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地面无人平台高机动性组合型悬架控制研究

地面无人平台高机动性组合型悬架控制研究

作者：赵紫誉吉林大学

学位级别：硕士

近些年无人平台开始大范围应用于国防及社会现代化建设,无人平台的工作场景也变得多元化,不仅在结构化道路上具有良好的行驶性能,而且也能在非结构化复杂地域发挥高机动性和高通过性。无人平台优异性能的实现离不开先进的悬架结构和有... 详细信息

近些年无人平台开始大范围应用于国防及社会现代化建设,无人平台的工作场景也变得多元化,不仅在结构化道路上具有良好的行驶性能,而且也能在非结构化复杂地域发挥高机动性和高通过性。无人平台优异性能的实现离不开先进的悬架结构和有效的悬架控制算法。本文结合某无人平台研发项目,针对一种高机动性组合型悬架系统进行研究,这种悬架系统尚未有公开的模型和控制方法。本文从无人平台行驶在小高程差路面上的平顺性和行驶在大高程差路面上的机动性角度出发,建立高机动性组合型悬架模型,确定高机动性组合型悬架系统的控制方法,并进行仿真分析验证此控制方法的有效性。本文的主要研究内容如下:第一,无人平台高机动性组合型悬架系统动力学建模研究。建立了组合型悬架中的短行程和长行程悬架的动力学模型。研究并构建了油气弹簧的数学模型,得到了油气弹簧的刚度特性和阻尼特性曲线。同时确定从平顺性和机动性两个方面对组合型悬架系统进行性能评价并提出了评价指标,用于后续的仿真分析和控制算法的验证。第二,面向小高程差路面的无人平台平顺性控制研究。研究了线性二次型最优控制(LQR)算法和遗传算法,考虑到二次型性能泛函的加权系数选择问题,本文利用遗传算法对加权系数进行优化,从而降低加权系数取值的复杂度,并设计了基于遗传算法的LQR控制器。同时建立了C级路面随机输入模型,将四分之一车辆模型作为控制对象验证了此算法可以有效提升无人平台的行驶平顺性。第三,面向大高程差路面的无人平台姿态控制研究。无人平台在行驶过程中表征车身姿态的垂直方向位移、俯仰角和侧倾角是相互耦合的,所以首先针对无人平台姿态控制进行解耦。其次设计了上层姿态控制模糊PID控制器,与解耦模块共同作用求解得到四个长行程悬架的作动器期望作动力。下层根据作动器工作原理设计了滑模控制器保证期望作动力的有效跟踪。在保证车身姿态稳定的前提下提升无人平台在大高程差路面上行驶的平均车速进而提升行驶机动性。第四,对无人平台在小高程差路面行驶的平顺性和大高程差路面行驶的机动性进行仿真分析。首先建立整车动力学模型,选取C级路面作为典型的小高程差路面,选取D级以上路面作为典型的大高程差路面,分别建立四轮路面不平度输入、单侧凸起路面输入和交叉轴路面输入的仿真模型。仿真分析分为平顺性和机动性两个方面,分别面向的是小高程差路面和大高程差路面,进一步说明无论在小高程差路面上的行驶平顺性还是大高程差路面上的行驶机动性,控制算法均具有较好效果。本文将一种新型构型悬架作为研究对象,构建了其动力学模型,提出了评价该种悬架性能的评价指标,并选择了控制方法,通过仿真分析验证了控制方法的有效性,为地面无人平台的新型悬架应用及控制研究提供了一种新的思路。

关键词：地面无人平台高机动性悬架线性二次型最优控制模糊PID

含圆弧形缓冲结构的仿袋鼠腿悬架动力学建模与特性研究

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含圆弧形缓冲结构的仿袋鼠腿悬架动力学建模与特性研究

作者：刘林鑫太原科技大学

学位级别：硕士

悬架是现代汽车的重要总成,它弹性地连接车身(车架)和车轴(车轮)并传递两者间的一切力和力矩,缓和路面产生的振动与冲击,以确保车辆具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。因此,车辆的品质在一定程度上取决于悬架的结构和性能。随着车辆的... 详细信息

