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基于非线性仿生悬架的越野车辆平顺性研究

汽车实用技术 2024年第18期49卷 50-55页

作者：戎超仁宋勇李占龙钱江宁胡西安太原科技大学车辆与交通工程学院山西太原030024

针对越野车辆采用传统线性悬架越野行驶时平顺性差的问题,文章提出了一种基于双菱形仿袋鼠腿悬架(下称仿生悬架)的车辆平顺性改善方案,研究了仿生悬架布置方案、弹簧刚度比、车身偏频比对整车平顺性的影响。研究发现:1)仿生悬架具有明... 详细信息

针对越野车辆采用传统线性悬架越野行驶时平顺性差的问题,文章提出了一种基于双菱形仿袋鼠腿悬架(下称仿生悬架)的车辆平顺性改善方案,研究了仿生悬架布置方案、弹簧刚度比、车身偏频比对整车平顺性的影响。研究发现:1)仿生悬架具有明显的非线性刚度特性,随着弹簧刚度比的增大,其非线性刚度特性增强。2)相较于其他布置方案,前后轴均采用仿生悬架的整车平顺性最优。3)路面较差时,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。上述结果表明,采用非线性仿生悬架的越野车辆表现出良好的平顺性,验证了所提仿生悬架研究思路的正确性与有效性。

关键词：越野车仿生悬架平顺性非线性刚度

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非线性商用车仿生悬架等偏频等高度设计

中国机械工程 2023年第1期34卷 84-94页

作者：宋勇陆浩李占龙燕碧娟孟杰连晋毅太原科技大学机械工程学院太原030024

针对商用车悬架基于满载设计存在的变簧载时车辆平顺性差的问题,提出了一种基于双菱形仿袋鼠腿悬架(简称“仿生悬架”)的等偏频等高度设计方案,并对该方案进行研究、分析与评价,以改善商用车的平顺性。通过静力学特性分析,得到了仿生悬... 详细信息

针对商用车悬架基于满载设计存在的变簧载时车辆平顺性差的问题,提出了一种基于双菱形仿袋鼠腿悬架(简称“仿生悬架”)的等偏频等高度设计方案,并对该方案进行研究、分析与评价,以改善商用车的平顺性。通过静力学特性分析,得到了仿生悬架的弹性特性和刚度特性并开展了等偏频等高度设计研究。研究发现:仿生悬架具有较理想的非线性弹性特性和刚度特性,相比线性悬架,具有更多的动容量和更强的抗击穿能力;悬架的初始角度和刚度比对其特性和行程区间有重要影响;通过调节仿生悬架初始角度可实现不同簧载质量悬架的等偏频等高度设计,表明所提设计方案可行。仿真分析结果表明,在不同路面等级(B、C、D)、不同车速(40~100 km/h)下,商用车经仿生悬架等偏频等高度设计后,车身加速度均方根值较设计前明显减小,平顺性得到有效改善。搭建了仿生悬架实验测试模型,在不同路面条件下,等偏频等高度设计后,空载和半载垂向加速度均方根值较设计前分别减小20.6%~28.3%和12.1%~20.4%,验证了等偏频等高度设计方案的正确性和有效性。

关键词：商用车辆仿生悬架静力学分析等偏频等高度

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重载工程车辆仿生悬架研究

重载工程车辆仿生悬架研究

作者：白雪峰吉林大学

学位级别：硕士

重载工程车辆通常行驶在条件较差的路面或崎岖颠簸的山路,路面情况变化多,具有不确定性和恶劣性,因此对于工程车辆的行驶稳定性、平顺性和通过性往往有着非常高的要求。基于这样的前提,设计一种可实时根据路况自适应调节阻尼特性和刚度... 详细信息

