（车辆工程专业论文）混合型主动悬架电磁反力作动器的匹配研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 悬架对于提高车辆行驶平顺性和操纵稳定性起着关键作用。目前被动悬架的 性能已经很难满足人们的要求，因此，学者们在研究各种型式的主动悬架，以改 善汽车悬架性能。本文研究的是江苏大学提出的一种由电磁反力作动器与被动悬 架组成的混合型主动悬架系统，其中作动器在有控制电流时为主动式动力吸振 器，无控制电流时，为普通被动吸振器。目前，混合型悬架系统作动器的结构设 计和控制系统的研究已经取得了一定的研究成果。 本文以某车为研究对象，根据该车悬架系统的安装空间和作动器的工作原 理，认为作动器在该车悬架系统中可以安装的部位有簧载质量或非簧载质量，因 此分别建立了作动器在2 个安装部位的2 自由度1 4 车辆模型。考虑到前后悬 架系统匹配不同参数的作动器，为能更准确地反映作动器参数对整车平顺性的影 响，因此建立了该车带有作动器的整车模型。 其次，以2 自由度1 4 车辆模型为研究对象，分别分析了作动器在不同安装部 位时其参数对车身加速度、悬架动挠度和相对动载幅频特性以及车身加权加速度 方均根值的影响。并以车身加权加速度方均根值为目标，应用m a t l a b 6 5 优化工 具箱对作动器在轮胎环节安装时的参数进行了优化设计；应用s i m u li n k 5 o 对整 车7 自由度和儿自由度模型分别进行了仿真。 接着，比较了带有动力吸振器的混合型悬架与被动悬架的簧载质量振动位移 幅频特性之比；研究了作动器主动控制力与轮胎受力之间的力传递特性，应用 s i m u li n k 2 自由度车辆模型对轮胎所受动载荷进行仿真，并设计了作动器要满足 悬架系统需要应具备的主动控制力大小。 最后，搭建了汽车被动悬架实验台，对电磁反力作动器与非簧载质量之间 的力传递特性和作动器的被动吸振和主动控制下对簧载质量和非簧载质量振动 的影响进行了实验验证。 关键词：汽车主动悬架，电磁反力作动器，匹配方法，优化设计 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es u s p e n s i o ns y s t e mi st h ek e yc o m p o n e n tt oi m p r o v et h er i d i n g c o m f o r ta n dt h eh a n d l i n gs a f e t y r e c e n t l y , t h ep e r f o r m a n c eo fp a s s i v e s u s p e n s i o ns y s t e mi sd i f f i c u l tt os a t i s f yp e o p l e sd e s i r e ，s ot h e a c t i v e s u s p e n s i o nb e c o m e san e wa p p r o a c h t o i m p r o v e t h e s u s p e n s i o n s p e r f o r m a n c e j i a n g s uu n i v e r s i t ys t u d i e dan e wk i n do fe l e c t r o m a g n e t i c c o u n t e r - f o r c ea c t u a t o rw h i c hi s c o m p r i s e d o fa n e l e c t r o m a g n e t i c c o u n t e r - f o r c ea c t u a t o ra n dp a s s i v es u s p e n s i o n ，a n dh a da c q u i r e ds o m e a c h i e v e m e n ti ni t ss t r u c t u r ea n di t s w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o r r e l a t i v e c o n t r o l l i n gs y s t e m t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h em a t c h i n ga b o u tt h e a c t u a t o ra n dp a s s i v es u s p e n s i o nb a s