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原文传递空气互联悬架振动特性研究

论文题名：	空气互联悬架振动特性研究
关键词：	汽车空气互联悬架;振动特性;动力学模型;垂向刚度;固有频率
摘要：	汽车工业的快速发展对汽车舒适性提出了更高的需求，但为了保证承载和行驶安全性，当前传统的螺旋弹簧、钢板弹簧悬架很难在提高舒适性方面有所大的突破。与之相比，空气弹簧具有反S非线性刚度、振动传递率低等优点，被广泛应用于汽车悬架、商用车驾驶室悬置和座椅悬置等隔振系统。然而，空气弹簧动力学特性复杂，在大位移激励下呈现非线性弹性特性，在动态激励下其刚度特性还与激励频率、振幅相关。被动互联悬架技术可较好地抑制汽车振动，但目前对空气互联悬架（PIS:Pneumatically interconnected suspension）系统的设计方法研究较少，而对PIS系统振动理论研究几乎为空白。因此，本文将对空气弹簧动力学模型建模方法、汽车PIS系统振动特性开展理论和试验研究，主要研究内容包括：　　（1）提出频变、幅变非线性空气弹簧（空气弹簧-管路-附加气室系统）的动力学模型，由互不影响的压缩空气非线性弹性力单元、气囊橡胶材料的粘弹性力单元及摩擦力单元并联组成，分别模拟空气弹簧预载、频率和振幅相关的动态特性。基于热力学方程推导了压缩空气非线性弹性力模型，基于分数阶导数理论提出气囊橡胶材料的粘弹性力模型，基于统计学理论提出了改进的Berg摩擦模型。设计空气弹簧静、动刚度及随机激励台架试验，基于空气弹簧静、动刚度试验结果，对空气弹簧模型参数进行辨识。通过正弦和随机激励工况下与不同的空气弹簧-管路-附加气室系统力学模型、试验结果对比表明，本章提出的空气弹簧动力学模型计算精度高，且所需模型参数少。　　（2）推导了侧倾平面单气室PIS汽车4自由度半车模型的机械系统动力学方程和空气弹簧的线性微分方程，并考虑气体在管路流动过程中的惯性特性、沿程损失和局部损失影响，基于层流假设推导了气体质量流量的线性微分方程，最终得到机械-气体耦合系统的振动微分方程。在此基础上对单气室PIS汽车的自由振动模态和振动传递特性进行分析，结果表明单气室PIS系统可抑制车身的侧倾振动而不影响其垂直振动特性。进一步研究了管径、管长及气压局部损失比例因子对车身侧倾振动传递率的影响，并通过试验设计（DOE:Design of experiments）方法对单气室PIS系统管路参数进行优化，在随机路面激励工况获得较低的侧倾振动水平和理想的侧倾共振特性而不影响垂直振动，提高了汽车平顺性。　　（3）建立双气室空气悬架四分之一车模型，研究双气室空气悬架的垂向刚度和固有频率特性。基于小位移振动假设推导了侧倾平面双气室PIS汽车4自由度半车模型的机械-气体耦合系统动力学方程，包括机械系统的动力学方程、双气室空气弹簧和管路的线性微分方程。在此基础上对双气室PIS车辆的自由振动模态和振动传递特性进行分析，结果表明双气室PIS系统可降低悬架刚度，并能增加系统阻尼，从而有利于抑制车身的垂直和侧倾振动。进一步研究双气室PIS系统参数对车身的垂直和侧倾振动传递特性的影响。同时研究了双气室PIS系统的垂直和侧倾刚度特性，其非线性垂向刚度特性可有效防止冲击工况下对悬架的“击穿”，而其非线性侧倾刚度特性可有效抑制转弯工况下车身侧倾角过大。　　（4）提炼了工程应用中空气互联悬架系统的开发方法。基于Adams/Car建立侧倾平面双气室PIS汽车的整车多体动力学仿真平台，通过常微分方程在多体软件环境中实现机械-气体的耦合。搭建双气室PIS电动车试验平台进行平顺性随机道路试验，对整车动力学模型平顺性仿真结果进行验证，并通过试验方法研究PIS系统参数对整车振动的影响。经平顺性试验验证后，基于该动力学仿真平台研究侧倾平面双气室PIS系统在稳态回转工况下对整车侧倾特性的影响。结果表明侧倾平面双气室PIS系统可以提高整车的平顺性，且相比于等垂向刚度的螺旋弹簧悬架具有更好的抗侧倾能力。
作者：	祝恒佳
专业：	机械设计及理论
导师：	张云清
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文