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原文传递空气悬架客车横向稳定性分析与主动回稳控制研究

论文题名：	空气悬架客车横向稳定性分析与主动回稳控制研究
关键词：	空气悬架客车;横向稳定性;主动回稳控制系统;非线性动力学
摘要：	客车由于质心较高、轮距相对较窄等结构特点，导致其在高速紧急避撞或湿滑路面转向等极限行驶工况下极易产生横向失稳现象。该现象若不实现准确揭示并进行及时有效的主动回稳控制，最终将会导致客车发生侧翻事故。悬架是研究客车横向运动必须考虑的关键因素之一。随着客车技术的快速发展，装备空气悬架已成为主流趋势，相较于传统悬架，空气悬架能够显著提升客车综合性能，但空气悬架客车的横向运动演化过程与传统悬架客车存在明显差异，系统非线性特征更为明显，横向稳定性分析及主动回稳控制策略研究所面临的难度更大、挑战更高。如何能够在准确构建空气悬架客车横向动力学系统主要部件非线性力学特征的数学模型基础上，实现空气悬架客车横向稳定性分析及其主动回稳控制研究具有重要意义。据此，本文在建立空气悬架客车非线性数学模型基础上，利用中心流形理论、鞍结分岔等非线性动力学分析方法对空气悬架客车横向稳定性进行深入研究，进而通过相关控制理论对空气悬架客车进行横向稳定性控制策略设计，以期为提升客车横向行驶安全性提供一定的理论和技术支持。　　首先，构建了空气悬架客车横向动力学系统非线性数学模型。结合空气悬架客车的结构特点及系统稳定性分析和控制需求，分别建立了考虑空气弹簧及轮胎非线性力学特性的空气悬架客车三自由度横向稳定性分析模型和八自由度横向稳定性控制模型，主要包括车身纵向运动、横向运动、侧倾运动、横摆运动以及四轮旋转运动等自由度。　　其次，分析了空气悬架客车转向过程中的分岔特性。基于三自由度模型建立了四维非线性动力学微分系统，利用中心流形理论将高维系统降阶为一维系统，且保证一维系统的稳定性与高维系统拓扑等价。应用分岔理论，推导得出系统随前轮转角变化将发生鞍结分岔的现象。通过设置多种工况进行数值分析，得到空气悬架客车横向稳定性的一般规律。研究结果表明，在系统鞍结分岔过程中，结点将不断接近鞍点，若不采取控制措施，最终结点消失，意味车辆横向动力学行为将失去控制。　　第三，设计了基于相平面分析的横向稳定性控制策略。对表征鞍结分岔的质心侧偏角-横摆角速度相平面图进行分析，确定了相平面中稳定区域和不稳定区域，进而对稳定域边界进行设计，分析了车速、路面附着系数以及前轮转角对稳定域边界的影响，设计了基于稳定域边界的失稳度函数。以失稳度函数为控制目标，通过非线性终端滑模控制算法进行了直接横摆力矩控制策略设计，计算得到维持车辆横向稳定的直接横摆力矩。针对高附和低附两种路面条件下的阶跃转向工况和正弦转向工况进行了控制仿真验证。研究结果表明，施加横向稳定控制后的客车横摆角速度和质心侧偏角均有明显降低，说明所设计的主动回稳控制策略有效可行。　　最后，完成了基于转矩分配的横向稳定性控制性能联合仿真验证。为进一步验证控制系统的准确性和控制效果，采用内点法对直接横摆力矩进行了四轮转矩分配，并以此为基础，建立了TruckSim与Simulink联合仿真验证平台，通过多种仿真工况验证了所设计的主动回稳控制系统及转矩分配算法的实际性能。联合仿真结果表明，不同工况下的横摆角速度和质心侧偏角幅值均得到显著降低，整体而言，横摆角速度的峰值降低了8%~17%，质心侧偏角的峰值降低了22%~65%，验证了所设计的空气悬架客车横向主动回稳控制系统的有效性。
作者：	陈明
专业：	车辆工程
导师：	陈龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022