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原文传递半主动悬架电动轮汽车的动力学特性与振动控制研究

论文题名：	半主动悬架电动轮汽车的动力学特性与振动控制研究
关键词：	电动轮汽车;轮毂电机;动力学特性;振动控制;半主动悬架
摘要：	作为未来电动汽车的发展方向及关键技术，轮毂电机驱动的电动轮汽车因其具有诸多优势已成为全球汽车工业的研究热点。但目前该类电动汽车的研发尚处于起步阶段，关键技术还没有完全突破，还存在一些不足，主要体现在:轮毂电机的本体设计和电动轮的集成问题、轮毂电机驱动引起车辆平顺性下降和控制策略不成熟等方面。本文着眼于解决电动轮汽车由于轮毂电机驱动而导致的平顺性下降问题，从改善振动传递途径入手，提出一种内置磁流变半主动悬架的多功能电动轮系统。理论上，基于半主动悬架的电动轮汽车是一种复杂的智能机电系统，目前，国内外尚没有相关技术的解密报道，轮毂电机的电磁激励对该类汽车动力学特性的影响尚未引起广泛关注，而半主动悬架的应用主要集中在传统内燃机汽车，而且尚有问题待解决，有关半主动悬架在电动轮汽车上的应用研究则更少。因此，基于轮内半主动悬架，对电动轮汽车的动力学特性和振动控制进行深入研究，不但具有一定的理论研究价值，而且具有广泛的应用前景。具体工作包括以下几方面: 　　(1)回顾和总结了国内外电动轮汽车技术的发展和研究现状，分析了现有电动轮汽车存在的两大主要问题:①非簧载质量增加导致电动轮汽车的垂向振动负效应问题;②轮毂电机的电磁振动导致电动轮汽车平顺性下降问题。为解决上述问题提出了一种集动力、减振、制动和行驶为一体的高效紧凑的多功能电动轮结构方案。根据电动汽车的动力和减振要求，考虑车轮尺寸约束，分别确定了盘式永磁轮毂电机和磁流变减振器的结构方案及尺寸参数，基于Bingham粘塑性模型和粘性流体力学理论建立了混合工作模式下的磁流变减振器数学模型，并对其工作性能进行了仿真分析，最后构建了内置磁流变半主动悬架的多功能电动轮的虚拟样机，为电动轮汽车的动力学分析提供了研究对象的实体模型和参数。　　(2)提出围绕“路面——轮毂电机——汽车——人”新的系统框架对电动轮汽车的平顺性进行分析。对四轮独立驱动电动轮汽车进行适当简化，应用动力学基本理论和状态空间法分别建立了二自由度1/4车和七自由度整车的动力学模型。具体建立了各种路面输入模型;基于电磁场基本理论和磁路法对盘式轮毂电机的电磁转矩和电机切向力进行分析，应用力学原理和数值计算方法得到了轮毂电机的垂向电磁激振力，为后续电动轮汽车的动力学特性分析和振动控制提供了模型基础。　　(3)基于建立的电动轮汽车动力学模型，应用拉氏变换法得到了车身垂向加速度、悬架动挠度和轮胎动位移等平顺性指标相对于路面输入的传递函数，并推导出了三个平顺性指标的均方根值计算式。结合幅频特性和时域响应均方根，全面分析了系统参数的变化对平顺性的影响规律，然后基于扰动法对各平顺性指标相对于各参数变化的灵敏度进行了分析，并找出影响平顺性的主要参数。另外，还研究了轮毂电机电磁振动对平顺性的影响，对“路面+电磁”双重激励下的1/4车和整车平顺性进行了仿真分析，仿真结果表明:轮毂电机电磁力增加了对车辆平顺性的不利影响。以上电动轮汽车动力学特性的研究为电动轮汽车振动控制策略的研究提供了理论依据和指导方向。　　(4)将单一输入规则群（Single Input Rule Modules，简称SIRMs）模糊推理模型应用到电动轮汽车半主动悬架控制策略中。首先对基于SIRMs的1/4电动轮汽车半主动悬架模糊控制算法进行了研究，仿真结果表明:与被动悬架和经典模糊控制策略相比，基于SIRMs的模糊控制策略能更好地控制车辆振动，且算法简便易行;然后把该控制策略推广到整车振动控制，结合四轮独立驱动电动轮汽车的结构特点，对整车振动产生原理进行分析，分别构建了基于经典模糊控制策略的整车模糊控制器和基于SIRMs模糊控制策略的整车双环模糊控制器，并完成了不同工况下的整车振动系统动力学仿真。仿真结果表明:相比于被动悬架和经典模糊整车控制器，基于SIRMs的整车双环模糊控制器能够显著抑制车身振动，在保证行驶安全性的前提下提高行驶平顺性，且能较好地控制车身姿态，综合性能更好，而且该控制策略对行驶工况的适应性更强，算法的鲁棒性更好。
作者：	杨蔚华
专业：	机械设计及理论
导师：	李友荣
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文