车辆可变阻尼减振器半主动悬架研究

摘要

悬架系统是车辆行驶系统中一个重要组成部分，悬架系统的好坏决定了车辆乘坐舒适性和操纵稳定性的优劣。被动悬架是如今汽车上应用最广泛的一种悬架，虽然它在一定程度上改善了车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，但是其结构参数不能随车辆行驶外界条件和车辆状态不同而自动变化，这大大制约了它的应用。汽车半主动悬架的性能可以接近主动悬架，其制造成本和使用成本都远低于主动悬架，是汽车悬架技术发展的主要方向。
　　 目前，对于车辆半主动悬架系统，有两个方面的问题急需解决，一是研究性能可靠、调节方便的可变阻尼减振器，因为减振器是可变阻尼半主动悬架的关键部件之一，其性能直接影响半主动悬架的性能。二是半主动悬架系统的控制算法，科研人员对半主动悬架系统采用了一些控制方法但是大都没有达到理想效果。可变阻尼减振器半主动悬架系统是一个集机械、流体、信息、控制及系统理论等多学科交叉的智能结构系统，目前有待进一步研究的问题有多个方面。论文以某乘用车为研究对象，结合重庆市科委科技计划项目重点自然基金项目(CSTC，2006BA6017)、高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20100191110004)及汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室2010年度开放基金资助(NVHSKL-201010)项目，开展可变阻尼减振器的研究及半主动悬架控制方法的研究。
　　 1)基于减振器的工作原理、内部结构和阀系特点，利用环形薄板阀片变形微分方程以及内外径处的边界条件推导出环形阀片受均布载荷作用时的挠曲变形解析式，根据流体力学缝隙流动、管嘴流动理论、薄壁小孔节流理论，建立了双筒液压减振器的数学模型。在MATLAB/Simulink环境下对模型进行仿真研究，并与实测的减振器的外特性进行了比较分析，仿真与实测结果的一致性证明数学模型正确可靠。同时用该模型详细分析了减振器各结构参数对减振器阻尼力的影响规律及敏感程度，并得到减振器阻尼力控制的一般规律，得出的结论为减振器的设计和性能预测提供了一定的技术支持。
　　 2)通过对普通双筒液压减振器进行改进，开发出一种行程敏感减振器。基于流体力学和弹性力学理论，提出并应用“串并混联管路流量多项式拟合法”推导出行程敏感减振器阀系“各分支管路流量及节流压差”的函数关系式，利用“环形薄板阀片受均布载荷作用时的挠曲变形解析式”建立了行程敏感减振器的数学模型。在MATLAB/Simulink环境下对模型进行仿真研究，计算结果与试验结果符合较好，同时用该模型分析了旁通槽直径对减振器阻尼力的影响规律。
　　 3)研制了一种适合于半主动悬架控制的性价比相对较高的可变阻尼减振器，阐述了该减振器的结构形式和工作原理。基于流体力学和弹性力学理论，提出了“并联管路总节流压差计算”和“串并混联管路各分支流量计算”方法并推导出其表达式。利用该表达式及“受均布载荷作用的环形薄板阀片挠曲变形解析式”建立了可变阻尼减振器的数学模型。在MATLAB环境下对模型进行仿真研究，仿真结果与试验结果符合较好。利用该可变阻尼减振器的测试结果，得到了调节旋钮转角与输出减振器阻尼力系数的关系曲线；同时应用所建立的数学模型，详细分析了“回油管路”结构参数对减振器阻尼力的影响规律。
　　 4)将车身质心加速度、悬架动挠度与轮胎动载荷三个振动响应量作为衡量车辆悬架性能的评价指标。介绍了系统仿真时路面激励公式的推导过程，得到了随机路面及弓型障碍路面的时域模型。根据拉格朗日方程，建立了汽车整车振动系统的运动微分方程，在此基础上用系统状态描述方法建立了七自由度车辆振动系统的状态空间模型。根据整车动力学模型，在Matlab/Simulink环境下建立了整车仿真模型。为了更方便地评价汽车振动系统综合性能，建立了包含车身质心加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷的综合性能评价指标。
　　 5)结合整车控制系统的特点，提出了以垂向振动、俯仰振动及侧倾振动为控制器输入的“三并联控制器阻尼控制”方法；利用基于可变阻尼减振器的整车半主动悬架系统模型，设计了PID控制、模糊控制及模糊PID控制的控制系统，在随机路面和弓型障碍路面各工况下对其进行仿真，对比了各控制策略的优劣，其仿真结果表明：在改善系统综合性能方面，半主动悬架明显优于被动悬架，而且模糊PID控制优于模糊控制及PID控制。最后采用模糊PID控制分别对整车进行单独前悬控制、单独后悬控制、及前后共同控制的效果进行比较，结果表明前后共同模糊PID控制比单独对前悬控制和单独对后悬控制的效果要好得多，另外，单独对后悬控制比单独对前悬控制的效果要好。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 可变阻尼减振器半主动悬架研究的背景

