机电一体化方法在汽车悬架系统设计中的应用 翻译

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1、机电一体化方法在汽车悬架系统设计中的应用译者：摘要：本篇论文分析和提出了一种连续可变半主动悬架系统的控制算法，并在四分 之一汽车模型上针对被动、主动和四种不同类型的半主动悬架系统进行了模拟， 所得结果在论文中进行了表述。为达到研究目的，我们开发了一个具有频率依赖性的空气弹簧动力态模型， 并在实验中进行了验证。实验结果和在 Matlab / Simulink 图形软件上进行模拟 的结果也作出了比较。 关键词：控制；汽车；悬架系统；半主动；空气弹簧；机电一体化I.引言所有汽车悬架系统的主要目的都是使车身免受路面不平整的干扰并保持车 轮和路面的接触。因此悬架系统可以保证乘客的乘车舒适性和车辆的行驶平

2、顺动 减振器在汽车上的应用得到广泛的研究。Karnopp 3对半主动悬架系统设计领 域已有的许多成就在其评论文章中作出了中肯的评价，还对相关背景进行介绍以 便人们了解半主动悬架系统。 Cebon 等人4讨论了二自由度半主动系统可利用 的不同的控制策略。他们提出将半主动控制和线性最优控制与全状态反馈综合运 用，辅以简单的开关控制策略，以减少重型卡车的轮胎力和车身加速度。尽管 客车空气弹簧在市场上买的到，却没有多少研究致力于客车空气弹簧的工作表 现。 Quaglia 和 Sorly 5 从设计角度对汽车空气悬架进行讨论，而没有从控制 角度加以论述。考虑到多用车的市场需求，我们认为调平控制和刚度控制

3、的整合 很有前景。本篇论文分析和提出了一种连续可变半主动悬架系统的控制算法，并在四分 之一汽车模型上针对被动、主动和四种不同类型的半主动悬架系统进行了模拟， 性。被动悬架系统是在这种相互冲突的要求之间进行了妥协。但是通过开发一种 机电一体化悬架系统对垂直车辆动力学进行完善是可能的。近些年，计算机控制 的悬架减振器和悬架执行器的开发促进了汽车安全与乘坐舒适度权衡的研究。为 了在满足顾客对于乘车舒适性要求的同时仍然使汽车保持相当高的安全标准，悬 架设计师们被迫寻求传统悬架系统之外的突破。此外，消费者实际上期望的是汽车使用的拓展。这意味着，同一车辆应该具 备轿车的舒适，跑车的速度，同时还应该是一辆越

4、野车。本文意图在汽车悬架系 统设计上提出一种机电一体化的方法，因此，我们选择了由连续可变半主动悬架 减振器和空气弹簧构成的悬架系统，不选择主动悬架是因为它的生产成本高而且 能耗也高。半主动阻尼的概念最早由 Crosby 和 Karnopp 2于 1973 年提出，随后半主 所得结果在论文中进行了表述。为达到研究目的，我们开发了一个具有频率依赖空气弹簧动态模型，并在实 验中进行了验证。实验结果和在 Matlab / Simulink 图形软件上进行模拟的结果 也作出了比较。II. 阻尼控制从机电一体化的角度来看，两种类型的汽车悬架系统是众所周知的：半主动 和主动悬架系统。与主动悬架系统相比，半主

5、动悬架系统拥有危险性低的故障模 式，不复杂，不易发生机械失效，需用功率也低得多，所以我们的研究只针对半 主动悬架系统作出了分析.我们分析了四种半主动悬架控制工作模式:主动控制:位于簧上质量和簧下质量之间，对基于理想执行器的阻尼水平 进行调整;跳振控制:调整阻尼水平，相当于在汽车和地面间安装了一个减振器;路振控制：调整阻尼水平，相当于在轮胎和地面之间安装了一个减振器； 复合控制：驾驶员可以选择对跳振或路振的控制程度。复合控制兼有跳振控制和路振控制的优点。也就是说，复合控制能够消除被 动减振器固有的妥协，以这种方式将阻尼能转移给车身。复合控制的布置如图1 所示：图 1.1/4 车型的复合控制复合控

