（载运工具运用工程专业论文）车辆半主动悬架系统平顺性联合仿真及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 悬架系统是保证车辆行驶平顺性和乘坐舒适性的重要组成部分。传统的被动 悬架系统在协调车辆这两大性能方面存在着很大的局限性，主动悬架系统虽然克 服了被动悬架系统的缺陷，但是由于其制造和使用成本昂贵，到目前为止尚未得 到广泛应用。半主动悬架系统是介于传统被动悬架系统和主动悬架系统之间的折 中方案，既克服了被动悬架对车辆性能进一步改善的限制，又避免了主动悬架成 本高、控制复杂的缺点，因而半主动悬架系统成为近年来汽车新技术的研究热点。 本文以改善整车平顺性为目标，对车辆半主动悬架控制系统进行了仿真分析及试 验研究。 首先，运用多体动力学软件s i m p a c k ，将车辆的关键坐标点及方向、各零 部件的质心坐标、质量和惯性坐标系及其惯量、减振器非线性阻尼特性、弹簧刚 度特性等具体参数导入车辆前悬架系统模型、后悬架系统模型、转向系统模型、 前后轮胎系统模型，并将所有子系统模型按照一定的拓扑结构进行装配，建立整 车多体动力学模型。 其次，基于整车八板块原理，将车身运动分解为垂直运动、俯仰运动、侧倾 运动；采用模糊控制理论，针对上述三种运动设计模糊控制策略，分别控制车辆 的垂直、俯仰、侧倾运动；并在m a t 删s i m u l i n k 中建立半主动悬架的控制子 系统。通过设置联合仿真模块s i m a t ，进行s i m p a c k 与m a t l a b 的整车平顺 性联合仿真分析。 最后，开发基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 微处理器的半主动悬架系统的控制器硬件，并 进行软硬件设计可靠性分析。改进设计课题组拥有的节流口可调式阻尼减振器， 并进行台架试验；为了验证控制策略的有效性和可行性，以昌河某微型轿车为试 验平台，设计试验系统，进行随机路面输入试验和脉冲输入行驶试验。试验结果 表明，试验与仿真计算结果基本吻合，所建模型和控制策略正确有效。 关键词：半主动悬架，模糊控制，联合仿真，可调阻尼减振器，试验 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t s u s p e n s i o ns y s t e mi sa l li m p o r t a n tv e h i c l ep a r tt oi m p r o v et h er i d ec o m f o r ta n d s a f e t y o fv e h i c l e c o n v e n t i o n a l p a s s i v es u s p e n s i o n h a s g r e a t l i m i t a t i o ni n h a r m o n i z i n gt h er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n g t h o u g ha c t i v es u s p e n s i o nc a nr e m e d yt h e d e f e c t so ft r a d i t i o n a ls u s p e n s i o ns y s t e m ，i th a sn o tb e e nw i d e l ya p p l i e dh e r e t o f o r e ， o w i n gt oi t sh i l g hc o s ti nm a n u f a c t u r ea n do p e r a t i n g t h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n ， w h i c hi st h ec o m p r o m i s eb e t w e e np a s s i v es u s p e n s i o na n da c t i v eo n e ，o v e r c o m e st h e l i m i t a t i o nt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l ea n da v o i d sh i g h c o s ta n d c o m p l i c a t e dc o n t r 0 1 s o ，s t u d yo fs e m i a c t i v es u s p e n s i o ni st h eh o tt o p i co ft h en e w l y t e c h n o l o g yo fv e h i c l ei n d u s t r y i nt h i sp a p e r , ar e s e a r c ho ns y s t e mc o n t r o la n dt e s t so f s e m i a c t i v es u s p e n s i o ni su n d e r t a k e na i m i n ga tt h ei m p r o v e m e n to fv e h i c l e