液电馈能式悬架系统阻尼特性与半主动控制策略研究

摘要

本文研究了一种液电馈能式悬架系统，它的核心部件是液电馈能式减振器。此减振器系统在压缩行程时直接通过单向阀将油液从油缸上腔引流至下腔；在伸张行程时，油液通过液压管路流至一个液压马达与电机装置，油液推动液压马达旋转，从而带动与液压马达同轴连接的电机旋转发电，实现油液液压能向电能的转换。此液电馈能式减振器结构的优势在于：在被动状态下易于实现与传统悬架系统的匹配，由此形成的液电馈能式悬架系统能够作为被动悬架使用，同时，能够回收一部分悬架振动能量；在此基础之上，通过对电机进行相应的控制还可以实现液电馈能式悬架阻尼力的调节，使之成为一种半主动悬架系统。因此，文章围绕液电馈能式减振器外特性及其影响因素、液电馈能式悬架系统的幅频特性与匹配、馈能特性与半主动控制策略几个关键问题进行理论与试验研究，主要研究工作包含以下内容：　　（1）提出了一种半桥液压整流式液电馈能减振器方案，研究了它的外特性及其影响因素。首先，通过理论分析分别建立了压缩行程与伸张行程阻尼力数学模型，采用单参数变化法，以设计值的10%为间隔进行了仿真试验，考察了液电馈能式减振器主要零部件技术参数对示功特性与速度特性的影响规律。然后，根据系统原理搭建了液电馈能式减振器试验台架并进行了台架试验，通过试验数据验证了仿真模型的正确性。最后，设计了一个液压阀块，能够将蓄能器、单向阀、液压马达与电机安装于此阀块之上，形成一个整体式液电馈能式减振器样机。研究结果表明：这种液电馈能式减振器在被动状态下的压缩行程阻尼力小于伸张行程阻尼力，与传统减振器外特性趋势一致，易于实现与悬架系统的匹配。　　（2）研究了液电馈能式悬架系统幅频特性及关键零部件的参数匹配方法。以二自由度悬架动力学模型与液电馈能式减振器阻尼力模型为基础，选用车身加速度、悬架动行程、相对动载荷作为悬架性能指标，推导了指标参数的幅频特性数学表达式，分析了不同液压马达排量、单向阀节流面积、液压管路内径对悬架幅频特性的影响，并对随机路面输入下指标时域特征进行了统计，明确了以上参数对时域统计值的影响规律。然后，以悬架动速度指标为依据，提出了液压马达、电机转速与扭矩的匹配方法。　　（3）建立整车十四自由度动力学模型，通过仿真试验研究了液电馈能式悬架主要参数对车身行驶姿态的影响规律。选定能够反映车辆侧倾运动、俯仰运动、垂直运动的典型工况，进行了基于液电馈能式悬架的车辆道路仿真试验，选取不同液压马达排量、单向阀节流面积、液压管路内径数值，考察了车身侧倾角、车身侧倾角速度、车身俯仰角等参数的变化规律，为液电馈能式悬架的整车匹配与调校提供了依据。　　（4）通过开展仿真试验与实车试验，研究了液电馈能式悬架能量耗散功率及影响因素，并以实车试验采集的悬架动行程数据为输入，进行了液电馈能式减振器台架试验，得出了系统的能量回收效率。根据二自由度悬架动力学模型，推导了悬架耗散功率的数学表达式，将悬架相对阻尼系数、质量比、刚度比取值进行合理约束，采用正交试验设计方法对悬架耗散功率的影响因素进行了仿真分析。研究表明：悬架技术参数对耗散能量的影响程度由高到低依次为轮胎刚度、非簧载质量、簧载质量、悬架刚度、悬架阻尼；同时，减振器耗散能量随着悬架阻尼、悬架刚度的增大而减小，而其余参数均与减振器耗散能量数值呈正相关增大趋势。通过道路试验对乘用车与商用车悬架耗散功率进行了测量，试验数据与仿真数据处于同一数量级水平，参数对耗散能量的影响趋势一致，证明了仿真结论的正确性。同时，利用液电馈能式减振器集成化样机台架试验，对系统馈能效率进行了计算。　　（5）研究了液电馈能式悬架的半主动控制问题。传统的半主动悬架系统压缩与伸张行程阻尼力均可调，由于液电馈能式减振器仅伸张行程的液压回路具有液压马达与电机，因此，将液电馈能式悬架作为半主动悬架使用时，仅伸张行程阻尼力可调。为此，建立了被动悬架、传统半主动悬架、液电馈能式半主动悬架三种模型，采用天棚控制与LQG控制方法进行了仿真试验，结果表明：液电馈能式半主动悬架系统由于存在压缩行程不可控的遗憾，导致其控制效果对某些性能指标如车身加速度不及传统的半主动悬架，同时，也正是因为这一点使得如高频段内悬架动行程指标在控制后发生恶化时，其恶化程度反而低于传统半主动悬架。

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