基于非线性仿生悬架的越野车辆平顺性研究

作     者：戎超仁 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋勇

授予年度：2024年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：越野车 仿生悬架 双菱形 非线性刚度 平顺性 

摘      要：越野车辆大多在非铺装路面上进行运人载物,其平顺性、通过性和操纵稳定性等要求十分苛刻。良好的悬架可有效衰减路面不平产生的振动冲击,确保车辆高速稳定地越野行驶。因此,越野车辆的悬架对其整车性能有着重要影响,其结构设计与性能研究显得十分必要。目前,大多数越野车辆悬架系统的弹簧刚度特性固定或部分可调,难以适应非铺装路面行驶环境,易产生悬架撞击限位块、车身颠簸甚至侧翻等车辆平顺性差的问题。此外,传统线性悬架系统在提高车辆舒适性与操纵稳定性之间存在刚度调节的固有矛盾。因此,针对上述问题,本文提出了一种基于非线性双菱形仿袋鼠腿悬架(下称仿生悬架)的越野车平顺性改进方案,研究了仿生悬架布置方案、弹簧刚度比、车身偏频比对车辆平顺性的影响,对比分析了仿生悬架(被动、主动模式)相对传统悬架的整车平顺性改善效果,以验证所提研究思路和设计方案的正确性与有效性。本文的主要研究工作如下: (1)非线性仿生悬架的越野车辆动力学建模 基于前期研究推导的仿生悬架非线性刚度特性方程,分析了弹簧刚度比对其非线性特性的影响,研究发现随着仿生悬架弹簧刚度比的增大,其非线性刚度特性增强;悬架拉伸时刚度快速增大,压缩时刚度逐渐减小。基于上述悬架的非线性刚度特性,结合越野车辆偏频比及悬架阻尼设计要求,开展了1/4越野车辆仿生悬架参数设计,并在此基础上建立了越野车辆整车动力学方程。 (2)非线性仿生悬架的整车平顺性仿真模型 采用白噪声法创建了越野车单轮路面激励模型,在此基础上考虑车轮间路面激励的相关性,构建出越野车四轮路面激励模型;基于整车动力学方程在Simulink中搭建了含有非线性仿生悬架的整车平顺性仿真模型;设计了仿生悬架PID控制器,建立了基于PID控制的整车平顺性仿真模型。 (3)非线性仿生悬架的整车平顺性研究 设计了基于非线性仿生悬架的三种布置方案,在多种工况下进行整车平顺性仿真分析,并与传统线性悬架的越野车平顺性参数进行对比,从中优选出整车平顺性最佳的布置方案;基于该方案开展仿生悬架弹簧刚度比、前后轴悬架静挠度比对整车平顺性的影响研究;对仿生悬架在PID控制下的整车平顺性进行研究,并与被动模式进行对比分析。研究发现,相对于其他布置方案,前后轴均采用仿生悬架的方案在不同路面等级(C、D、E)、不同车速下的整车平顺性均最优;路面较差时(D、E级),仿生悬架刚度比越大,整车平顺性越好;随着前后轴仿生悬架静挠度比的减小,车身垂向振动与俯仰振动均降低;仿生悬架具有良好的被、主动特性,主动控制可有效降低越野车辆的车身垂向加速度均方根值(相对被动模式下降40%),车辆平顺性明显提高。 上述研究表明,仿生悬架具有丰富的非线性刚度特性,通过采用合适的仿生悬架布置方案、弹簧刚度比、静挠度比可有效改善越野车辆平顺性;主动模式相对被动模式具有更加优异的平顺性。该结果验证了本文研究思路与设计方案的正确性与有效性。