车辆悬架系统中新减振元件设计和减振控制算法研究

论文摘要

目前车辆悬架系统振动研究主要集中在两方面:（1）新的弹性元件和阻尼元件的提出;（2）新的振动控制算法的提出。本着这一指导原则,本论文在这两方面都提出了一些创新性的工作:（1）首先根据实际车辆的底盘布置形式,提出了一种崭新的阻尼元件即扭转阻尼减振器,并且对其进行了深入的研究;（2）以可控悬架为控制对象,提出了一些创新性的悬架振动控制算法。其研究内容如下:1.扭转阻尼减振器的研究在实际车辆的底盘设计中,设计者往往希望将底盘设计的越紧凑越好,根据这一指导原则,通过分析现有悬架结构中减振器与弹簧以及导向机构的安装方式,创新性的提出了一种便于实现与扭杆弹簧进行紧凑安装的扭转阻尼减振器,并且在第七代菱形车上得到了应用。本论文将围绕扭转阻尼减振器进行多方面的研究,以便将其推广到以扭杆弹簧作为弹性元件的现行车辆中去。首先讨论了阻尼元件、弹性元件与菱形车中悬架系统的匹配设计。根据四分之一悬架模型建立了悬架性能指标与车辆参数的函数关系。分析了车辆系统参数对悬架性能指标的影响,确定以阻尼系数作为优化变量的四分之一悬架系统多目标优化问题。利用小种群多目标遗传算法对这个多目标问题进行优化求解。在频域内分析了阻尼系数对悬架性能指标的影响,得到了阻尼系数与悬架系统匹配设计的一般规律,即车身共振区需要重阻尼、人体振动敏感区需要轻阻尼、非簧载质量共振区需要重阻尼。由于车身共振区与非簧载质量共振区的阻尼力分别对应开阀阻尼力和最大开阀阻尼力,因此减振器的外特性可以用三级阻尼力的形式进行控制。利用三级阻尼力控制的方法实现了以线性悬架系统优化设计的阻尼系数构成减振器的非线性外特性曲线。根据悬架性能指标的相应要求,选择十组具有代表性的非支配解进行不同频率下的悬架性能指标概率分析,确定了平均开阀阻尼系数和平均最大开阀阻尼系数。通过选择双向阻尼比计算了伸张行程和压缩行程中的开阀阻尼系数和最大开阀阻尼系数。利用减振器在悬架中的一般布置结构得到了开阀速度和最大开阀速度,从而得到了与该悬架匹配的减振器非线性外特性曲线。利用伸张行程的开阀阻尼力计算菱形车中悬架系统所需等效筒式减振器的活塞和活塞杆的尺寸。当阻尼元件确定以后,弹性元件利用汽车设计中提出的扭杆弹簧设计方法就可以很方便地得到。根据流体力学和液压理论建立了扭转阻尼减振器阻尼力矩的基本计算公式,计算得到了常通节流小孔的直径、伸张阀和压缩阀的基本参数,并且建立了扭转阻尼减振器物理参数力学模型,通过对其进行的仿真,得到其外特性速度曲线,该曲线与三级阻尼力控制计算得到的等效阻尼力曲线非常相似。紧接着分析了缝隙对扭转阻尼减振器的影响。为了进一步论证上面提出的扭转阻尼减振器外特性计算理论的正确性,设计制造了一扭转阻尼减振器进行台架试验研究。通过将试验研究的结果与理论模型的对比证明上述的理论计算是合理的。为了方便后面的振动分析,根据试验得到的结果建立了扭转阻尼减振器的数学模型。并且利用遗传算法对模型中的参数进行反求。最后对基于扭转阻尼减振器的扭杆弹簧双横臂悬架的非线性平顺性进行仿真分析。利用空间运动学和动力学建立扭杆弹簧双横臂悬架的运动学和动力学方程,证明了双横臂悬架的空间运动对扭转阻尼减振器在车轮垂向上提供的等效阻尼力没有影响。根据虚位移原理计算得到了扭杆弹簧双横臂悬架的非线性悬架刚度与车轮跳动的函数关系。最后根据车辆平顺性脉冲激励和随机激励的国标要求对其进行了非线性的平顺性仿真,仿真结果表明基于扭转阻尼减振器的扭杆弹簧双横臂悬架的平顺性是合理的。2.可控悬架控制算法的研究本文所指的可控悬架有两种形式:（1）磁流变阻尼器半主动悬架;（2）主动悬架。分别以上面两种悬架为控制对象提出了一些具有创新的振动控制算法。（1）磁流变阻尼器半主动悬架最优控制研究磁流变阻尼器是一种基于智能材料的、新型的半主动阻尼器。所产生的阻尼力可调范围比传统阻尼器大,反应迅速,易于控制,因此能够更好的应用于车辆系统的减振,实现从被动悬架向半主动悬架的飞跃。本文利用最优控制对基于磁流变阻尼器的四分之一车辆系统的半主动控制进行研究。采用改进型Bouc-Wen模型作为磁流变阻尼器的力学模型。利用小种群遗传算法（μGA）对随机最优控制器的权值进行寻优。仿真结果表明,利用最优控制的磁流变阻尼器半主动悬架性能指标明显优于被动悬架。（2）基于多目标遗传算法的主动悬架H2/H∞多目标控制研究本文利用多目标遗传算法结合线性矩阵不等式对四分之一主动悬架的混合H2/H∞控制的保守性进行研究。