6、制的原则是跳振控制和路振控制的线性组合，公式为式中：变量a是跳振控制和路振控制的相对比率；G为增益常数，o sky和o groud分别为阻尼力中跳振和路振的成分，取值如下:本文分析悬架系统的基本原则是线性二次最优控制6。可控悬架系统设计 需要用到性能指标 J 来满足车辆的行驶平顺性与乘坐舒适性质量、操纵稳定性和 工作间隙的要求:式中：Jl、J2和J3分别为轮胎的动态负荷偏差、簧上质量加速度和悬架变形量的方差或均方根；qi、q2和q3为加权系数。由于半主动系统是非线性的，要评定悬架系统的性能，还必须进行时间范畴 的仿真。我们用Matlab/Simulin图形软件制作了一个1/4悬架的数学模型。该

7、 模型包含了非线性轮胎刚度（只考虑所受压力）和可调阻尼系数。为验证仿真模 型的效果，我们把对线性被动悬架系统的分析结果与模拟结果进行了分析和比 较。图2和图3给出了半主动悬架系统的标准性能参数曲线以及主动和被动悬架 系统的相应曲线。标准性能曲线是由仿真模型获得的最低性能参数从PSD曲线图 上截取了一段。作为半主动悬架系统的参考标尺，被动和主动悬架系统用黑色的 虚线表示。图中绘制了四种半主动悬架系统曲线：主动控制或基于类主动控制系统曲线（青绿色实线）跳振控制曲线（红色点划线）路振控制曲线（绿实线）复合控制曲线（蓝色虚线）由此得出结论：汽车乘坐舒适性的提高几乎是完全取决于跳振方面。复合控制的 工作

8、模式显示：增益常数Ghyb较低时，半主动悬架系统曲线逐渐接近跳振系统 曲线（由方程1可知，bSA（hyb取值受跳振影响更大）；增益常数Ghyb较高时， 半主动悬架系统曲线与类主动悬架系统曲线相近；增益常数Ghyb高到一定程度 时，半主动悬架系统曲线则贴近被动悬架系统曲线。令人惊喜的是：与最优被动 悬架系统相比，跳振和复合半主动悬架系统能够将乘坐舒适性提高到 35%。但使 用跳振半主动悬架系统有一个缺点是会使汽车的操纵稳定性降低。除去这一点， 复合控制算法能够通过降低簧上质量加速度而减小车辆轮胎的负荷偏差，从而使 悬架性能参数的选择范围更广。1121 .斗 1.61.022.22.4图2.轮胎动

9、态负荷偏差标准均方根VS簧上质量加速度标准均方根（半主动悬架系统）.54.5E.52.54 3 2 1 悬染变形量标渗均右根簧上质量加邃度赠轴益%：图 4.持续可变半主动件振器示意图LQR控制G路振控制/-主动系统/ ;aciivc system /跳振控制+ * 被动系统/ ikyhncikninrtml弋札巧如主动控制窪尸复合控制艺本文提出的半主动可变减振器简图如图 4 所示。加速度传感器感知簧上质量 和簧下质量的速度传给计算机，计算机可以轻而易举地计算出速度的大小和方 向。我们的控制算法随速度的变化适时调整阻尼系数。为了更精确地得到悬架性 能参数，还需要给车辆安装轮胎压力传感器和簧上质量

10、、簧下质量相对位置传感 器。通过调整加权系数以及线性二次调节器（LQR ）的辅助作用还可以使阻尼系 数缓慢变化。m.刚度控制空气弹簧的可传递性系数低,能够通过改变弹簧内的气体压力很容易就改变负载能力。空气弹簧的刚度是受控变量，这个重要特性可以应用到悬架设计的机 电一体化方法中。此外，空气弹簧还能够自动调平，简单而且成本低廉。当有附加容积加到基本空气弹簧容积上时，弹簧刚度仍可能是受控变量。 空气弹簧的机械特性是建立在流体力学和热力学原理上的，非常复杂。弹簧 动力性能中的频率依赖性尤其复杂。从车辆动力学的角度来说，空气弹簧的有效 频率波段是在020Hz。因此，尽管制造商制造的空气弹簧的频率范围在0

