汽车整车与转向系非线性动力学特性及控制仿真研究

摘要

实际车辆的动力学系统多数属于非线性系统，因此非线性振动及其控制理论在汽车工程中具有广泛的应用前景。车辆的动力学特性是衡量车辆性能好坏的一个重要标准；通过建立汽车高维非线性动力学仿真模型，从车辆整体和局部的角度分别讨论了独立悬架汽车的非线性振动与控制问题。
　　具体研究了车辆在特定转向角输入条件下的转弯非线性动力学响应，分析了悬架参数与轮胎参数对车辆整体系统非线性动力学特性的影响，对不同扭矩作用下车辆的转弯机动性进行了对比研究；引入LuGre模型，充分考虑了轮胎的非线性特性，详细计算了车辆转弯时的滚转角加速度、偏航角加速度、车体质心加速度及轮胎摩擦力的变化规律。
　　通过对一般路面激励条件下汽车垂向高维、复杂动力学模型的分析及其动力学行为的研究，得到了四轮激励具有相位差的汽车高维非线性周期及混沌振动特性。重点分析了具有时间延迟的汽车7自由度高维非线性动力学系统，并对其进行了非线性频率响应分析，分岔特性分析，频谱分析，通过Poincare映射得到其超混沌吸引子；具体计算了特定参数条件下多自由度车辆非线性振动系统的各维李亚谱诺夫指数，通过对李亚谱诺夫指数的定量研究确定非线性系统的超混沌特性；结果表明在分岔参数的特定区间，系统存在混沌、超混沌、逆向倍周期分岔、1/3亚谐周期运动等多种运动形式。
　　应用改进的增量谐波平衡方法对汽车转向系的非线性强迫振动特性进行了研究。得到了其强迫型振动的周期解及其频率成分，避免了大型矩阵反复求逆的复杂运算，建立了基于4阶RK法的转移矩阵的具体计算形式，应用Floquent理论进行了解的稳定性与分岔研究，讨论了其解的分岔形式和混沌运动区间，同时得到了转向系间隙与干摩擦对系统振动特性的影响。基于近似解析的方法分析了自激型振动的临界车速，划分了系统的稳定区间与失稳区间，并对其失稳后产生的极限环幅值与稳定性进行了计算，指出其属于平衡点失稳出现稳定极限环的振动现象—超临界Hopf分岔，并讨论了间隙与干摩擦对此分岔特性的影响。
　　文中应用新型流体控制单元—磁流变阻尼器，对转向系的非线性振动进行了半主动控制，通过调节作用于阻尼器两端的电压改变其阻尼力的大小，使其在失稳车速范围内极限环幅值大幅度减小，进而达到Hopf分岔控制的目的。考虑到转向系非线性振动模型的不准确性与参数的不确定性，采用了自适应神经网络滑模变结构控制方法，估计了未知函数的上界，计算了系统受扰时的输出随时间的变化规律，并对该控制系统进行了稳定性分析，证实了此方法具有全局收敛性，对系统的扰动与未建模动态具有强鲁棒性。
　　全文应用数值仿真的方法证实了理论分析的准确性与有效性。研究结果具有较强的工程实用价值，并且对确定车辆的整车横向动力学控制、转弯动力学性能预测及轮胎的磨损程度预测、整车垂向动力学设计及其混沌动力学控制、如何消除转向系的非线性振动与其振动的非线性控制具有一定的指导意义。