車輛懸架系統(tǒng)中新減振元件設(shè)計和減振控制算法研究.pdf

1、目前車輛懸架系統(tǒng)振動研究主要集中在兩方面：(1)新的彈性元件和阻尼元件的提出；(2)新的振動控制算法的提出。本著這一指導(dǎo)原則，本論文在這兩方面都提出了一些創(chuàng)新性的工作：(1)首先根據(jù)實(shí)際車輛的底盤布置形式，提出了一種嶄新的阻尼元件即扭轉(zhuǎn)阻尼減振器，并且對其進(jìn)行了深入的研究；(2)以可控懸架為控制對象，提出了一些創(chuàng)新性的懸架振動控制算法。其研究內(nèi)容如下： 1．扭轉(zhuǎn)阻尼減振器的研究 在實(shí)際車輛的底盤設(shè)計中，設(shè)計者往往希望將底

2、盤設(shè)計的越緊湊越好，根據(jù)這一指導(dǎo)原則，通過分析現(xiàn)有懸架結(jié)構(gòu)中減振器與彈簧以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安裝方式，創(chuàng)新性的提出了一種便于實(shí)現(xiàn)與扭桿彈簧進(jìn)行緊湊安裝的扭轉(zhuǎn)阻尼減振器，并且在第七代菱形車上得到了應(yīng)用。本論文將圍繞扭轉(zhuǎn)阻尼減振器進(jìn)行多方面的研究，以便將其推廣到以扭桿彈簧作為彈性元件的現(xiàn)行車輛中去。 首先討論了阻尼元件、彈性元件與菱形車中懸架系統(tǒng)的匹配設(shè)計。根據(jù)四分之一懸架模型建立了懸架性能指標(biāo)與車輛參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。分析了車輛系統(tǒng)參數(shù)對懸

3、架性能指標(biāo)的影響，確定以阻尼系數(shù)作為優(yōu)化變量的四分之一懸架系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化問題。利用小種群多目標(biāo)遺傳算法對這個多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化求解。在頻域內(nèi)分析了阻尼系數(shù)對懸架性能指標(biāo)的影響，得到了阻尼系數(shù)與懸架系統(tǒng)匹配設(shè)計的一般規(guī)律，即車身共振區(qū)需要重阻尼、人體振動敏感區(qū)需要輕阻尼、非簧載質(zhì)量共振區(qū)需要重阻尼。由于車身共振區(qū)與非簧載質(zhì)量共振區(qū)的阻尼力分別對應(yīng)開閥阻尼力和最大開閥阻尼力，因此減振器的外特性可以用三級阻尼力的形式進(jìn)行控制。利用三級阻尼力控

4、制的方法實(shí)現(xiàn)了以線性懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的阻尼系數(shù)構(gòu)成減振器的非線性外特性曲線。根據(jù)懸架性能指標(biāo)的相應(yīng)要求，選擇十組具有代表性的非支配解進(jìn)行不同頻率下的懸架性能指標(biāo)概率分析，確定了平均開閥阻尼系數(shù)和平均最大開閥阻尼系數(shù)。通過選擇雙向阻尼比計算了伸張行程和壓縮行程中的開閥阻尼系數(shù)和最大開閥阻尼系數(shù)。利用減振器在懸架中的一般布置結(jié)構(gòu)得到了開閥速度和最大開閥速度，從而得到了與該懸架匹配的減振器非線性外特性曲線。利用伸張行程的開閥阻尼力計算菱形車中

5、懸架系統(tǒng)所需等效筒式減振器的活塞和活塞桿的尺寸。當(dāng)阻尼元件確定以后，彈性元件利用汽車設(shè)計中提出的扭桿彈簧設(shè)計方法就可以很方便地得到。 根據(jù)流體力學(xué)和液壓理論建立了扭轉(zhuǎn)阻尼減振器阻尼力矩的基本計算公式，計算得到了常通節(jié)流小孔的直徑、伸張閥和壓縮閥的基本參數(shù)，并且建立了扭轉(zhuǎn)阻尼減振器物理參數(shù)力學(xué)模型，通過對其進(jìn)行的仿真，得到其外特性速度曲線，該曲線與三級阻尼力控制計算得到的等效阻尼力曲線非常相似。緊接著分析了縫隙對扭轉(zhuǎn)阻尼減振器的影

6、響。 為了進(jìn)一步論證上面提出的扭轉(zhuǎn)阻尼減振器外特性計算理論的正確性，設(shè)計制造了一扭轉(zhuǎn)阻尼減振器進(jìn)行臺架試驗(yàn)研究。通過將試驗(yàn)研究的結(jié)果與理論模型的對比證明上述的理論計算是合理的。為了方便后面的振動分析，根據(jù)試驗(yàn)得到的結(jié)果建立了扭轉(zhuǎn)阻尼減振器的數(shù)學(xué)模型。并且利用遺傳算法對模型中的參數(shù)進(jìn)行反求。 最后對基于扭轉(zhuǎn)阻尼減振器的扭桿彈簧雙橫臂懸架的非線性平順性進(jìn)行仿真分析。利用空間運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建立扭桿彈簧雙橫臂懸架的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)

7、方程，證明了雙橫臂懸架的空間運(yùn)動對扭轉(zhuǎn)阻尼減振器在車輪垂向上提供的等效阻尼力沒有影響。根據(jù)虛位移原理計算得到了扭桿彈簧雙橫臂懸架的非線性懸架剛度與車輪跳動的函數(shù)關(guān)系。最后根據(jù)車輛平順性脈沖激勵和隨機(jī)激勵的國標(biāo)要求對其進(jìn)行了非線性的平順性仿真，仿真結(jié)果表明基于扭轉(zhuǎn)阻尼減振器的扭桿彈簧雙橫臂懸架的平順性是合理的。 2．可控懸架控制算法的研究 本文所指的可控懸架有兩種形式：(1)磁流變阻尼器半主動懸架；(2)主動懸架。分別以上

8、面兩種懸架為控制對象提出了一些具有創(chuàng)新的振動控制算法。 (1)磁流變阻尼器半主動懸架最優(yōu)控制研究 磁流變阻尼器是一種基于智能材料的、新型的半主動阻尼器。所產(chǎn)生的阻尼力可調(diào)范圍比傳統(tǒng)阻尼器大，反應(yīng)迅速，易于控制，因此能夠更好的應(yīng)用于車輛系統(tǒng)的減振，實(shí)現(xiàn)從被動懸架向半主動懸架的飛躍。本文利用最優(yōu)控制對基于磁流變阻尼器的四分之一車輛系統(tǒng)的半主動控制進(jìn)行研究。采用改進(jìn)型Bouc—Wen模型作為磁流變阻尼器的力學(xué)模型。利用小種群遺

9、傳算法(μGA)對隨機(jī)最優(yōu)控制器的權(quán)值進(jìn)行尋優(yōu)。仿真結(jié)果表明，利用最優(yōu)控制的磁流變阻尼器半主動懸架性能指標(biāo)明顯優(yōu)于被動懸架。 (2)基于多目標(biāo)遺傳算法的主動懸架H2/H∞多目標(biāo)控制研究 本文利用多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合線性矩陣不等式對四分之一主動懸架的混合H2/H∞控制的保守性進(jìn)行研究。將車身垂向加速度定義為H2性能指標(biāo)。懸架動行程和輪胎動位移定義為H∞性能指標(biāo)。利用多目標(biāo)遺傳算法(μMOGA)搜索控制增益，通過解矩陣不等式得