sr i d e c o m f o r t f i r s t l y , t h ev e h i c l e sm a i ns y s t e mm o d e l s ，i n c l u d i n gf r o n ta n dr e a l s u s p e n s i o n ， s t e e r i n ga n dt i r e ，w e r ee s t a b l i s h e du s i n gm u l t i - b o d yd y n a m i c ss o f t w a r es i m p a c k , a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l ec o o r d i n a t e so ft h ek e yp o i n t sa n dt h ed i r e c t i o no ft h ec e n t r o i d c o o r d i n a t e s ，q u a l i t y , i n e r t i a lc o o r d i n a t es y s t e ma n di t si n e r t i a ，n o n - l i n e a rd a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c ss h o c ka b s o r b e r , s p r i n gs t i f f n e s sa n do t h e rs p e c i f i cp a r a m e t e r s t h e nw e c a ng e tam u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e lo fv e h i c l et h r o u g ha s s e m b l i n ga l lt h e s u b - m o d e l sa c c o r d i n gt oc e r t a i nt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e s e c o n d l y , v e h i c l eb o d ym o v e m e n tw a sd i v i d e di n t o v e r t i c a lm o t i o n ，p i t c h i n g m o t i o n ，r o l lm o t i o nb a s e do no c t a p l a t ec o n t r o lm e t h o d ，t h e naf u z z yc o n t r o ls t r a t e g y u s i n gf u z z yc o n t r o lt h e o r yw a sd e s i g n e df o rt h ea b o v e - m e n t i o n e dt h r e ek i n d so f m o v e m e n t st oc o n t r o lt h ev e h i c l ev e r t i c a l ，p i t c h ，r o l lm o v e m e n t ，a n de s t a b l i s h e da s e m i a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o ls u b s y s t e mu n d e rm a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t b y s e t t i n gu pc o s i m u l a t i o nm o d u l es i m a t , t h es i m u l a t i o no fv e h i c l er i d ec o m f o r t a n a l y s i sw e r ec o n d u c t e du s i n gs i m p a c ka n dm a t l a b f i n a l l y , d e v e l o p e dam i c r o p r o c e s s o ro fs e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do n c 8 0 51 f 0 0 5a n dn e w l yd e s i g n e dat h r o t l l ea d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r i n o r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o l ls t r a t e g y , t e s ts y s t e m s i i 江苏大学硕士学位论文 f o rr a n d o mr o a di n p u ta n dp u l s ei n p u tw e r ed e s i g n e db ya p p