论文摘要
汽车悬架是现代汽车上的重要总成之一，它是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力装置的总称，其主要功用为：1）把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上；2）缓和由不平路面传给车体的冲击载荷，衰减冲击载荷引起的承载系统的振动；3）导向车身与车轮的运动，决定车轮定位；4）在汽车侧倾或俯仰时，悬架要能及时控制车身姿态，以保证汽车的正常行驶。因此，汽车悬架系统的设计必须满足行驶平顺性（Ride Comfort）和操纵稳定性（Handling Stability）的要求，然而车在行驶过程中，其平顺性和操纵稳定性对悬架参数的要求是不同的，从平顺性角度来考虑，需要悬架具有较软的特性，而从操纵稳定角度考虑，需要较硬的悬架。现代汽车正朝着安全、舒适、节能、环保、智能化的方向发展，人们对汽车的舒适性和整体品质的追求日益提升。智能悬架系统能同时兼顾车辆的舒适性和稳定性，并能适应变化的行驶工况和任意道路激励，是当前关注的热点。半主动悬架在车辆性能、能量消耗和成本上能保证较好的折中，因此，本文将通过试验与理论相结合的方法探索阀控半主动减振器的特性及其在车辆中的应用，以期提高车辆的平顺性、操纵稳定性和整体品质，主要研究以下内容：1）阀控半主动减振器特性研究。首先分析了被动减振器的工作原理，建立了考虑减振器阀系结构参数的被动减振器理论模型；然后研究阀控半主动减振器的结构与工作原理，并细致地研究了执行元件电磁阀的结构和工作原理；其次，在减振器示功机测试了阀控半主动减振器的外特性，探明了电压强度和速度对其对阀控半主动减振器外特性的影响规律：该阀控半主动减振器采用反比例控制，在同一速度下，电压越大，阻尼力越小，具有失效保护的功能，当电压强度相同时，速度越大，阻尼力越大；最后，基于试验测试佳果，以减振器活塞的速度、活塞离开平衡位置的位移和电磁阀的电压强度作为神经网络的输入，采用神经网络模型来逼近阀控半主动减振器的外特性，数值模拟效果表明该非参数模型与试验结果的一致性很好，能表达阀控半主动减振器的外特性，可用于动力学分析。2）建立车辆悬架性能的综合评价指标。首先系统地阐述和分析了悬架特性的评价方法；其次，建立了考虑左右车轮路面的相干性随机路面的四轮激励模型；然后，建立了用于车辆平顺性的7自由度模型，推导得到整车模型广义加速度、动载荷和动挠度的传递函数；最后采用无量纲化和综合加权的方法，建立用于动力学控制的7自由度车辆模型的评价指标。3）建立7自由度车辆的混合控制算法。应用Matlab/Simulink建立样车的7自由度车辆动力学模型。模型考虑了车辆的垂向振动，同时还能表达前后轴路面激励不同引起的车辆的俯仰运动和左右轮路面激励不同引起的侧倾运动，推导了基于Skyhook算法的混合控制算法，并将半主动算法集成于整车模型中；然后，在随机路面输入下优化反馈矩阵，最后应用数值模拟的手段对比研究了优化后的半主动模型与被动最优悬架的特性。相对于最优被动悬架，采用混合控制算法的7自由度车辆以36km/h的速度通过凹坑时，其垂向加速度、侧倾加速度和俯仰加速度的峰值均能降低30%以上，过凸块的仿真结果表明，采用混合控制的阀控半主动悬架性能也有了较大地提升，但是其效果会随着车速的升高而减弱，这需要进一步探索控制算法与激励频率的相关性。4）建立考虑27自由度车辆横向运动及纵向运动带来的侧倾和俯仰运动改进混合控制算法。应用Carsim建立样车的车辆动力学模型，采用Matlab与Carsim联合仿真的方法，建立了用于操稳工况的俯仰、侧倾的控制算法，利用双移线及紧急制动工况仿真验证控制算法的有效性，并通过联合仿真的手段获得最优的控制增益系数K、Kp然后，对某公司提供的试验车辆的悬架系统进行改装，用阀控半主动减振器代替原车的被动减振器，并为其匹配好传感器与控制器，然后将控制算法植入到实车电控系统中，并完成系统标定；最后，根据国标平顺性以及操纵稳定性的实验方法进行道路实车试验，并与原车进行比较，试验结果表明改装车的平顺性和操纵稳定性均有较大地改善。本文的主要贡献和创新点如下：1）获得阀控半主动减振器外特性规律，阐明其外特性机理，建立可用于动力学计算的阀控半主动减振器外特性非参数模型；2）采用无量纲化和综合加权的方法，建立用于动力学控制的7自由度车辆模型的评价指标；3）建立7自由度车辆的混合控制算法及考虑27自由度车辆横向运动及纵向运动带来的侧倾和俯仰运动的混合控制算法，开发并集成控制器，并进行道路实车试验。