e do nt h eh y b r i da c t i v es u s p e n s i o n s y s t e m t h ea c t u a t o rc a nb es e to ns p r u n gm a s so ru n s p r u n gm a s sa c c o r d i n g t ot h er o o mo fp a s s i v es u s p e n s i o na n dt h et h e o r yo fa c t u a t o ri nt h e a u t o m o b i l e aq u a r t e r - c a rm o d e la n df u l l c a l m o d e lf o rh y b r i da c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , b a s e do nt h eq u a r t e r - c a rm o d e l ，t h ec h a n g eo fr i d i n g c o m f o r tw i t ha b s o r b e r sd i f f e r e n tp a r a m e t e ra n dd i f f e r e n t p o s i t i o ni s s t u d i e d ，t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fa c t u a t o r sp a r a m e t e rw h e na c t u a t o ri s s e to nu n s p r u n g m a s si s d e s i g n e da n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a s s i v e s u s p e n s i o na n dh y b r i ds u s p e n s i o na r es i m u l a t e di ns i m u l i n k t h i r d l y , t h e r a t i oo f a m p l i t u d e 一丘e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co f i i d i s p l a c e m e n t o f s p r u n g m a s s o fh y b r i da n dp a s s i v es u s p e n s i o na r e a n a l y z e d ，i ti ss h o w e dt h a tt h ev i b r a t i o no fw h e e li s r e d u c e db ya c t i v e c o n t r o l l i n gf o r c ea n dr i d ec o m f o r ti si m p r o v e d ，i ti sp r o p o s e dt h a tt h e m a x i m a lv a l u eo fd y n a m i cl o a d o ft y r ee x c i t e db yr o a du n e v e n n e s s s h o u l db eu s e dt oc h o o s ea c t u a t o r sc o n t r o l l i n gf o r c e a tl a s t ，at e s tr i gi sb u i l ta n du s e dt om e a s u r et h ef o r c eo ft y r e e x c i t e db ya c t u a t o ra n da c c e l e r a t i o no fu n s p r u n gm a s sf o rh y b r i d s u s p e n s i o ns y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h er e s e a r c h f u l m e t h o do fa c t u a t o r sa c t i v ec o n t r o l l i n gf o r c ei sr e s o n a b l e ，a n d t h e a c t u a t o rh a v eg o o de f f e c to nr e d u c i n gt h ev i b r a t i o no fs p r u n g m a s sa n d u n s p r u n g 。