l y i n gc h a n g h em i n i c a ra s at e s tp l a t f o r m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e s tb eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h e s i m u l a t i o nt o v e r i f y t h em o d e la n dc o n t r o l s t r a t e g yf o r t h ec o r r e c t n e s sa n d e f f e c t i v e n e s s k e y w o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ，f u z z yc o n t r o l ，c o s i m u l a t i o n ，a d j u s t a b l ed a m p i n g s h o c ka b s o r b e r , t e s t i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密以 学位论文作者签名：女勺举 指导教师签名： h f o 年月扣日 h 幻年6月 0 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：受勺搴 日期：仙口年月o 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 悬架系统简介 第一章绪论 悬架是现代汽车重要总成之一，它是车架( 或车身) 与车轮( 或车桥) 之间 弹性连接的机构。其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩，并 且缓和路面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的 行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的 操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。悬架系统对汽车的行驶平顺性、乘坐舒 适性、操纵稳定性、通过性、安全性等多种性能都有很大影响，因此悬架系统一 直是汽车设计、研究人员非常关注的问题之一【1 1 。 1 1 1 悬架系统组成 汽车悬架的组成部分主要有弹性元件、导向机构和减振器，轿车的悬架还多 装有横向稳定杆，如图i 1 所示【1 1 。整个悬架系统在汽车中的作用主要是支持车 身，缓冲路面载荷对车体的冲击力等。弹性元件用来承受并支撑垂直载荷，缓和 由不平路面引起的对车身的冲击。导向机构用来传递车轮和车身之间的一切力和 力矩，并确定车轮相对车身的运动规律。减振器则用以衰减、限制由冲击载荷引 起的车身振动。横向稳定杆的作用是提高车身的侧倾刚度并使汽车具有不足转向 特性，以改善汽车的操纵稳定性，保证汽车正常行驶【2 4 1 。 由于传统被动悬架参数不能调节的固有缺陷，不能适应各种工况下乘坐舒适 性和行驶安全性的合理搭配。为了尽可能地改善悬架特性，人们采用了具有非对 称性的阻尼元件和弹性元件，和具有自适应性的车身高度调平装置。由于弹簧刚 度一经设计很难改变，所以从改变减振器的阻尼着手。随着电、液控制、计算机 技术的发展和传感器、微处理器及电、液控制元件制造技术的提高，使可控悬架 在车辆上的应用成为了可能。对悬架系统采用智能控制，使其能根据不同的路况 而具有不同的性能，从而从根本上解决了传统被动悬架中平顺性和安全性之间的 矛盾。同时，悬架系统智能化的研究也提供了扩展传统悬架功能( 如车身姿势的 江苏大学硕士学位论文 调整) 的可能性f 5 吲。 1 弹性元件2 纵向推力杆3 减振器4 横向稳定杆5 横向推力杆 图1 1 汽车悬架组成示意图 f i g1 1s k e t c ho fv e h i c l es u s p e n s i o nc o m p o m e n t s 1 1 2 悬架系统分类 按悬架的工作原理不同，从控制力的角度来看，悬架可分为被动悬架( p a s s i v e s u s p e n s i o n ) 、半主动悬架( s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ) 及主动悬架( a c t i v e s u s p e n s i o n ) 。其结构原理如图1 2 所示。 ( a ) 被动悬架( b ) 半主动悬架( c ) 主动悬架 图1 2 三种不同形式的悬架 f i g1 2t h r e ed i f f e r e n tt y p e so fs u s p e n s i o n 1 9 3 4 年，o l l e y 提出了被动悬架的基本理论。被动悬架主要由弹性元件和被 动减振器组成，具有结构简单、性能可靠、造价低和无能耗等诸多优点，是迄今 为止历史最悠久、应用最广泛的悬架形式。然而传统的被动悬架只能在特定的工 2 江苏大学硕士学位论文 况下，得到行驶平顺性和安全性的最佳折衷方案，进而选择相关的设计参数。