悬架是现代汽车的重要总成,它弹性地连接车身(车架)和车轴(车轮)并传递两者间的一切力和力矩,缓和路面产生的振动与冲击,以确保车辆具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。因此,车辆的品质在一定程度上取决于悬架的结构和性能。随着车辆的广泛使用以及人们对车辆舒适性、安全性等要求的日益苛刻,设计与研究一种舒适、安全的新型悬架已成为当前高品质车辆研发的重要课题。研究发现,生活在澳大利亚复杂地形中的袋鼠具有运动速度快、运动稳健等优良自适应能力和缓冲减振特性。故本文从仿生学角度出发,通过对袋鼠腿的结构和运动特性分析,提出一种双弧形缓冲结构并布置于三个仿生关节处,构建出一种含圆弧形缓冲结构的仿袋鼠腿悬架(下简称仿生悬架)。为探讨所提仿生悬架行为特性,本文开展了以下研究工作。1.采用拉格朗日方程法推导4个相对水平方向关节转角的仿生悬架动力学方程,结果发现悬架的关节角度、角速度、角加速度参数间存在着较强的非线性耦合关系,动力学方程难以解析求解。故引入谐波平衡法(HBM),将方程无量纲化,以一阶谐波解的形式对方程进行近似,通过三角函数约化,以一阶谐波系数对应相等,最终求解出关节角度对应的近似解表达式,并采用牛顿-拉夫森(Newton-Raphson)迭代得到系统的位移传递率。2.结合某车型参数和袋鼠腿结构确定出仿生悬架的设计参数,引入亚元结构实现圆弧形缓冲结构的实体建模与运动学仿真,并在此基础上建立仿生悬架的ADAMS动力学仿真模型。3.基于仿生悬架的仿真模型,开展了不同路面激励下仿生悬架的时、频域响应特性研究,并与理论位移传递率结果进行了对比。此外,还探究了仿生关节阻尼系数和簧载质量对悬架输出特性的影响。研究发现:(1)随机路面下,车身加速度传递率(10.7%～2%)呈下降趋势且相对增长率降低,轮胎动位移传递率(8.6%～10.6%)增加,但变化平稳,表明仿生悬架具有良好的路面适应性、高速舒适性和稳定性;(2)冲击路面下,仿生悬架表现出良好的抗冲击性能;(3)仿生悬架系统的共振频率在2Hz和14Hz附近(避开了人体敏感频率区间,4～8Hz)且峰值较小,表现出良好的频响特性;(4)仿生悬架位移传递率的仿真结果与理论求解结果具有较好的一致性,表明理论求解方法正确可行;(5)仿生悬架的一阶共振频率及共振峰值可通过阻尼系数和簧载质量等参数实现调节设计。综上,本文所提的仿生悬架表现出良好的时、频域响应特性,验证了所提仿生设计思路和方法的正确性和有效性;本文的研究结果可为仿生缓冲减振装置的研发提供参考。

关键词：悬架圆弧形缓冲结构谐波平衡法特性研究动力学

面向车辆操纵稳定性与平顺性的悬架及转向系结构分析与优化

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面向车辆操纵稳定性与平顺性的悬架及转向系结构分析与优化

作者：戚小平昆明理工大学

学位级别：硕士

本文通过理论结合仿真,在同时考虑车辆操稳性与平顺性的基础上,对悬架与转向系统进行分析与优化。通过理论分析,阐述悬架与转向系统对车辆动力学性能的影响。通过多体动力学软件建立车辆仿真模型,仿真分析悬架及转向系结构参数对车辆典... 详细信息