1.1.1 课题研究的背景

1.1.2 车辆悬架系统分类及其特点

1.2 可变阻尼减振器半主动悬架研究的现状

1.2.1 汽车半主动悬架的研究现状

1.2.2 国内外对可变阻尼减振器的研究现状

1.2.3 汽车半主动悬架系统动力学模型

1.2.4 汽车半主动悬架控制方法

1.3 车辆半主动悬架的应用前景及研究存在的问题

1.4 课题研究的目的及意义

1.5 论文研究的主要内容

2 普通双筒液压减振器外特性仿真与性能分析

2.1 引言

2.2 阀片弯曲变形微分方程

2.3 减振器油液流动机理及动力学分析

2.3.1 复原行程

2.3.2 压缩行程

2.4 减振器外特性simulink仿真

2.5 减振器外特性仿真与试验数据对比

2.5.1 示功图

2.5.2 速度特性曲线

2.6 减振器阻尼力的影响因素及控制规律分析

2.6.1 减振器阀系各参数对其阻尼力的影响及控制规律分析

2.6.2 减振器结构参数对其阻尼力的影响及敏感度分析

2.7 本章小结

3 行程敏感减振器外特性仿真与性能分析

3.1 引言

3.2 行程敏感减振器的基本结构和工作原理

3.3 串并混联管路流量多项式拟合

3.4 减振器油液流动机理及动力学分析

3.4.1 复原行程

3.4.2 压缩行程

3.5 减振器外特性Matlab/Simulink仿真

3.6 减振器外特性仿真与试验数据对比

3.6.1 示功图

3.6.2 速度特性曲线

3.7 旁通槽直径对减振器阻尼力的影响规律

3.8 本章小结

4 可变阻尼减振器外特性仿真与性能分析

4.1 引言

4.2 管路节流压差及各分支流量计算

4.2.1 并联管路流动

4.2.2 串并混联管路流动

4.3 减振器油液流动机理及动力学分析

4.3.1“回油管路”节流压差计算

4.3.2 各阀系节流压差计算

4.3.3 复原行程

4.3.4 压缩行程

4.4 减振器外特性仿真与试验数据对比

4.4.1 示功图

4.4.2 速度特性曲线(即力-速度曲线)

4.4.3 调节旋钮转角与可变阻尼系数的关系曲线

4.5“回油管路”结构参数对阻尼力的影响规律

4.6 本章小结

5 整车半主动悬架控制仿真

5.1 前言

5.2 悬架系统性能评价指标

5.2.1 车身加速度

5.2.2 悬架动挠度

5.2.3 轮胎动载荷

5.3 路面激励建模

5.3.1 路面输入模型与功率谱

5.3.2 路面的频域模型

5.3.3 路面的时域模型

5.3.4 随机路面位移的生成

5.3.5 弓型路面位移的生成

5.4 悬架动力学模型

5.4.1 七自由度整车半主动悬架系统数学模型的建立

5.4.2 七自由度车辆振动系统的运动微分方程

5.4.3 七自由度车辆振动系统状态空间模型

5.5 基于被动悬架的整车Simulink仿真及综合性能评价

5.5.1 整车Simulink仿真模型

5.5.2 整车振动系统的综合性能评价指标

5.6 三并联控制器阻尼控制

5.7 PID控制

5.7.1 PID控制原理

5.7.2 PID控制器的设计

5.7.3 仿真结果分析与比较

5.8 模糊控制

5.8.1 模糊控制器的设计

5.8.2 模糊控制仿真模型

5.8.3 模糊控制仿真分析

5.9 模糊PID控制

5.9.1 模糊PID控制规则

5.9.2 模糊PID控制器设计

5.9.3 模糊PID控制仿真

5.9.4 模糊PID控制仿真分析

5.10 整车振动控制的比较与分析

5.10.1 随机路面上的整车振动控制

5.10.2 弓型路面上的整车振动控制

5.10.3 不同控制方式的整车模糊PID控制

5.11 本章小结

6 研究结论与展望

6.1 全文总结

6.2 本文的创新点

6.3 进一步研究的展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目

C.作者在攻读博士学位期间获得的国家实用新型专利