目 前汽车上普遍采用的多为被动悬架，随着车速的不断提高，人们对汽车性能提出 了更高的要求。由于被动悬架的本质问题，设计人员无法对其进行结构改造、参 数优化难以达到期望要求等，所以当前对汽车悬架的研究工作逐步趋向于半主动 悬架和主动悬架方面。 1 9 5 4 年f e d e r s p i e l l a b r o s s 首次将液压伺服机构附加在雪铁龙2 0 v 型轿车的 被动悬架上，用于改善车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，从而发明主动悬架系统。 1 9 6 5 年t h r o c k w e l l 等人对以伺服机构为主动组件的主动悬架系统进行了理论 研究，1 9 7 0 年a g t h o m p s o n 发表了电液伺服悬架系统的系统理论，并在主动悬 架试验中采用了线性反馈调节技术。英国莲花汽车公司在1 9 8 4 年制造了世界上 第一辆采用主动悬架系统的原型车。从研究和应用的效果来看，主动悬架在行驶 平顺性和安全性以及车身姿态控制等方面，均大大优于传统的被动悬架。主动悬 架性能优越，但由于其结构复杂、加工困难、制造和使用的成本昂贵，目前并没 有大量的普及应用。 1 9 7 3 年c r o s b y 和k a m o p p 首先提出了半主动悬架系统的概念。半主动悬架 系统相对于主动悬架而言，具有结构简单，成本较低，可靠性高等特点，并在大 多数情况下具有与主动悬架相近的性能。半主动悬架系统的基本原理是根据悬架 系统的测量输出，如簧载质量的垂直加速度、车轮加速度等，通过一定得控制策 略调整可变弹簧刚度或可变阻尼减振器的阻尼。由于调节阻尼相对于调节刚度而 言容易实现，因此半主动悬架一般采用可调阻尼的阻尼器作为其可控部件。 表1 1 悬架性能比较 t a b1 1s u s p e n s i o np e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 针对三种不同悬架各自特点，归纳总结了三种悬架性能比较。由表1 1 可以 3 江苏大学硕士学位论文 看出：被动悬架无需控制和能量输入，造价低廉，可靠性高，设计简单，但是阻 尼不能调节，综合性能差；主动悬架控制效果最好，能极大提高车辆的平顺性和 安全性，但是控制系统复杂，耗能大，成本高，目前很难在商业上应用；半主动 悬架兼具被动悬架与主动悬架的特点，阻尼可以在一定范围内变化，改善了车辆 的行驶性能，控制相对简单，成本比主动悬架低，而且能耗小，可靠性高，设计 简单易行，半主动悬架的这种优异品质使得它备受青喇吼1 l 】。 1 2 半主动悬架研究现状与发展趋势 1 2 1 研究现状 半主动悬架系统具有很高的性价比，对于改善车辆性能有着很大的潜力，因 而有着很高的研究价值和广阔的使用前景，吸引了众多国内外学者和科研人员的 目光。目前在国外半主动悬架系统已经完成了模型仿真和试验论证，投入实际应 用和批量生产，目前正处于进一步改进优化、成本控制及与汽车其他电子控制系 统集成控制的研究阶段。日本日产公司研制成了超声悬架系统，并于1 9 8 8 年首 先安装于m a x i m a 轿车，后来又在无限m 3 0 上安装了此悬架系统。该悬架通过 超声波传感器检测路面的不平度信息，控制器根据此路面信息以及其他信息来调 整阻尼器阻尼力。美国福特汽车公司在其雷鸟s c 和美洲豹x r 7 轿车上安装有 自动平顺性控制系统( a r c ) ，该悬架装置能够对车辆的制动、转向、加速和车 速等行驶状态，以及驾驶员的驾驶需要而选定工作模式，自动调整前后悬架阻尼 器的阻尼特性，从而使车辆的平顺性得到改善。a a l l e y n r 和p d n e u h a u s 等人将 非线性控制理论应用到半主动悬架控制中，并进行了仿真和试验验证，结果表明 该方法优于p i d 控制，能有效减小车身加速度。为了验证仿真结果，d o u g l a s e 1 v e r s 和l a n er m i l l e r 设计了两自由度汽车悬架模型，通过试验验证了仿真和 试验的一致性，说明该模型精确可靠，试验方案是可行的。d a n i e lm a n t a r a s 和 p a b l ol u q u e 比较了七种控制策略的有效性，并在台架上进行试验验证，最后给 出了各种控制策略的优缺点【1 2 。1 6 1 。 目前国内在半主动悬架系统研究方面起步较晚，在广度和深度上也不及国 外，但是发展势头迅速，各高等院校和科研院所进行了大量的理论探索和实物研 4 江苏大学硕士学位论文 究。浙江大学王维锐、潘双夏建立了基于磁流变减振器的1 4 车辆悬架系统模型， 运用负刚度控制策略，进行了仿真分析，并在此基础上进行了台架试验。南京农 业大学的朱思洪教授，研制了带附加气室的空气弹簧，采取了模糊半主动控制， 并开发了控制系统软硬件，进行了台架试验。上海交通大学喻凡教授研制了电动 式主动馈能悬架，建立了1 4 车辆模型，进行了主动馈能悬架综合性能协调优化 仿真分析。湖南大学宋晓琳、于德介利用a d a m s 软件构建了1 4 车辆麦弗逊悬 架，设计了汽车半主动悬架虚拟实验台，通过p i d 控制进行了阶跃输入和随机 路面输入仿真分析。合肥工业大学的陈无畏、王其东建立了汽车多体动力学方程， 设计了模糊神经网络控制方法，应用遗传算法优化控制器内部参数，在仿真的基 础上进行了试验研究。