本文通过理论结合仿真,在同时考虑车辆操稳性与平顺性的基础上,对悬架与转向系统进行分析与优化。通过理论分析,阐述悬架与转向系统对车辆动力学性能的影响。通过多体动力学软件建立车辆仿真模型,仿真分析悬架及转向系结构参数对车辆典型工况下性能的影响。在此基础上,将分析变量作为优化变量,各评价指标作为优化目标,开展确定性与稳健性优化,最终实现提高车辆操纵稳定性与行驶平顺性的目的。首先,介绍车辆横向动力学与垂向动力学理论,对转向系运动学与综合刚度进行分析,通过参数模型,阐述悬架及转向系统与整车动力学特性的联系。其次,开展仿真研究,分析悬架及转向系结构对车辆操稳性与平顺性的影响。使用Adams/Car多体动力学软件建立车辆仿真模型,将定半径稳态回转、方向盘正弦扫频作为典型的操纵稳定性工况,将随机与脉冲路面平顺性工况作为典型的行驶平顺性工况。在关于转向系结构参数的仿真研究中,分析万向传动装置中的初始角与相位角对转向系运动学的影响。除此之外,分析初始角、相位角以及扭杆刚度对车辆操稳性的影响。在关于悬架结构参数的仿真研究中,将悬架衬套刚度、弹簧刚度、减震器阻尼纳入考虑,开展灵敏度分析,得到悬架参数对典型工况下的车辆性能客观评价指标的灵敏度指数,并选择灵敏度指数大于10%的参数进行仿真分析。仿真研究表明:转向系万向传动装置中的初始角与相位角对转向系运动学特性有着重要的影响,初始角主要影响转向系传动比的对称性,相位角主要影响转向传动比的波动程度。将初始角与相位角从0°变化到360°,车辆在典型操纵稳定性工况下的性能客观评价指标随着初始角与相位角呈现出180°的变化趋势。转向系扭杆刚度对各评价指标具有明显的影响,并且对各个指标的影响趋势具有差异。悬架参数对车辆在典型操纵稳定性与行驶平顺性工况下的评价指标均具有一定的影响,并且同一结构参数对不同指标的影响灵敏度指数不同。最后,建立RBF神经网络模型对优化变量与优化目标间的映射关系进行拟合,在此基础上,面向车辆操稳性与平顺性,对悬架及转向系关键结构开展确定性与稳健性优化研究。在确定性优化中,将各工况评价指标作为优化目标,在稳健性优化中,将各评价指标的均值和标准差作为优化目标,并采用NSGA-II智能算法对优化模型求解,最终得出Pareto前沿。优化结果表明:RBF代理模型能够有效的用于悬架及转向系结构的优化。就目标函数数值大小而言,确定性优化得到的设计方案优于稳健性优化得到的,就目标函数稳健性而言,稳健性优化得到的设计方案要好于确定性优化得到的。

关键词：操纵稳定性行驶平顺性转向系悬架多目标优化

面向直线匀速和紧急制动工况下电控空气悬架控制研究

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面向直线匀速和紧急制动工况下电控空气悬架控制研究

作者：李开通江苏科技大学

学位级别：硕士

电控空气悬架（Electronically Controlled Air Suspension,ECAS）能根据车辆行驶工况自适应地调节刚度和阻尼,以提升车辆行驶的平顺性和操纵稳定性。防抱死制动系统（Antilock Brake System,ABS）能最大程度地降低车辆制动距离。悬架... 详细信息