重载工程车辆通常行驶在条件较差的路面或崎岖颠簸的山路,路面情况变化多,具有不确定性和恶劣性,因此对于工程车辆的行驶稳定性、平顺性和通过性往往有着非常高的要求。基于这样的前提,设计一种可实时根据路况自适应调节阻尼特性和刚度特性的仿生悬架,以保证工程车辆处于最佳的减振状态,对于重载工程车辆有着重要的意义。以功能仿生学作为理论基础,通过分析马在奔跑时其腿部结构的变化和适应能力,将其腿部的结构组织分为阻尼调节和刚度调节两部分,分析其力学特性及减振作用,为后续的液压仿真部分提供合理的依据。在仿生悬架系统里加入调速阀和蓄能器,作为液压系统中相对应的阻尼调节和刚度调节的元件,以此作为悬架系统自适应调节的主要原理,加入液压缸、溢流阀、单向阀等液压元件,结合功能仿生的原理,形成本文的仿生悬架系统的设计方案,并在AMESim液压软件中建立1/4悬架模型。经过方案合理性的验证,对悬架方案进行针对性地改进和调试,通过AMESim液压软件仿真试验,得出悬架系统的阻尼特性和刚度特性曲线,确定其特性曲线和减振曲线均符合车辆悬架所需的减振性能。并研究节流阀阀孔直径和蓄能器预充气压力两个主要参数变量以及部分仿生悬架系统元件的其他参数对阻尼和刚度特性的影响规律;建立车高调节的功能模型,确保在不同的行驶条件下,车身高度可以通过仿生悬架系统实现调节。通过Matlab/Simulink建立D级和E级随机路面谱激励,对阻尼调节提出天棚阻尼控制,建立相应的控制方法,以车身纵向加速度和纵向加速度均方根值作为减振性能的评价指标,对比加入控制后的仿生悬架系统与未加入控制的被动悬架系统的减振性能及功率稳定性。基于Kriging模型建立近似响应面,采用拉丁超立方抽样法选取30组样本点,通过粒子群优化方法,得到最小纵向加速度均方根值响应,通过Matlab优化程序得出取值范围内的最优解,从而得到不同路况和行驶速度下不同参数的最优取值,对悬架系统的主要参数进行优化。通过仿生理论的分析与对比,仿真试验的验证,可得到该方案的阻尼特性、刚度特性和减振性能,得到最优解,为本课题的深入研究提供了理论基础与支持。本文的设计为重载工程车辆的悬架系统提出一种新的方案和思路,在经过完善后可应用于实际工程车辆,减小悬架系统布置空间,提高实时减振性能。

关键词：仿生悬架主动控制工程车辆参数优化减振性能

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PAM仿生悬架机构特性的研究

PAM仿生悬架机构特性的研究

作者：刘志成太原科技大学

学位级别：硕士

履带式工程车辆的工况基本上为一些非路面的环境中。在行驶或作业的过程中，由于路面的高不平度而产生很剧烈的振动。如果司机或车上工作人员经常处于一定强度的振动的工作状态下，久而久之很可能出现脊椎骨骼变形和肠胃不适等职业性疾... 详细信息

履带式工程车辆的工况基本上为一些非路面的环境中。在行驶或作业的过程中，由于路面的高不平度而产生很剧烈的振动。如果司机或车上工作人员经常处于一定强度的振动的工作状态下，久而久之很可能出现脊椎骨骼变形和肠胃不适等职业性疾病，严重损害工作人员的身心健康，同时也会引起工作效率的大幅降低。因此整车的减振性能对提高驾驶员作业舒适性和稳定性有直接影响。目前，履带式工程车辆悬架普遍采用的是由一些简单的弹性元件和减振器组成的被动减振系统。这种系统无法随路面激励的改变而产生而相应的变化，因此减振性能难以在变化的路面—非路面工况下达到最优。基于克服被动悬架减振缺陷的原因，出现了主动减振悬架。主动减振系统能够根据不同的工作的路面环境，进行相应的调整并产生悬架所需的控制力，以抑制悬架及车身的振动，使整车处于最优减振状态，从而达到改善履带式工程车辆在非路面环境的工况下的驾驶与操作舒适性的目的。上世纪60年代仿生学的兴起，使得人类的科技发展出现了新的思路。生存于自然界中善于奔跑跳跃的物种，均具有良好的缓冲减振功能，研究表明这些动物实现缓冲减振的关键在于骨骼肌肉组织，其骨骼肌肉组织可以随外界载荷的强度、振频作自适应调整，从而达到主动减振效果。针对这些生物肌肉优良的减振特性，人们发明了仿生肌肉材料气动人工肌肉。气动人工肌肉（PneumaticArtificial Muscle，以下缩写为PAM，本文特指DMSP型PAM）是一种新型仿生气动执行机构，是一种单向主动力输出机构。与其它主动执行机构相比，PAM具有输出力/自重比大;结构简单;良好的动态特性等特点。本文以PAM为履带式车辆悬架的主动缓冲执行器，搭建主动减振悬架系统，并对其减振特性进行了分析。由于PAM自身具有较强的非线性，传统的控制方法很难达到控制要求，本文采用了RBF神经网络PID控制和模糊PID两种智能控制策略。PID控制具有算法简单、鲁棒性及可靠性高等特点;在工业控制过程中，PID的Kp、Ki、Kd等参数选取的合适接影响PID控制器的性能，由于现代的工业控制过程十分复杂，传统PID控制器参数整定方法控制效果不够理想。RBF神经网络是一种具有强的局部逼近能力，能以任意精度逼近任意非线性函数的三层前馈神经网络。本文利用RBF神经网络对PID控制参数进行在线自整定，构造一个具有参数自整定能力、稳定的PID控制器;模糊控制有对系统参数的变化不敏感、可以不依靠精确的数学模型等优点。模糊PID控制是将PID参数整定的经验总结成模糊控制规则，根据系统输入在线调整PID控制器参数，进一步完善PID控制的性能，具有更加稳定可靠的控制效果。本课题采用上述RBF神经网络PID和模糊PID两种控制方法，以履带式车辆悬架对应的车身的垂直方向的加速度、位移的最大值、最小值、标准差三项指标进行对比分析作为评价指标，建立了四自由度主动悬架的数学模型，在Matlab/Simulink的仿真环境中，以不同车速、不同路面等级路况作为系统输入，进行了仿真。仿真结果表明，两种控制策略下，减振效果明显。本课题可以为履带式车辆仿生缓冲减振型悬架的实验研究以及产品开发提供理论基础和数值参考。