江苏大学的陈龙、江浩斌课题组在悬架方面进行了深入研 究，研制了节流口可调式阻尼减振器和悬架蓄能器，开发了悬架控制器，并进行 了台架试验和实车道路试验【1 - 2 1 1 。 1 2 2 发展趋势 2 0 0 9 年3 月2 0 日国务院公布的汽车j 垃业调整和振兴规划中提出：关键 零部件技术实现自主化。其中就包括悬架系统的设计研发自主化，这为悬榘研究、 设计、控制提供了良好的发展契机。从技术发展的趋势来看，未来的半主动悬架 应是可靠而廉价、具有“路面感应? 刚度和阻尼均连续可调的“智能型”半主动悬 架，它对硬件和软件都有较高的要求。硬件方面，要发展响应快、性能优良的智 能化集成传感器，抗污染能力强的作动器，快速压电作动器，廉价的流变体和可 用于实时控制的高性能微处理器。软件方面，应用各种控制理论的结合发展新的 可用于实时控制的理论。此外，这些控制理论应与故障诊断和容错技术结合起来， 以提高半主动悬架的可靠性并克服高频“刚性”问题。建模的合理化、实用化，各 种控制理论的相互结合，以及半主动悬架关键控制部件可调阻尼减振器的设计是 现在悬架研究分析的趋势。 半主动悬架控制原理是用可调刚度的弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架系 统，并根据预测的激励和簧载质量的加速度响应等信号，按照一定的控制规律调 节可调弹簧或阻尼器的参数。半主动悬架系统通常只依赖簧载质量的加速度信号 来调节弹簧刚度或阻尼器的参数。它消耗的全部能量只用来驱动控制阀，故能耗 5 江苏大学硕士学位论文 低。其控制原理如图1 3 所示。 图1 3 半主动悬架系统控制原理 f i g1 3s e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mc o n t r o lp r i n c i p l e 悬架控制理论与方法是半主动悬架系统研究的趋势与关键技术之一，国内外 专家学者对此做了大量的工作。目前，应用到车辆半主动悬架系统的控制方法主 要有天棚阻尼控制、最优控制、自适应控制、智能控制、预瞄控制等。 天棚阻尼控制：天棚阻尼控制的主要思想是要求主动悬架产生一个与车体绝 对速度成正比的控制力，它是在被动悬架的基础上增加了一个接在固定参照物上 的阻尼器。天棚阻尼的原理实际上是将悬架质量速度的比例量作为反馈作用于悬 架质量。这种方法易于实现且比较可靠，至今仍在采用【2 2 】。 最优控制是在给定的限制条件和评价函数下，寻找使系统性能指标最优的控 制规律。应用于车辆悬架控制系统的最优控制方法可以分为线性最洗控制、战 最优控制和最优预报控制等三种。但是，根据最优控制理论设计的半主动悬架， 只能对数学模型达到所预期的性能，而由于实际的车辆系统中非线性和时变性等 因素的存在，实际系统必然会偏离理论系统，达不到预期的性能【2 3 伽。 自适应控制考虑了系统参数的时变性，通过检测系统的参数变化来调节控制 参数，从而能够使系统逼近最优性能。目前，应用于半主动悬架系统的自适应控 制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两种控制策略。自校正控制是一 种将受控对象参数在线识别与控制器参数整合相结合的控制方法。模型参考自适 应控制方法可以在外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时，仍能使被控车 辆的振动输出跟踪所选定的参考模型。在实际应用中，自适应控制存在着难以弥 补的严重缺陷，其应用的有效性受到了很大的限制【2 7 - 2 s 。 智能控制主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性而提出的， 主要分为专家控制、模糊控制和神经网络控制三种类型。由于智能控制具有自适 应、自组织和自学习功能，因此不需要对控制系统进行精确建模，而且智能控制 6 江苏大学硕士学位论文 的特点是擅长处理系统的非线性和时变性，具有较强的鲁棒性。因此，近年来关 于智能控制在半主动悬架中运用的研究同益增多。9 0 年代以来，以模糊控制和 神经网络控制为代表的智能控制方法开始应用到半主动悬架的设计中【2 9 。3 2 】。 预瞄控制：预见控制是根据当前的目标值、未来的干扰等来决定当前的控制 参数。一般来说是在车辆上安装传感器预先取得路面不平度，悬架装置的执行机 构根据所获信息提前做出控制决策，达到控制目的。预见控制有两种基本形式： 完全预瞄控制和部分预瞄控制。完全预瞄控制利用专门的路面传感器得到路面不 平度作为前馈信息传给悬架系统。部分预瞄控制利用前轮悬架的状态作为前馈信 息传给后轮悬架【3 3 _ 3 7 1 。 大量研究表明，根据各种控制理论设计的半主动悬架，只能对数学模型保证 预期的性能，但实际车辆上仍存在各种不满足理想条件的不确定因素。因为实际 的车辆系统都是非线性时变复杂高维系统，只是建模时忽略了系统的高阶动态环 节( 如车架和轮胎的高阶模态，作动器和传感器的动态性能等) ，因此，要解决 实际车辆系统动力学问题必须寻求新的理论方法。车辆动力学系统实际情况非常 复杂，传统建模方法的自由度数目不能太多，因此需对系统做许多简化，降低自 由度的数目，这样做就很难得到精确的分析结果。