将车身垂向加速度定义为H2性能指标。悬架动行程和轮胎动位移定义为H∞性能指标。利用多目标遗传算法（μMOGA）搜索控制增益,通过解矩阵不等式得到H2和H∞范数。将计算得到的H2和H∞范数结果和Matlab多目标控制工具箱进行比较,发现基于μMOGA的LMI优化方法的保守性明显小于Matlab多目标控制工具箱的计算结果。根据μMOGA/LMI对四分之一主动悬架进行设计,其仿真结果和被动悬架进行比较发现主动悬架的性能指标明显优于被动悬架的性能指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 悬架系统中传统减振器研究现状
• 1.2.1 筒式减振器工作原理和结构介绍
• 1.2.2 筒式减振器力学模型的回顾
• 1.2.3 筒式减振器在各种悬架安装结构的介绍
• 1.3 可控悬架系统的研究现状
• 1.3.1 半主动悬架的研究现状
• 1.3.2 主动悬架控制算法的研究现状
• 1.4 论文的创新和主要研究内容
• 1.4.1 扭转阻尼减振器的研究
• 1.4.2 可控悬架的控制算法研究
• 第2章 被动悬架弹性元件、阻尼元件的优化匹配计算
• 2.1 被动悬架振动系统的建立
• 2.1.1 车辆幅频特性的计算
• 2.1.2 路面功率谱密度的计算
• 2.2 优化目标函数的建立及其车辆参数敏感度分析
• 2.2.1 优化目标函数的建立
• 2.2.2 车辆参数的敏感度分析
• 2.3 小种群多目标遗传算法
• 2.4 基于多目标遗传算法优化悬架阻尼系数
• 2.5 优化结果分析及减振器特性曲线的确定
• 2.5.1 多目标优化结果分析
• 2.5.2 减振器特性曲线确定
• 2.5.3 等效筒式减振器工作缸直径和活塞杆直径的确定
• 2.6 弹性元件的匹配计算
• 2.7 本章小结
• 第3章 扭转阻尼减振器的设计和理论计算
• 3.1 引言
• 3.2 扭转阻尼减振器工作原理和结构设计
• 3.3 扭转阻尼减振器结构尺寸的理论计算及强度校核
• 3.4 扭转阻尼减振器阻尼力矩推导及外特性模拟仿真
• 3.4.1 扭转阻尼减振器阻尼力矩推导
• 3.4.2 扭转阻尼减振器流量与压力计算关系的建立
• 3.4.3 扭转阻尼减振器外特性模拟计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 扭转阻尼减振器的试验及其在被动悬架中的应用
• 4.1 扭转阻尼减振器试验台结构介绍
• 4.2 扭转阻尼减振器试验研究
• 4.2.1 扭转阻尼减振器位移特性试验
• 4.2.2 扭转阻尼减振器速度特性试验
• 4.3 扭转阻尼减振器数学模型的建立
• 4.3.1 扭转阻尼减振器数学模型的建立
• 4.3.2 扭转阻尼减振器数学模型的参数反求
• 4.4 基于扭转阻尼减振器的双横臂扭杆悬架阻尼特性和刚度特性分析
• 4.4.1 扭转阻尼减振器在双横臂扭杆悬架中的阻尼特性分析
• 4.4.2 双横臂扭杆悬架的非线性悬架刚度求取
• 4.5 基于扭转阻尼减振器的双横臂扭杆悬架非线性平顺性仿真分析
• 4.5.1 基于扭转阻尼减振器的双横臂扭杆悬架垂向动力学模型建立
• 5.2.2 时域路面激励建立
• 5.2.2 非线性平顺性仿真结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 可控悬架控制算法研究
• 5.1 磁流变阻尼器半主动悬架振动控制算法的研究
• 5.1.1 磁流变阻尼器半主动悬架振动力学模型的建立
• 5.1.2 磁流变阻尼器Bouc-Wen力学模型
• 5.1.3 最优控制器的设计
• 5.1.4 磁流变阻尼器半主动控制
• 5.1.5 利用小种群遗传算法设计控制权值
• 5.1.6 仿真结果分析
• 2/H_∞鲁棒控制研究'>5.2 基于多目标遗传算法主动悬架混合H₂/H_∞鲁棒控制研究
• 5.2.1 基于多目标鲁棒控制算法的主动悬架控制问题提出
• 2/H_∞多目标鲁棒控制'>5.2.2 利用μMOGA/LMI设计混合H₂/H_∞多目标鲁棒控制
• 5.2.3 仿真结果分析与讨论
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B（攻读学位期间所参加的科研项目）