蓄能悬架网络模型建立及分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇蓄能悬架网络模型建立及分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
[摘 要]悬架与车辆的匹配一直是车辆动力学的研究热点，本文建立车辆四分之一悬架网络模型，运用戴维南定理将悬架与车辆的匹配问题转化为悬架阻抗与车辆内阻抗的匹配问题。从阻抗匹配的角度分析车辆悬架引入蓄能器的必要性，由此提出三元件并联的ISD悬架。由机械网络图推导可知悬架阻抗与车辆内阻抗的匹配问题实则是一类最大功率传输问题，即当悬架满足什么规律时，可以最大功率地吸收来自路面的激励，进而提高车辆的乘坐舒适性，为悬架与车辆的参数匹配及设计提供了一种有效的新思路和新方法。
[关键词]悬架；阻抗匹配；蓄能器
中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0099-01
建立的车辆四分之一悬架等效机械网络模型。根据戴维南定理，将悬架作为负载，来自路面的激励作为信号源，除负载以外的包括簧上质量和簧下质量及轮胎刚度的阻抗可以等效为信号源的内阻抗。因此，悬架与车辆的匹配，实际上是要求悬架阻抗与车辆内阻抗实现最佳匹配。显然，当振动频率变化时，车辆内阻抗会表现出惯性、刚度和阻尼特性，而传统的被动悬架仅由弹簧元件和减振器构成，只能提供刚度和阻尼特性，无法与车辆实现最佳匹配。能够提供惯性特性的机械元件有质量元件和蓄能器，而质量元件不是一种严格的二端点元件，工程应用较困难。蓄能器则很好地解决了这一问题，它是与弹簧、减振器一样的严格的二端点元件。所以在传统悬架结构中引入蓄能器这一惯性元件，满足了悬架阻抗与车辆内阻抗实现最佳匹配的基本要求。
根据最大功率传输定理，当ZL=Zg*时，即信号源内阻抗与负载阻抗共轭相等时，负载从信号源网络获得的功率最大。将单端口最大功率传输理论应用到ISD悬架系统机械网络中，由于等效的车辆信号源没有阻尼元件，而阻尼元件的主要功能是消耗能量，衰减振动。从振动分析的角度，可从无阻尼系统出发，研究系统隔振机理。
由最大功率传输的条件，在ISD悬架系统中，当车辆内阻抗和悬架阻抗共轭相等即ZL（ω）=Zg*（ω）时，车辆内阻抗与悬架阻抗可实现最佳匹配。因而可得
由上述推导过程知，满足式（1.3）的条件时，即在相应工作频率下匹配合m的惯容系数的蓄能器，悬架就可以最大功率吸收来自路面激励产生的振动能量，从而削弱进入车身的振动能量，抑制车身振动，提升车辆的行驶平顺性，实现车辆与悬架的最佳匹配。
以某款成熟轿车后悬为例，若在该后悬中引入蓄能器与之并联布置安装，构成一“惯容-弹簧-阻尼”三元件并联的ISD悬架系统。则由式（1.3）在Matlab环境下编写数值程序可得最大功率传输条件下该ISD悬架系统惯容系数b与频率f的关系，如图1.1所示。
图1.1表明，悬架工作频率f与惯容系数b有最佳的匹配关系，针对“惯容-弹簧-阻尼”三元件并联的ISD悬架，按图中的匹配曲线选择合适的惯容系数b的蓄能器，可以使悬架将路面激励产生的激振能量以最大功率吸收，进而抑制车身振动，降低车身加速度，达到舒适的乘坐效果。同时，从图1.1可以看出，惯容系数b随着工作频率f的增大逐渐减小，在3Hz时，b趋近于零。这表明，蓄能器能够有效吸收3Hz以下的低频振动能量，改善车辆的低频振动。这与蓄能器在电网络中对应的电容“阻低频”的特性是一致的，同时证明了新机电相似理论的正确性。
二、匹配机理的正确性验证
为了检验上述悬架与车辆匹配机理的正确性，本文采用传统的动力学建模与分析方法从能量传递的角度对其进行验证。
根据图1.1所推导出的匹配规律知道，在不改变原车悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数的条件下，按其匹配规律选择合适惯容系数的蓄能器引入车辆悬架，可使悬架系统以最大功率吸收路面激励产生的振动能量，从而使传递到车身的振动能量最小。首先对无阻尼系统下的匹配规律进行分析验证，选取频率为1Hz、1.25Hz、1.5Hz、1.75Hz、2Hz的正弦激励，由图3.4匹配规律曲线可知，所选取的各频率对应的惯容系数分别为545kg、344kg、235 kg、170kg、127 kg。利用上述所建立的传统动力学模型在Matlab环境下对无阻尼系统进行仿真，得到在各激振频率下车辆悬架在引入不同惯容系数的蓄能器后车身吸收的能量如图2.1所示。
在图2.1中，各曲线最低点对应的激励频率和惯容系数分别为1Hz和545kg，1.25Hz和344kg，1. 5Hz和235kg，1.75Hz和170kg，2Hz和127kg，由这些相应激励频率和惯容系数组成的点，恰好落在图1.1所示的匹配规律曲线上，这表明按图2.1所示的匹配规律曲线选择合适惯容系数的蓄能器，可以使悬架以最大功率吸收来自路面激励产生的振动能量，确保车身吸收的能量最少，从而提高车辆的乘坐舒适性。同时，仿真结果也表明， ISD悬架匹配规律是正确的。
参考文献
[1] Smith M C. Performance benefits in passive vehicle suspensions employing inerters[J]. Vehicle System Dynamics， 2004， 42（4）：235-257.
[2] 林子谦.惯质模型的实现[D].台北：，2007.