关键词：工程车辆仿生悬架减振气动人工肌肉智能控制

基于并联机构的足式机器人仿生悬架的设计与分析

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基于并联机构的足式机器人仿生悬架的设计与分析

作者：程爽北京交通大学

学位级别：硕士

随着机器人技术的不断发展,传统的移动平台需要面对更高的环境适应性要求。足式机器人相比于轮式和履带式机器人,由于其可以通过改变腿部支撑位置,具有较好的灵活性。足式机器人的机械腿在奔跑和跳跃落地时,腿部受到的冲击与振动会影响... 详细信息

随着机器人技术的不断发展,传统的移动平台需要面对更高的环境适应性要求。足式机器人相比于轮式和履带式机器人,由于其可以通过改变腿部支撑位置,具有较好的灵活性。足式机器人的机械腿在奔跑和跳跃落地时,腿部受到的冲击与振动会影响其动态性能和寿命。对足式动物腿部研究发现,动物的腿部具有多种柔性组织共同作用构成多回环结构,与骨骼等构成了良好的减振缓冲系统。因此,本文针对已有的足式机器人的隔振需求,开展仿生悬架的设计与研究,完成的主要工作和结论如下。(1)通过分析“铁马”机器人在六个维度上的振动情况,确定其隔振需求;通过对动物腿部减振结构和缓冲机理的分析,借鉴动物腿部多回环闭链结构,确定以3-UPS/UP并联机构作为仿生悬架的主体机构,并确定了上、下平台布置形式、支链布置形式和运动副替换方式。(2)采用支链约束法和拉格朗日方法进行仿生悬架的运动学和动力学分析,以工作空间、灵巧度、静刚度为目标,采用遗传算法进行了仿生悬架基本尺寸的优化设计。(3)通过研究基于常规弹簧阻尼模块的仿生悬架的承载能力,确定了负载下弹簧阻尼模块所需的最小刚度,结合仿生悬架的隔振效果评价指标,通过优化的方法确定了弹簧阻尼模块的刚度和阻尼系数,并通过仿真验证了所设计的仿生悬架能够满足承载要求,在满负载情况下,能够隔离来自三个方向90%以上的振动。(4)通过类比肌肉运动机理和模仿肌肉组织的刚柔耦合特点,分别设计了可变刚度的复合弹簧减振单元和柔性减振单元,以负载下最优刚度为目标,确定了这两种减振单元的参数;进而,建立了基于上述两种减振单元的复合弹簧仿生悬架和柔性仿生悬架的仿真模型,并设计制作了其原理样机,从仿真和实验两方面验证了两种仿生悬架的隔振效果。

关键词：足式机器人多维隔振并联机构仿生悬架减振单元