11、-1 Hz，空气弹簧的动力学模型应该适用于020 Hz的频率波段。而且由于没有考 虑管路脉冲特性，广泛使用的传统空气弹簧频率范围都在低频波段。 为了研究需要，我们开发了一种与频率相关的新型空气弹簧动力学模型。图 5 给出了我们的模型和传统模型的差别。图 5. 新型空气弹簧模型与传统模型的差别新的动力学模型（图6）组成有：两个线性弹簧 心和表示空气弹簧的刚 度；一个非线性弹簧代表由于偏移导致的刚度变化；一个质量M，个非线 性的粘滞阻尼减振器也和一个摩擦减振器/斤表示空气室和辅助气室之间的管路 中的气体惯性。模型的理论背景参考1。新模型中各部分的数学表达式如下：其中：小为空气弹簧中的压力，为多变指

12、数主容积的作用面积，J 脉动管路横截面积，为球室容积（主容积），呢为油箱容积（附加容积），妇 为空气流经脉动管路时按平方律衰减的系数。空气弹簧云力力学模型的验证由实验完成.实验结果和 Matlab/Simulink 图形 软件的模拟结果进行比较，可以看出,用计算出来的参数模拟出来的曲线与实际 测量曲线很相近。另一方面，在最大值和最小值之间存在着刚度特性的变化。我们知道，空气弹簧的附加容积会使刚度特性值发生变化。然而，连接两个 容积的脉动管路的设计参数会影响刚度特性的频率相关性。图 7 给出了脉动管路 对应不同阻尼参数的模拟结果。实线表示脉动管路较大的阻尼，虚线则表示脉动 管路阻尼依次降低。刚度

13、与频率正相关，他们之间的相关性使得在空气弹簧的设 计中可以以较低的频率获得低刚度，以高频率得到高刚度。这就能够提高车辆在 接近簧上质量固有频率时的操纵稳定性和行驶平顺性。此外，控制脉动管路的阻 尼特性也可能会调整刚度性能变化曲线（见图 7）刚度2玄图 7. 三中不同设计性能的刚度频率相关性我们提到的刚度控制概念采纳了 3个不同的刚度系数,它们分别是：最大刚度系数（一）：主容积作用产生，在高速行驶时保持车辆最佳性能 标准刚度系数（）：主容积和附加容积VI共同作用产生，在正常行驶时 保持车辆最佳性能。最小刚度系数（c - ）:主容积和另一附加容积V2共同作用产生，保持 车辆良好的行驶平顺性。我们提

14、出的控制器的逻辑判定如表格1所示。根据前面提到过的频率相关特 性，表中（；二）表示：低频时采用刚度系数，高频时则采用刚度 系数参数检测低均方根（易）工作空间充足高均方根（為）工作空间充足工作空间 不足行 驶 类 型低速行驶正常行驶匚canf f 匚护旳高速行驶norinnnrin无路或坏路行驶表 1.刚度控制器逻辑判定W结束语本篇论文粗略地阐述了实施机电一体化方法对车辆动力学的完善。针对机电 一体化悬架系统还提出了持续可变半主动减振器与空气弹簧相结合的方式。与主动悬架系统相比，半主动悬架系统故障模式危险性低，结构简单且不易 发生机械失效，需用功率也低的多。此外，半主动悬架系统在性能上也比主动悬

15、 架系统优越，能够很好地克服系统各性能之间的冲突。我们所设计的带附加容积的空气弹簧具有两个主要优点：车辆调平控制和刚 度控制的可实现性。我们的设计是用脉动管路连接主容积和附加容积。这样，在 附加容积工作的地方，频率波段的调整就成为可能。资料来源：Gavriloski,V., Kolev,E. and Danev, D. Improvement of vehicle vertical dynamic by using an optimal active control. Fourth International Congress of Mechanical Engineering: 89-92, vol. 6, Varna, Bulgaria, 2004.