此外刚体与蟊性体耦合三位系 统，用传统的手工推导动力学方程，是很难实现的，而应用多体动力学软件建模 就可以解决上述各种问题。 1 3 多体动力学软件s i m p a c k 简介 1 3 1 多体动力学理论 从2 0 世纪6 0 年代中期开始，多体系统( m u l t i b o d ys y s t e m ) 动力学在经典力学 基础上已经发展为新的力学分支。机械系统的动力学仿真通常是分析者自己研究 系统各个刚体的位移、速度、加速度与其所受力或者力矩的关系。而多体动力学 仿真则将机械系统建成由一系列的刚体和柔性体，通过数学描述它们之间的各种 拓扑关系，由程序来建立完整的动力学微分方程，由铰接来定义各刚体间的运动 关系。多体系统研究可以分为两类问题：第一类问题，可以表示为分析机械系统 在力的作用下如何运动，也称其为正动力学；另一类问题，即机械系统运动所需 特定的运动是已知的，主要求解系统的作用力，又称为逆动力学。后者在机器人 7 江苏大学硕士学位论文 动力学分析领域尤为重要，这是因为这些领域需要对系统的力进行精确的控制已 达到规定的运动状态。在进行多体系统仿真分析时，既需要对多体系统理论有一 定深度的理解，又需要对复杂机械系统的实际仿真工具和方法进行详细了解。 我国2 0 世纪8 0 年代后期也已经开始将多刚体系统动力学应用到车辆运动学 和动力学响应的研究分析中。通常，机械动力学仿真由分析者建立机械系统各个 刚体的位移、速度、加速度与其受力或者力矩的关系。而多体动力学仿真将机械 系统建成由一系列的刚体和柔性体，通过教学方法描述它们相互之间的各种拓扑 关系由程序自动建立完整的动力学系统。一般的机械系统主要属于完整约束系 统，对于完整约束系统的运动主要有三种基本方法可以建立运动微分方程：牛顿 一欧拉法，拉格朗日法和凯恩法。多体系统动力学就是研究由刚体及柔性体组成 的系统经历大范围空间运动时的动力学行为，如汽车多体系统动力学建模和仿真 过程就是通过对车体、前后悬架、转向系统、车轮等刚柔体、约束、力元以及 轮轨接触等元素的定义来确定汽车各部分组件特性及连接关系，从而形成一系列 的车辆多体系统动力学方程并进行求解其形成的微分方程【3 8 。3 9 1 。 1 3 2s i m p a c k 软件简介 s i m p a c k 软件是1 9 8 5 年由德国宇航局开发，并很快在欧洲航天航空领域得 到广泛的应用，1 9 9 3 年由动力学专家a l e xe i c h b e r g e r 博士领导成立了i n t e c 公 司，全面负责s i m p a c k 多体动力学软件的开发和市场运作。它以多体系统计算 动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。在 s i m p a c k 中可以建模、仿真、分析以及设计所有类型的机械系统，比如车辆、 机器人、机器和其他复杂机械装置。s i m p a c k 的基础概念就是为了创建机械和 力学系统的振动方程，然后从这些方程中应用多种不同的数学程序去产生分析结 果( 例如时间积分) 。s i m p a c k 模型是利用s i m p a c k 的建模单元建立起来的， 然后s i m p a c k 从这个模型自动产生系统方程。运动方程可以通过两种方式产生， 一种是符号，另一种是数值( 数值形式是通常的表示形式) 。符号代码允许用户 输出s i m p a c k 模型时，作为标准的f o r t r a n 或者c 语言代码，而且可以独 立的运行。在s i m p a c k 中系统定义的四要素主要包括：物体( b o d y ) 、铰接 ( j i o n t ) 、约束( c o n s t r a i n t ) 和力元( f o r c e ) 。 s i m p a c k 软件的特点：( 1 ) 全新的递归算法、相对坐标系以及子结构建模方 8 江苏大学硕士学位论文 法；( 2 ) 快速、稳定、可靠地求解器；( 3 ) 完善强大的碰撞建模和求解功能；( 4 ) 独有 的和控制软件( m a t l a b ) 双向的协同仿真技术；( 5 ) 全参数化的机械系统和控 制系统分析建模；( 6 ) 独有的源代码输出功能；( 7 ) 唯一可以进行多体系统实时仿真 的技术；( 8 ) 快速高效、优化的弹性体建模和求解器；( 9 ) 独有的软件一体化技术， 使专业模块和通用模块1 0 0 兼容；完整、安全可靠的数据库管理技术；a d 专 业标准化的数据结果处理技术；功能强大的专业化模块【删。 汽车悬架是一个复杂的非线性系统，对于汽车悬架半主动控制的研究起步较 早，成果非常丰富。但是，以往对汽车半主动控制的研究大多基于简单的线性化 数学模型，与实际物理模型有较大差别，研究结果不能完全反映真实情况。近年 来，多体动力学成为汽车工程领域最活跃的建模理论，可对汽车这一复杂系统建 立精确力学模型。s i m p a c k 软件是最具代表性的多体动力学应用软件，现已广 泛应用于汽车、机械制造、航空航天和铁道等众多领域，并与许多国际著名公司 如f o r d b m w n a s a 等合作开发了专用设计模块。 国内外一些学者开始尝试利用多体模型进行车辆系统的研究。澳大利亚的 a s t r i b e r s k y 和e m o s e r 利用s i m p a c k 软件建立了基于虚拟技术的火车多体动力 学系统，进行了结构动力学和乘坐舒适性研究分析，并进行了试验验证。