m a s s k e yw o r d s ：a c t i v es u s p e n s i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cc o u n t e r - f o r c ea c t u a t o r , t h em e t h o do fm a t c h i n g ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n h 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。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 不保密r t - i 学位论文作者签名：嘶蓠暂 劭卜年易月i1 日 指导教师签名心蠡鲈 【 剐眸b 月7 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。除文中已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，均已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： 勤慈告 日期：勃p 年6 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 汽车在行驶过程中，由于自身及路面不平度等激励因素的存在，会使汽车产 生振动，这种振动达到一定的程度时，将使乘员感到不舒适和疲劳，或使运送的 货物损坏。研究悬架的目的就是控制振动的传递，保证乘坐者不舒适的感觉不超 过一定的界限和货物运输的安全。 悬架是汽车的重要组成部分，它把车体与车轴弹性地连接起来，并承受作用 在车轮和车体之间的作用力，缓冲来自不平路面给车体传递的冲击载荷，衰减各 种动载荷引起的车体振动。悬架对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性 等多种使用性能都有很大影响，因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问 题之一。 传统的悬架系统主要是刚度和阻尼不可调的被动悬架，随着人们生活水平的 提高，被动悬架难以满足人们乘坐舒适性的要求。振动控制、电子、传感器等技 术的飞速发展使得半主动、主动悬架成为可能。因此国内外众多学者围绕被动、 半主动、主动悬架系统开展了研究【1 4 1 。目前，主动、半主动悬架由于结构复杂、 成本高等原因，并没有在实车上得以应用。文献f 5 1 将动力吸振技术引入被动悬 架系统，提出了一种由主动式动力吸振器即电磁反力作动器与被动悬架组成的混 合型主动悬架系统，并设计了主动式动力吸振器，文献f 6 1 研究了相应的控制系 统。该悬架系统是在被动悬架基础了增加了作动器，结构简单，易于实现。但是， 作动器是否可以考虑在其它部位进行安装；对安装于某一部位的作动器，其参数 如何设计即有利于提高汽车行驶平顺性又能使其结构简单、易于实现；以及作动 器的主动控制力大小如何确定等，这些问题并没有解决，因此，本文在以上研究 基础上，对电磁反力作动器与被动悬架之间的匹配展开了研究。 1 2 悬架的分类 悬架系统根据导向机构的不同可分为独立悬架和非独立悬架；根据工作原理 的不同可分为被动、半主动及主动悬架门。 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 被动悬架 被动悬架是指刚度和阻尼都不能变化，无额外作动力。它由弹簧、减振器和 导向机构组成的机械结构。结构简单、性能可靠、成本低且不需要额外能量，因 而应用最为广泛。但是这种悬架的刚度和阻尼都是不可调的，按照随机振动理论， 它只能保证在特定的工况下达到最优减振效果，难以适应不同的道路和使用状 况；且难以同时获得良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。 被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳 定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、赛欧等，后悬架的选择稍多，主要有 复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。