电控空气悬架（Electronically Controlled Air Suspension,ECAS）能根据车辆行驶工况自适应地调节刚度和阻尼,以提升车辆行驶的平顺性和操纵稳定性。防抱死制动系统（Antilock Brake System,ABS）能最大程度地降低车辆制动距离。悬架系统和防抱死制动系统都是车辆底盘的重要组成部分,将这两个子系统进行集中控制可以在充分发挥电控空气悬架优势的同时还能进一步降低制动距离。在构建悬架和制动系统Simulink动力学仿真模型的基础上,对车辆直线匀速行驶工况和紧急制动工况进行控制和研究,具体研究内容为:（1）分析空气弹簧特性,根据热力学定律建立带附加气室的空气弹簧数学模型。根据牛顿第二定律建立悬架1/4和1/2动力学数学模型以及路面模型,之后根据数学模型搭建仿真模型。针对不同的路面,根据魔术公式计算出车辆在不同滑移率下所对应的纵向附着系数,为后续车辆进行防抱死紧急制动提供基础,获取车辆对应的减速度。（2）为了提高1/4车辆悬架平顺性,使用了二次型最优控制器（Linear Quadratic Regulator,LQR）。为了避免设置车辆垂直加速度、轮胎动载荷、悬架动挠度权重参数经验不足的问题,使用粒子群算法代替人工选择权重参数。然而粒子群算法在寻优过程中容易陷入局部最优,不能充分发挥群类算法的优势,因此引入了模拟退火算法来提高粒子群的全局寻优能力。同时LQR控制器计算得到的状态变量前的系数（具备实际物理含义）,可作为优化后的刚度和阻尼为第四章半车悬架参数作铺垫。最后仿真结果显示:改进粒子群算法优化LQR控制器权重参数后,相比较被动悬架车身垂直加速度降低了31.37%,悬架动挠度降低了10.57%,轮胎动载荷降低了0.28%。（3）为了提高车辆行驶的安全性,需要车辆在紧急制动的工况下,具有较小的制动距离和车身俯仰角,然而将悬架系统和制动系统进行单独控制并不能取得良好的效果。为此,提出了一种集成控制方法,即在建立两个子系统控制器基础上,再单独建立一个控制器来解决两个系统耦合的车轮载荷分布问题。首先建立制动系统和悬架系统整体Simulink仿真模型,然后分析制动系统和悬架系统之间耦合关键因素:车轮垂直载荷分布。悬架在紧急制动工况下,利用PID控制制动力矩大小,使车辆滑移率维持在20%左右。同时建立前后悬架刚度和阻尼的模糊控制器,最后再建立集成控制器使前悬架控制力和制动力矩变化趋势保持一致。仿真结果显示:制动距离从40.07m降低至32.18m;俯仰角性能提升了40.74%。（4）为了进一步验证控制策略的准确性和有效性,利用Car Sim与Simulink软件进行联合仿真研究,进行集成控制下紧急制动的联合仿真。最后对两种仿真结果进行分析比较,得出搭建模型准确,控制器的效果基本一致的结论。

关键词：悬架 ABS系统 LQR 粒子群算法模糊控制集成控制

基于虚拟样机技术的FSEC赛车悬架的操纵稳定性优化

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基于虚拟样机技术的FSEC赛车悬架的操纵稳定性优化

作者：张汉宇扬州大学

学位级别：硕士

操纵稳定性是汽车安全行驶的重要指标之一。对FSEC赛车而言,良好的操纵稳定性不仅是取得优异成绩的基础,也是高速安全行驶的保证。悬架作为赛车的重要总成系统,对操纵稳定性有着举足轻重的影响。因此对FSEC赛车悬架进行设计与优化是十... 详细信息

操纵稳定性是汽车安全行驶的重要指标之一。对FSEC赛车而言,良好的操纵稳定性不仅是取得优异成绩的基础,也是高速安全行驶的保证。悬架作为赛车的重要总成系统,对操纵稳定性有着举足轻重的影响。因此对FSEC赛车悬架进行设计与优化是十分必要。本文的主要工作如下:（1）根据FSEC赛车的特殊性确定悬架类型,基于整车技术参数分别对赛车前后悬架的导向机构、弹性元件参数和减振器进行设计计算,并对减振器进行台架实验,测定各个挡位的阻力速度特性,选取适配的阻尼挡位。（2）基于赛车设计数据和实验所测数据,利用虚拟样机技术,对赛车整车进行建模仿真。建立前悬架、防倾杆、后悬架、转向、轮胎、制动、车身和动力总成等八个子系统模型,进行仿真分析,得到各子系统技术参数。（3）构建前悬挂系统动力学模型,进行静态加载仿真计算,并根据计算结果调整模型参数;对前悬挂系统进行双轮同向激振试验模拟,选定车轮前束角、车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角作为优化目标,利用ADAMS/Insight进行迭代计算。在分析初选优化变量的灵敏度后,选取上控制臂前点和后点Z坐标、下控制臂前点和后点Z坐标以及转向横拉杆内点Z坐标作为最终优化变量,并使用加权平方和法进行优化。最后根据优化结果重新进行双轮同向激振仿真,将优化前后的优化目标进行对比分析。结果表明车轮前束角、车轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角变化幅度降幅分别为75.59%、56.83%、13.66%和61.73%。（4）按照《GB/T6323-2014》,对优化后的FSEC赛车整车进行转向回正、稳态回转、蛇形驾驶和转向盘角阶跃仿真试验;按照《QC/T480-1999》对试验进行单项评价指标和综合评价计分,并对优化后赛车整车的操纵稳定性试验仿真进行总评分。转向回正试验、稳态回转试验、蛇形驾驶试验、转向盘角阶跃试验的评分和操纵稳定性试验仿真总评分分别为94.786分、92.011分、86.677分、86.400分和89.969分。本文的有关研究方法和分析结论,已在某型电动方程式赛车制作上得到有效应用,也可为类似的FSEC赛车试制提供有益参考。