德国航 天中心的p r a s h a n td k h a p a n e 利用s i m p a c k 建立了飞机起落架齿轮柔性体模型， 并进行了仿真分析。北京交通大学王明容、宋永增利用s i m p a c k 软件建立了夏 利2 0 0 0 多体动力学模型和三维路面模型，并在虚拟环境中对汽车平顺性进行了 仿真研究，但是模型中没涉及驾驶员座椅模型，也未进行试验验证分析。重庆交 通大学杜子学、王行聪利用s i m p a c k 建立了某面包车的动力学仿真简化模型， 进行了平顺性仿真分析，但是没有控制系统，没有进行联合仿真控制分析。辽宁 工业大学李刚、张立军等以t j 6 3 4 1 微型轿车为例利用s i m p a c k 建立了一个1 4 自由度的简化车模型，并进行了平顺性仿真和悬架匹配技术研究，但是模型中悬 架刚度和阻尼均为线性函数。青岛大学刘伟、刘大维等利用s i m p a c k 建立了重 型车辆整车动力学模型，根据谐波叠加法构造了路面模型，并进行了车辆平顺性 和道路友好性研究分析，但未建立控制系统模型，仅对驾驶员座椅处加速度进行 了研究，未对整车其他性能参数进行分析【4 1 4 7 】。 9 江苏大学硕士学位论文 1 4 研究目的与内容 经过几十年的发展，半主动悬架及其控制系统的研究已经取得了丰硕成果。 国外已经有半主动悬架装车的实例，但是目前在我国，研究还停留在数值仿真、 模拟试验及少量的装车试验阶段，尽管这些研究均显示出它具有被动悬架无可比 拟的优越性，但至今仍未看到较好的应用实例。要使半主动悬架及其控制系统的 研究取得突破性进展，必须针对实际悬架系统非线性、系统的建模不精确性以及 参数的时变性等问题，将理论研究、设计开发与试验技术相结合，解决半主动悬 架及其控制系统的理论与关键技术瓶颈问题，为半主动悬架实际应用奠定基础。 这是一项紧扣现代汽车发展主题的科学和技术问题，本文是在国家自然科学基金 项目：车辆半主动悬架与电动助力转向系统的匹配理论及其协调控制( 项目编号： 5 0 8 7 5 1 1 2 ) 支持下的一个子研究内容，对车辆半主动悬架系统进行的研究。本文 应用s i m p a c k 和m a t i _ , a b 软件对装有可调阻尼减振器的昌河某微型轿车进行 整车动力学联合仿真分析。采用多体动力学软件s i m p a c k 建立整车动力学模型， 利用m a t l 删s i m u l i n k 设计基于八板块原理的模糊控制器，通过建立车辆联合 仿真系统s i m a t 来进行控制，研究基于可调阻尼减振器的车辆半主动悬架系统 行驶平顺性。最后设计控制器和可调阻尼减振器，并进行试验验证分析，主要研 究内容如下： ( 1 ) 简要介绍了悬架系统组成、分类，以及悬架系统控制理论与方法，当 前半主动悬架系统研究现状与发展趋势，以及多体动力学理论和s i m p a c k 软件。 ( 2 ) 应用多体动力学软件s i m p a c k ，结合昌河某微型轿车参数，建立了前 悬架系统模型、后悬架系统模型、转向系统模型、轮胎模型等，最后按照一定的 拓扑结构组装成整车多体动力学模型； ( 3 ) 简要介绍了联合仿真系统结构，详细介绍了联合仿真步骤，在 m a t l 刎s i m u l i n k 中设计了基于八板块原理的整车模糊控制器；设置联合仿真 模块s i m a t ，将s i m p a c k 中建立的整车多体动力学模型导入s i m a t 中，进行 随机路面输入和脉冲输入联合仿真分析； ( 4 ) 以c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机为平台设计半主动悬架系统的控制器，并介绍相 关软硬件的设计开发与可靠性分析。改进设计了节流口式可调阻尼减振器，并进 行了台架试验和实车道路试验。 l o 江苏大学硕士学位论文 第二章s im p a c k 整车多体动力学模型 车辆悬架系统的研究应首先从系统的动力学模型建立开始，然后根据系统的 设计要求，选择评价指标，继而选择控制方法，通过数值仿真和试验来判别是否 符合要求。因此，在车辆悬架系统控制研究中，首先就是建立一个能最大程度反 映实际系统的整车悬架系统多体动力学模型。模型的精确与否对研究的结果有很 大的影响，只有在此基础上才能更好的研究控制方法。 2 1 整车建模准备 2 1 1 整车建模流程 对于通用复杂机械多体系统的建模和仿真而言，用户要做的实际上就是将复 杂的机械系统分解为系统中的各个物体( 刚性体或柔性体) 及其质量和转动惯量 属性；定义连接副之间的关系，采用物体间无质量的运动连接关系铰；或通 过力元模拟相邻物体间弹簧、阻尼、作动器均无质量力元件连接。在涉及车辆系 统的多体仿真问题时，需要定义簧上质量和簧下质量，这时可以将一些悬挂部件 视为刚体，由恰当的铰( 如转动铰、球铰、圆柱铰、移动铰、万向铰等) 形成运 动连接副的关系，至于橡胶关节、弹簧、减振器、轮胎和作动器等部件，在建模 时通常可简化为力元处理。整车建模流程如图2 1 所示。 多体系统各个物体之间的联系方式称为系统的拓扑结构，简称拓扑。拓扑结 构划分是多体系统动力学建模十分重要的前提工作。s i m p a c k 中的拓扑示意符 号可参阅表2 1 。拓扑图形的好坏有时不仅涉及到模型建立的正确与否，而且关 乎模型规模的大小与复杂程度。