弹性元件一般采用螺旋弹簧加橡胶衬套，减振 器多选用筒式液力减振器。被动悬架的研究主要集中在两个方面：一是如何寻找 最优的悬架参数，主要通过建模仿真来实现；二是研究渐变刚度弹簧和机械可变 阻尼减振器，使悬架参数能在一定范围内适应不同的工况。 1 2 2 半主动悬架 半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度或减振器的阻尼系数可以根据需要进 行调节控制的悬架【踟。阻尼可调的半主动悬架由d a c r o s b y 和d c k a r n o p p 基 于天棚阻尼的概念于1 9 7 3 年提出【9 】。1 9 7 6 年，h u b b a r d 等人提出了刚度可调的 空气弹簧式半主动悬架【1 0 1 。半主动悬架没有专门产生控制力的元件，它按照传感 器传递的数据由控制器算出所需的控制力，然后通过调节悬架的刚度或阻尼来模 拟控制力，以衰减车身的振动。在没有外加能源的条件下，改变刚度要比改变阻 尼困难的多，因此在半主动悬架的研究中，多数采取改变阻尼的方法。半主动悬 架的研究也主要集中在两个方面：一是执行器的研究，如阻尼可调减振器；二是 控制策略的研究。 1 2 3 主动悬架 主动悬架采用有源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统，根据车辆系统 的运动状态和外部输入的变化做出反应，主动地调整和产生所需的控制力，使悬 架始终处于最佳减振状态【1 1 】。主动悬架一般由隔振弹簧、控制器和作动器组成。 主动悬架不但能很好地隔离路面振动，而且能控制车身振动，比如启动和制动时 的俯仰、转弯时的侧倾等，另外还可以调节车身的高度，提高轿车在恶劣路面的 2 江苏大学硕士学位论文 通过性。因此，主动悬架技术成为车辆悬架发展的重要趋势，它为同时改善车辆 行驶安全性和乘坐舒适性提供了广阔的前景。 1 3 主动悬架发展现状 主动悬架的概念是1 9 5 4 年美国通用汽车公司的e r s p i e ll a b r o s s e 首次在悬 架设计中提出的【1 2 1 。在2 0 世纪7 0 年代工业发达国家已经开始研究基于振动主动 控制的悬架系统主动悬架系统【1 3 1 ，8 0 年代世界各大著名的汽车公司和生产厂家 竞相研制开发这种悬架，丰田、洛特斯、沃尔沃、奔驰等在汽车上进行了较为成 功的试验。1 9 8 2 年，l o t u s 公司就研制出有源主动悬架系统，瑞典v o l v o 公司在 其车上安装了试验性的l o t u s 主动悬架系统【1 4 1 。丰田汽车公司1 9 8 6 年的s o a r e r 车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架【1 5 1 。1 9 8 9 年丰田 c e l i c a 车型上装置了真正意义上的主动油气悬架系统【1 6 1 。尼桑公司在9 0 年的 i n f i n i t e q 4 5 轿车上也装备了液压主动悬架【1 刀。此外，保时捷，福特，奔驰等公 司均在其高级轿车上装备有各自开发的主动悬架系统。 目前对主动悬架的研究主要从两个方面展开：一、研究各种可能的结构简单、 能耗低的主动悬架模型；二、研究和开发一类控制有效、能耗低、造价合理的车 辆悬架振动控制系统1 1 8 删。采用不同的控制规律和数学模型，所获得的悬架特性 是不一样的，因此采用什么样的模型和控制规律以及与之对应的悬架特性是主动 悬架研究的一个重要方面。由上面可知，国外一些发达工业国家虽然己在某些车 型上应用了主动悬架的产品，理论与实践研究表明装置主动悬架的汽车，即使在 不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水 平，乘坐非常舒服，但其结构复杂、能耗高，成本昂贵，可靠性存在问题，所以 还不能得到广泛的应用，目前主要应用于赛车和高级轿车上。随着控制技术的发 展，设计新型执行器，减少功率消耗，提高控制系统的集成化是主动悬架研究的 主要任务之一【2 1 矧。 相对于国外，在国内主动悬架的研究大多还处在理论研究阶段1 2 4 - 2 9 ，例如西 南交通大学研究的能量回馈式主动悬架，西北工业大学研究的油气主动悬架，兰 州理工大学将磁流变液应用到主动悬架系统等，这些悬架系统结构复杂，并没有 在实车上得以应用。 3 江苏大学硕士学位论文 1 4 动力吸振技术介绍 1 4 1 动力吸振的分类 根据振动控制的方法，振动控制可分为：吸振、隔振、消振和阻振刚。