关键词： FSEC赛车悬架操纵稳定性动力学模拟优化

面向药液晃动的喷杆喷雾机底盘悬架参数优化设计

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面向药液晃动的喷杆喷雾机底盘悬架参数优化设计

作者：路力权西北农林科技大学

学位级别：硕士

高地隙喷杆喷雾机药罐内液体晃动是降低其行驶平顺性与喷药质量的重要因素。本文将对喷雾机整机行驶性能具有重要影响的底盘悬架作为研究对象,综合运用振动理论、液体晃动及非线性系统动力学的前沿理论和技术成果,分析药罐液体晃动运动... 详细信息

高地隙喷杆喷雾机药罐内液体晃动是降低其行驶平顺性与喷药质量的重要因素。本文将对喷雾机整机行驶性能具有重要影响的底盘悬架作为研究对象,综合运用振动理论、液体晃动及非线性系统动力学的前沿理论和技术成果,分析药罐液体晃动运动特性及其与质量时变因素对整车稳定性产生的影响,在此基础上对底盘悬架系统刚度、阻尼参数进行优化设计,以提高喷雾机行驶平顺性,进而提升喷药质量。本文研究主要内容与结论如下:(1)运用等效力学模型法分析喷雾机药罐内液体晃动动力学特性。建立弹簧—质量—阻尼等效力学模型,采用数值解析与Fluent仿真联合求解模型关键参数,通过模拟液体晃动台架实验,证明了所建等效模型的有效性。(2)建立综合液体晃动因素的喷雾机横向及纵向半车四自由度垂向动力学模型,应用Matlab/Simulink仿真分析考虑和不考虑液体晃动的整机平顺性响应特性。仿真结果表明,罐内液体受迫晃动冲击作用显著降低了车辆行驶时的整机垂向加速度、侧倾角速度以及俯仰角速度且当充液比为0.8时,整车俯仰角速度最大,而当充液比为0.6时,整车的侧倾角速度达到最大值。(3)基于遗传算法与Simulink动力学仿真进行喷雾机底盘悬架参数多目标优化,得到喷雾机转场运输与喷药作业时不同充液条件下的悬架最优参数矩阵。在最优参数条件下进行喷雾机整机Matlab/Simulink平顺性仿真分析。分析结果表明,车身垂向加速度、侧倾角速度、俯仰角速度及车轮动载荷的最大优化效果分别可达27.5%、16.4%、25.8%以及17.6%。(4)搭建小型高地隙喷杆喷雾机试验平台,开展喷雾机实车试验。根据喷雾机转场运输与喷药作业的行驶路面不同(田间路面与非田间路面)以及悬架参数优化前后的不同(初始参数与优化参数)进行4组重复试验。试验结果表明:在悬架系统减振作用下,喷雾机簧载质量垂向加速度值远小于非簧载质量加速度,两种路面下,悬架参数的调整分别使其车身垂向加速度降低了10.23%与15.97%,车身侧倾/俯仰角速度均降低10%以上。通过本文研究,为我国高地隙喷杆喷雾机底盘悬架的设计、分析与优化提供数据基础与理论支撑。

