车身质量部分的质心到前轴、后轴的距离。图 3.2 双轴汽车四自由度振动模型 由（3-1）、（3-2）、（3-3）三个式子得出三个集中质量的值分别为：m2f m2r a b L z C m1f m1r yI 第三章 汽车悬架系统的性能评价 17 222222222(1)yfyrycmmaLmmbLmmab=（3-4）其中，L为轴距。通常，令2yab=，并称为簧载质量分配系数。依据汽车理论的结论，当簧载质量分配系数1=时，联系质量02=cm。据统计，大部分汽车的0.81.2=，即接近1。在1=的情况下，前、后轴上方车身部分集中质量fm2、rm2的垂直方向运动是相互独立的，即在这种情况下，当前轮遇到路面不平而引起振动时，质量fm2运动，而质量rm2不运动，反之亦然。因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论前轮和后轮所构成的两个双质量系统的两自由度振动模型19。3.1.2 1/4 汽车悬架系统振动模型 由上节可知，对于图 3.2 所示双轴汽车四个自由度的振动模型，当簧载质量分配系数2yab=的数值接近 1 时，前后悬架系统的垂直振动几乎是独立的。因此可以将整车的 1/4 简化成由车身2m 和车轮1m 组成的双质量振动模型，如图 3.3 所示。这个系统模型能反映车身部分在低频共振和车轮部分在一定范围产生高频共振时的动态特性，它对汽车行驶平顺性和车轮的接地性有较大的影响，更接近汽车悬架系统的实际振动情况2033。吉林大学硕士学位论文 18 车轮与车身垂直位移坐标1x、2x 为1m、2m对激励q的响应，坐标原点选在各自的平衡位置。根据牛顿第二定律xmxf=&,对于1/4汽车悬架系统模型所建立的运动微分方程为：.21222221.1211221211()()0()()()0m xcxxkxxm xc xxkxxk xq+=+=（3-5）无阻尼自由振动时，运动方程变成：.22221.112121 1()0()0m xkxxm xkxxk x+=+=（3-6）由运动方程可以看出，1m与2m的振动是相互耦合的。若1m不动（1x 0），则得.22220m xk x+=这相当于只有车身质量2m的单自由度无阻尼自由振动。其固有频率022/km。同样，若2m不动（2x 0），相当于车轮质量1m 作单自由度无阻尼振动，于是可得：图 3.3 车身与车轮两自由度振动系统模型 1m非簧载质量(车轮质量)2m簧载质量(车身质量)1k 轮胎垂直刚度 2k 悬架垂直刚度 2c 悬架阻尼系数 q激励 2x 1x 1k 2k 2c 2m 1m q 第三章 汽车悬架系统的性能评价 19.11211()0m xkk x+=车轮部分固有频率：211()/tkkm+。（3-7）0 与t 是双质量系统中只有一个质量振动时的部分频率（偏频）19。在无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率和相角作简谐振动，振幅为1A、2A，则其解为：()11jtxAe+=()22jtxA e+=将上面两个解代入微分方程组（2-5）得：222221220kkAAAmm+=（3-8）2221121110kkkAAAmm+=（3-9）将022/km2、211()/tkkm+2代入式（3-8）和式（3-9），可得 2220201()0AA=222221()0tkAAm+=此方程有非零解的条件是1A 和2A 的系数行列式为零，即：22021()km 2022()t0 或 2222200()()2/10tkm=(3-10)式（3-10）称为系统的频率方程或特征方程，它的两个根为双质量系统主频率1 和2 的平方：吉林大学硕士学位论文 20 2222222 11 2002111()()024ttk km m=+=、(3-11)为了对主频率1、2 和它们对应的振型有一具体概念，以下举一例说明。设某一汽车的02/rad s=，质量比21/10mm=，刚度比21/9kk=。将219kk=、12/10mm=代入式（3-7）得车轮部分固有频率 22110()/100tkkm+=2 010.01t=42 102190k km m=将上面t2及2 121k km m关系式代入式（3-11）得：100.95=2010.01=由此可见，低的主频率1 与0 接近，高的主频率2 与t 接近，且有102t的关系15。将100.95=、2010.01=代入式（3-8）或式（3-9），即可确定两个主振型中1A 与2A 的振幅比：2201122010.1AA=一阶主振型 22021220299.2AA=二阶主振型 式（3-5）所示的微分方程所代表的两自由度的振动模型有一阶和二阶主振型构成。在强迫振动下，激励频率接近一阶振型的频率1（车身固有频率）时，车身质量2m的振幅大于车轮质量1m的振幅，主要产生车身质量的振动。激励频率接近二阶振型的频率2（车轮固有频率）时，汽车产生高频共振，主要产生车轮质量的振动，车身基本不动。第三章 汽车悬架系统的性能评价 21 3.2 汽车悬架性能频域分析 3.2.1 1/4 汽车悬架性能幅频特性研究 振动信号的频域分析方法是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。通过信号的频域分析可以确定信号中含有的频率成分和频率分布范围；确定信号中各个频率成分的幅值和能量；分析各振动信号之间的相互关系；通过系统的输入输出求出系统的传递函数，识别系统的动力学参数；从而对悬架的性能进行评价。对于汽车悬架性能的评价可以用频域分析中的传递函数法，此方法对被动悬架和半主动悬架均适合。频域分析中的传递函数分析方法是根据路面输入和控制输出的关系求出其响应的传递函数，按照其响应计算出各自的幅频特性进行分析。传递函数分析法可用车身加速度、悬架动挠度和车轮相对动载对路面速度输入的幅频特性等性能参数来定性评价汽车悬架的性能。车身加速度或位移的幅频特性可以用来评价悬架的减振性能，加速度或位移越小说明汽车的平顺性越好。非簧载质量与簧载质量相对位移的幅频特性用来评价悬架行程限制器撞击的可能性，进而评价弹性元件的工作性能。车轮加速度和轮胎与支撑面接触载荷的幅频特性用来评价振动强度，并间接地评价车轮与道路接触的稳定性 21222324。从上节所建立的车身与车轮两自由度振动模型（图 3.3）出发，设1x、2x的坐标原点选在各自的平衡位置，即1122(0)0,(0)0(0)0,(0)0 xxxx=&，(0)x是位移函数()x t在 t0 时的初始位移值，(0)x&是速度函数()x t&在 t0 时的初始速度值，则微分方程组.21222221.1211221211()()0()()()0m xcxxkxxm xc xxkxxk xq+=+=（3-5）吉林大学硕士学位论文 22 经过拉普拉斯（Laplace）变换后，整理得：222222212122112221()()()()0()()()()()0m sc sk L x tc sk L x tmsc skk L x tc sk L x tk L q t+=+=（3-12）式中：0()()jstL x tx t e dt=是函数()x t的拉普拉斯变换。振动系统的传递函数用()G S 表示，且()()()()()XSL x tG SQ