在画s i m 黔c k 模型的拓扑图时需要考虑两个问 题：首先需要将物理模型逐步分解成m b s 单元的基本要素形式，包括物体、铰 接、约束、力元等；其次针对多种动力学模型的建模可能性进行拓扑划分。在评 估闭环系统拓扑结构好坏时，主要以一个标准作为评判：要求系统的总自由度数 和一阶状态数量尽可能最小【删。 江苏太学硕士学位论文 蚓2 1 整r 建模流轧。h f i 9 2tv e h i c l em o d e l i n g f l o w c h a r t 表2 1s i m p a c k - l - 的拓扑示意竹i j t a b2 1s i m p a c k s y m b o l s i n t h e t o p o l o g y i n d i = a t e 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 建模参数选取 建立三维多体模型时，模型参数的获取至关重要，它不仅是建模的前提，也 是模型建立精确与否的关键。模型参数大致可以分为四类：运动学参数( 几何参 数) 、质量参数( 质量、质心、转动惯量等) 、力学特性参数( 刚度、阻尼等) 、 外界参数( 路面谱、风力等) 。模型的获取可以通过以下多种方法：试验法、查 手册法、计算法、c a d 建模法等。 ( 1 ) 整车几何参数的获取该参数用来反映模型中各零部件的几何位置关系， 运动学参数可以通过查阅相关手册或实际测量得到。由于s i m p a c k 中是用相对 坐标系建立的整车模型，因此可以任意选定坐标原点，但通常为了建模方便，我 们选取汽车质心点为坐标原点，其他运动部件的坐标可以依次相应地确定。 ( 2 ) 质量参数的获取系统的质量、质心、转动惯量等直接影响系统的动力学 仿真。零部件的质量一般可以直接查阅相关手册得知，在建模时不具有相对运动 关系的零件可以看做是一个零件，因此质量只有一个。运动部件的质心、转动惯 量也可通过三维绘图软件c a t i a 获得。 ( 3 ) 力学特性参数的获取该参数一般指剐度、阻尼等，这些参数一般可以从 手册中查到，但是半主动悬架的减振器阻尼需要通过试验获取。 ( 4 ) 外界参数的获取外界参数主要指路面谱和风力等，路面谱可以通过专门 试验测得实际路面后可以导入s i m p a c k 软件中，风力因素在某些情况下可以忽 略【棚。 本文以昌河某微型轿车为研究对象，运用测量、计算、试验、查阅手册等方 法获取了前后悬架及整车系统的主要参数，这些参数包括整车形状参数、尺寸仉 何定位) 参数、质量特性参数( 质量、质心与转动惯量等) 、力学特性参数( 刚度、 阻尼等特性) 等。昌河实车如图2 2 所示。 1 3 f i g2 2 c h a r t g l er e a l v e h i c l e 整车的几何参数和主要总成的结构形式如表2 2 所示。 表2 2 整车几何参数和结构形式 t a b2 2v e h i c l eg e o m e t r i c p a r a m e t e r sa n ds t n l c u r c 参数名称数值 整车糕备质姑k g 最人总质革船 簧r 质草( 前后) k g 前轴质情( 空载 赭载) ，k g 轴距 前，后轴到质心距离m m 前v 轮轮距棚 车身k 宽高衄 悬架减振元件 恳架弹性元件 稳定器 前悬架形式 后悬架形式 转向系统形式 轮胎型号一 3 4 0 0 1 5 7 5 1 6 7 0 般向作用筒式液力减振器 螺旋弹簧 【杆式前横向稳定器 独立、麦弗逊式悬架 非独立、单纵臂悬架 齿轮齿条式 f 己寸参数，主要指悬架系统、转向系统等的几何定位参数。根据多体系统动 力学理论，建立整车动力学模型时，需依据整车的结构型式，定义各运动部件之 日j 的连接位置、相对角度、定位角等参数，并确定两者的铰接形式。各运动部件 江苏大学硕士学位论文 的相对连接位置，应在统一的整车参考坐标系中测量。在无法获得总成图时，可 以根据已知的一些基本参数，如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等，通过 计算和作图获得运动学参数。表2 3 所示为样车的前轮定位参数。 表2 3 前轮定位参数 t a b2 3f r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s 参数名称( 单位)数值规格 前柬( m m ) 主销后倾角( d e g ) 主销内倾角( d e g ) 车轮外倾角( d e g ) 力学特性参数包括悬架弹簧、橡胶衬套、轮胎、减振器的参数，这些参数对 汽车的行驶平顺性以及操纵稳定性有直接的影响。本文研究的轿车前、后悬架均 采用双向作用筒式液力减振器，可调阻尼减振器作为半主动悬架的关键部件，其 特性对整车行驶平顺性具有决定性作用。本文根据汽车筒式减振器台架试验方 法，得到减振器的力速度特性曲线如图2 3 所示，利用曲线拟合的方法，实现 减振器的力与速度的非线性特性，其原始参数是通过减振器台架试验获得。 己 r 嗖 四 2 、一 r 哩 四 厂 j f 。 ( a ) 不功图( b ) 速度特性图 图2 3 减振器试验的示功图和f v 特性 f i g2 3s h o c ka b s o r b e rd y n a m o m e t e