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原文传递基于动刚度调节和稳定性提升的垂向阻尼力控制研究

论文题名：	基于动刚度调节和稳定性提升的垂向阻尼力控制研究
关键词：	汽车悬架系统;垂向阻尼力控制;动刚度调节;稳定性
摘要：	当前时代，国民的素质与知识储备量随着信息化程度的提升而显著增加，汽车理性化消费特征也日益显著，汽车消费者对于汽车舒适性、稳定性以及安全性有着更加清晰的认识与更加普遍的向往。悬架系统是车辆中最重要的系统之一，它与整车车身隔振及各向分力的传导相关，直接影响着汽车的舒适性与稳定性，但悬架总成的潜力往往被限定在垂向动力学控制的领域中。在整车普遍配备了稳定性控制系统的今天，汽车的安全性能似乎已经达到了一个极限，如何进一步扩展汽车的动力学控制潜力是每一位研发人员的目标与梦想。对于悬架总成来说，可以通过各向动力学的耦合作用效应，充分利用垂向动力学特性和动刚度调节控制潜力，达到整车稳定性及安全性进一步提升的效果。　　本论文的目标是发挥垂向动力学特性和动刚度调节控制潜力，通过动刚度的实时控制调节作用，对已具备电子稳定性等控制系统的车辆进行垂向阻尼力控制，达到进一步改善汽车行驶平顺性，提升侧翻安全性以及车辆操纵稳定性的目的。通过仿真结果和实车试验数据分析的手段验证基于动刚度调节的垂向阻尼力控制理论的正确性和实践可行性，对整车动力学性能提升奠定了一定的理论和试验基础，扩展了汽车的动力学控制潜力。主要研究工作分为以下几个部分：　　一、建立了整车及连续阻尼控制减振器模型。将15自由度车辆模型通过动力学公式来进行表达，并使用MATLAB/Simulink软件作为仿真模拟平台建立整车和关键总成的动力学模型。开展对连续阻尼控制减振器工作原理的研究，通过减振器台架试验所得的减振器性能参数，构建基于径向基函数神经网络精确的减振器正向和逆向模型，并验证了基于径向基函数神经网络的连续阻尼减振器模型预测效果，其精度可以满足整体车辆模型的基本构架。　　二、开展了基于动刚度调节的汽车稳定性控制理论研究。创新性地从动刚度的角度研究了连续阻尼控制与稳定性控制的关系。通过垂向载荷对于轮胎侧偏刚度的影响分析，研究了汽车垂向、侧向、纵向动力学的耦合效应，阐明了通过垂向动力学的连续阻尼控制实现整车各向动力学边界扩展和潜能提升的理论基础。对连续可变阻尼悬架系统的动刚度及阻尼控制稳定性的控制机理进行研究，说明了阻尼系数与等效刚度的正相关特性。通过对车辆侧倾时的等效侧倾角刚度及车体侧倾角的研究，推出了通过阻尼系数提升侧翻安全性的控制机理。通过研究车辆侧倾时的垂向载荷重新分配，得出了阻尼系数对于操纵稳定性提升的控制机理。　　三、开展了基于动刚度调节的行驶平顺性控制研究。创新性地从动刚度抑制一阶共振峰的角度研究了连续阻尼控制与平顺性控制的关系。通过谐波叠加法建立了可用于仿真的路面不平度模型并验证了路面模型的准确性。提出基于动刚度调节的抑制共振峰平顺性控制方法，构建了天棚阻尼-加速度频分控制策略和轴间预瞄控制策略。通过仿真结果分析，验证了基于动刚度调节的平顺性提升效果及控制机理。　　四、开展了基于动刚度调节的汽车侧翻安全性研究。对车辆侧翻这一瞬时过程进行了详细原理剖析，说明了单轮控制对于侧翻控制的意义。建立了基于载荷转移率连续阻尼动刚度调节开关控制策略和连续阻尼力最优化的防侧翻控制策略，通过鱼钩和侧风仿真试验，验证了两种基于连续阻尼动刚度调节的垂向阻尼力控制策略对于侧翻安全性具有较好的控制效果。连续阻尼单轮最优控制效果更好，说明了连续阻尼对单个车轮的控制使整车实现了更加准确迅速的侧翻安全性控制。从侧翻工况中双侧阻尼力动刚度调节作用，说明了动刚度调节下侧倾角刚度的增大可以极大地减小侧倾过程中的侧倾角，验证了基于动刚度调节的防侧翻机理。　　五、开展了基于动刚度调节的整车操纵稳定性研究。创新性地从动刚度调节的角度说明了连续阻尼控制对垂向载荷重分配的作用效果，并且由稳态横摆角速度增益的变化说明了动刚度调节对于操纵稳定性提升的控制机理。针对模糊控制的隶属度函数经验性，对模糊控制策略进行改进灰狼优化，建立了兼顾操纵稳定性极限性能以及侧翻安全性的多目标模糊控制策略。通过仿真结果表明了连续阻尼控制对于汽车各个车轮垂向载荷的重新分配效果，动刚度的调节实现了前后轴进行载荷再分配，改变了汽车的稳态横摆角速度增益和转向特性，验证了基于动刚度调节的操纵稳定性控制理论。　　六、开展实车试验，量化实际动刚度调节控制效果。对试验平台和试验条件进行设计和说明，对整个试验环节所用传感、控制、数据采集所用的硬件进行阐述。通过实车试验验证了基于动刚度调节的垂向阻尼力控制对于整车平顺性、侧翻安全性、操纵稳定性动力学性能的提升作用，通过数据对比得到车辆平顺性平均提升15%、侧倾稳定性（侧翻安全控制）性能提升10%、操纵稳定性在原有稳定性控制基础上进一步提升3%~5%的量化结果，为更高级别的底盘控制系统提供了更加精确的研究和匹配数据。　　本论文综合考虑了各向动力学耦合机理，分析了垂向阻尼力通过侧偏刚度及垂向载荷分配对于侧向及纵向动力学的影响，从动刚度调节的角度提出了垂向阻尼力对于侧倾稳定性和操纵稳定性的控制机理，并进行了侧倾稳定性和操纵稳定性控制的理论可行性验证。从动刚度抑制一阶共振峰的角度研究了连续阻尼控制与平顺性控制的关系，并验证了共振峰抑制频域最大幅值的动刚度调节控制原理。本论文在不改变车辆原有的稳定性控制等系统的基础上，通过垂向阻尼力的控制作用，使整车的稳定性及安全性控制水平得到进一步的拓展和提升。本论文对汽车底盘集成控制技术、商用车的失稳和侧翻控制、底盘制动距离和俯仰动力学性能等领域的进一步研究提供了借鉴和参考，对汽车平顺性和稳定性的进一步提升具有重要意义。
作者：	张旭
专业：	车辆工程
导师：	宋传学
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022