关键词：高地隙喷雾机液体晃动悬架参数优化动力学仿真田间试验

悬架橡胶件对汽车平顺性影响的仿真与实验研究

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汽车工程 2013年第3期35卷 238-242,248页

作者：张立军陈双李刚辽宁工业大学汽车与交通工程学院锦州121001 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130025

将橡胶件的Kelvin-Voigt模型与整车模型相结合,应用虚拟坐标法建立了整车8自由度振动模型,从频域和时域分析了橡胶连接件的刚度和阻尼对座椅与车身振动加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷的影响。结果表明:与未考虑橡胶件的影响相比,计及... 详细信息

将橡胶件的Kelvin-Voigt模型与整车模型相结合,应用虚拟坐标法建立了整车8自由度振动模型,从频域和时域分析了橡胶连接件的刚度和阻尼对座椅与车身振动加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷的影响。结果表明:与未考虑橡胶件的影响相比,计及橡胶件的弹性,即适当选择橡胶连接件刚度时,仿真结果更接近试验实测数据,可使座椅与车身的垂向加速度、车身俯仰角加速度和轮胎动载荷减少15%～40%;橡胶件的阻尼对平顺性影响较小。

关键词：悬架橡胶件平顺性虚拟坐标法

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悬架轴对称橡胶衬套径向变形解析计算及试验

中国科学：技术科学 2017年第2期47卷 128-136页

作者：赵雷雷周长城于曰伟杨福兴山东理工大学交通与车辆工程学院淄博255049 北京邮电大学自动化学院北京100876

为了便于快速、有效地对汽车悬架橡胶衬套进行初始设计、选型及刚度匹配等,基于对试验测得的轴对称橡胶衬套径向变形曲线的分析,利用弹性力学理论,通过在橡胶衬套两端施加正、负虚拟约束应力,对橡胶衬套静态径向变形进行研究,建立了轴... 详细信息

为了便于快速、有效地对汽车悬架橡胶衬套进行初始设计、选型及刚度匹配等,基于对试验测得的轴对称橡胶衬套径向变形曲线的分析,利用弹性力学理论,通过在橡胶衬套两端施加正、负虚拟约束应力,对橡胶衬套静态径向变形进行研究,建立了轴对称橡胶衬套在静态径向集中作用力下的径向变形解析式.通过实例,对静态径向集中作用力下的橡胶衬套径向变形进行了解析计算,并与ANSYS软件仿真结果及试验结果进行了对比分析,可知在小变形范围内解析计算值与仿真值及试验值相吻合,表明所建立的轴对称橡胶衬套径向变形解析式在衬套小变形范围内是可靠的.

关键词：悬架橡胶衬套径向变形虚拟约束应力解析计算

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悬架参数对行驶平顺性和道路友好性的影响

哈尔滨工业大学学报 2004年第2期36卷 191-194页

作者：徐斌王国栋曹立文哈尔滨工业大学汽车工程学院山东威海264209

为探讨悬架系统对乘员舒适性及车辆造成道路破坏程度的影响规律,建立了能反映四轮随机输入下车辆振动状况的十自由度三维空间模型,根据行驶平顺性和道路友好性各自评价指标进行了数值仿真,分析了悬架刚度、阻尼值对平顺性和道路友好性... 详细信息

为探讨悬架系统对乘员舒适性及车辆造成道路破坏程度的影响规律,建立了能反映四轮随机输入下车辆振动状况的十自由度三维空间模型,根据行驶平顺性和道路友好性各自评价指标进行了数值仿真,分析了悬架刚度、阻尼值对平顺性和道路友好性的影响,并在现有悬架参数基础上提出了改善二者的合理性建议:应稍减小后悬架刚度,减小前悬架阻尼至最佳阻尼值,适当增加后悬架阻尼值。

关键词：悬架行驶平顺性道路友好性汽车