吸振 又称动力吸振，是在受控对象上附加一动力吸振器，用它产生吸振力抵消受控对 象的振动，也可认为是把受控对象的振动能量转移到动力吸振器。吸振技术已广 泛用于汽车、飞机、船舶、建筑等工程结构。 吸振技术主要是通过动力吸振器来实现的。根据是否有源，动力吸振器可以 分为三类：被动式、半主动式和主动式。传统的动力吸振器属于被动式，一般包 括质量块、弹簧和阻尼器，质量块通过弹簧、阻尼器与需要减振的结构相连。通 过改变系统振动能量的分布与传递特性，从而达到控制主系统振动的目的。但被 动吸振器的各项参数是固定不变的，仅在吸振器固有频率附近的频段内有效。如 果激励频率是变化的，一旦激励频率偏离被动吸振器的吸振频率，被动吸振器可 能不再有效，甚至会恶化减振对象的振动。被动吸振器的优点是成本低、结构简 单、易于安装，缺点是频带窄、鲁棒性差。目前，已在工程实践中得以广泛应用。 可以实现：单自由度系统控制，多自由度系统单个模态振动控制，多自由度系统 多个模态控制。被动吸振器进一步研究的问题包括：( 1 ) 针对工程问题设计具有 更高减振效率的新型被动吸振器；( 2 ) 深入研究被动吸振器结构参数及其配置对 减振性能的影响，研究多个被动吸振器的合理组合问题，以提高减振效率；( 3 ) 建立和完善被动吸振器的参数设计理论。目前，动力吸振器在桥梁的吊杆机构、 汽车的动力传动机构、飞机壁板机构和船体艉部结构、高层建筑等很多工程实践 中得以应用【3 1 1 。 半主动式动力吸振器是通过调节吸振器的动力学参数比如刚度或阻尼，使吸 振器频率跟踪激励频率，最大限度地抑制主系统振动，适用于时变频率激励产生 的振动。 全主式动力吸振器是通过主振系统振动状态反馈调节吸振器的振动状态，是 吸振器子系统对主振系的动态作用力与主振系的振动加速度反向，从而实现降低 主振系宽频带周期振动或随机振动响应。主动式动力吸振器的应用取决于新型执 行机构的研制和适合工程需要的控制器设计。是一项新的控制技术，目前半主动 式吸振器已在汽车、船舶、建筑及动力机械等领域中应用，而主动式吸振器尚无 4 江苏大学硕士学位论文 应用实例。目前主动式动力吸振器的研究内容包括：( 1 ) 研制新型主动式动力吸 振器执行器机构，包括机械式、电磁式、电动式、机电液耦合式以及采用智能材 料结构；( 2 ) 研究和建立自适应及智能化控制方法，提高控制精度； 1 4 2 动力吸振技术的研究现状 哈尔滨工程大学的张洪田等人研究了一种用在柴油机上的电动式主动吸振 装置【3 2 1 ，其结构如图1 1 所示。由顶杆、固定架、悬挂弹簧、直线轴承、磁钢、 线圈、磁极环和外壳构成。其中磁钢为导磁性材料，磁极环为永久磁性材料，外 壳为非导磁材料。线圈、顶杆与固定架一体与减振对象固连；外壳、磁钢及磁极 环一体构成吸振器的动质量；固定架与动质量佩振对象与动质量) 之间由弹簧 连接，悬挂频率较低，该频率决定吸振器有效频带的下限，其吸振器的下限频率 为1 0 h z 。当线圈通有电流，产生的电动力作用和反作用力分别作用在吸振对象 和动质量上。控制电流大小，便可调节施力大小以达到控制吸振对象振动目的。 山东科技大学的王全娟等人研究设计了一种新型的主动电磁式动力吸振器【3 3 】，其 结构如图1 2 所示。该电磁式动力吸振器是一种频率可调的主动式动力吸振器， 通过对动力学和电磁学的研究，得到了一个新的物理量一电磁弹簧，通过控制电 磁铁线圈中励磁电流，改变电磁弹簧的刚度值，使得其固有频率可随外界激励频 率在线调整，可以获得满意的振动控制效果。 图1 3 为中国科技大学张培强、孙红灵研究的船用主动式动力吸振器【3 4 1 。片 状磁流变弹性体一表面与吸振质量块相粘结，另一表面粘结在“u 形铁芯的内 侧面上。“u ”形铁芯的两个侧壁的下端通过磁流变弹性体、吸振质量块，构成闭 合的磁回路。磁流变弹性体相当于变刚度元件，当改变该回路中励磁电流的大小 时，通过磁流变弹性体的磁场也相应改变，因此来调节磁流变弹性体的刚度，进 而改变吸振器的固有频率。隔磁块用黄铜材料制成，通过螺钉固定在吸振质量块 的下端面，永久磁铁固定连接在隔磁块的下端面，而柱状电磁铁固定在“u 形 支架上。吸振质量块通过隔磁块与永久磁铁相连组成吸振器的动质量即吸振质 量，设置隔磁块的目的是避免永久磁铁影响通过磁流变弹性体的磁路。柱状电磁 铁和永久磁铁构成吸振器的主动力元件，通过调节线圈4 b 的电流来改变柱状铁 芯对吸振质量块的主动控制力。 5 量墨苎堂翌主兰堡堕墨 l 一定块2 一定架3 一动块 一连接块5 一线嘲6 - - 电源 闰l2 电磁式动力吸振器 f i 9 12 r h c t h c o r y o f a d i v c e l i m m a g 呻如d y n a m i c v i b r a t i o n 江苏大学硕士学位论文 l 吸振质衬：2 碰流变弹性体：3 “u ”形铁芯：4 a 线圈：4 b 线圈：5 隔碱块：6 永久磁铁：7 柱状铁芯；8 支架 幽1 3 摹于磁漉变弹性体的主动吸振器原理幽 f i g 13 t h e t h e o r y o f l l c t i v e d m a 目e d c d y a “c v i b r a t i o n = a ，s i l tv ：t 上 ： ， 鐾、 盏；重量 目。： 5 墨= ：卜4 。避灏七 、一1 墨， ；l 二j 。 i 墨毒一一灿一、 ，7 7 寸7 7 7 b 7 7 - l 吸振器：2 减振对象：3 加速度传感器；4 也荷放大器；5 拄制系统；6 功率放大器 i4 基r 磁流变弹性体主动吸振嚣控制原理图 f i gl4 t h ec o n u o l l n g t h e o r yo f a c l we l e c l r o m a g m f i c d y n a m i c v i b z a l l o nw i t hm a g n c l o - r h e o l o g l c a l 圈1 4 为土动式动力吸振器控制原理图【圳，m 。、c 。分别为减振对象 的等效质量、刚度和阻尼，m 。上作用有激励力，= a ，s i n w t ，w 为激励力的频 率，也即被减振对象的振动频率r 为被减振对象位移：m 、k 、c 为吸振器 的等效吸振质量、等效刚度和等效阻尼，后两者代表磁流变弹性体的特性：，0 江苏大学硕士学位论文 是主动力元件提供的主动力。控制方法为：使用加速度传感器测量被减振对象的 振动信号，信号经过电荷放大器放大后送入控制主机，对输入振动信号进行计算 分析，获得被减振对象振动的频率、幅值和相位信息，分别对变刚度元件和主动 力元件进行控制。x o 图1 5 主动式有阻尼动力吸振器 f i g 1 5t h ea c t i v ed y n a m i cv i b r a t i o na b s o r b e rw i t hd a m p e r 图1 5 为安装于高层建筑上的主动式有阻尼动力吸振器【3 5 】。其工作原理是： 根据测量系统测得受控对象的振动信息，及设计好的空置律，在动力吸振器的质 量块与受控对象之间旅加控制力，将在控制力、阻尼力和弹性力度作用下产生振 动。这3 个力共同反作用于受控对象，达到减振的目的。 1 5 混合型主动悬架介绍 1 5 1 混合型悬架的结构与原理 k 悬挂质量m 2 圭c ，匕一k 斜粤u j 作动器m 亍 非悬挂质量m l a _ ix 2 j x 3k j x ， q 悬挂质勤e l2 占。 一 作动器m c 1 亡 l 羊广中粤工 非悬挂质量m 1 b 图1 6 装有作动器的汽车悬架三自由度模型 f i g 1 6h y b r i da c t i v es u s p e n s i o nm o d e ls y s t e mo f o n e f o r t hv e h i c l e - jx 2 fx 3 一j jx 1 q 江苏大学硕士学位论文 图1 6 ( b ) 为文献【l 】中研究的混合型主动悬架1 4 车辆结构示意图，其中，l l 为 非簧载质量，m ：为簧载质量，毛为被动悬架刚度，c l 为被动悬架阻尼力系数，k t 为轮胎刚度，脚为作动器动质量，k 为作动器刚度，c 为作动器阻尼力系数，“为 主动控制力。q 、五、x 2 、墨分别为路面激励、轮胎位移、车身位移和作动器动 质量位移。 混合型主动悬架的工作原理为：当给作动器以控制电流时，作动器便产生控 制力4 ，系统则为主动悬架；作动器无控制电流时，则为被动吸振器，系统即带 被动吸振器的被动悬架。 1 5 2 混合型主动悬架系统可以开展的研究 文献【5 】、【6 】已经对作用于轮胎环节的电磁反力作动器的结构和控制系统进 行了设计，通过实验对电磁反力作动器的固有特性和主动控制力进行了验证，并 通过简支梁对电磁反力作动器的吸振效果进行验证，结果表明电磁反力作动器具 有较好的可控性，且在被动状态下对简支梁具有吸振效果，且主动状态下吸振效 果更好。 振动控制方法一般分为：1 对振源的控制；2 在振动对象与振源之间进行隔 振；3 对振动对象实施振动控制【3 5 1 。汽车悬架系统是一个复杂的振动系统，根据 电磁反力作动器的固有特性，其在悬架系统中可进行2 方面的振动控制，1 直接 对振动对象进行控制，即将电磁反力作动器作用于簧载质量上，降低车身的振动， 改善车辆的行驶平顺性；2 提高悬架的隔振性能，即将电磁反力作动器作用于非 簧载质量上，与被动悬架的刚度和阻尼一起提高悬架的隔振性能。因此，电磁反 力作动器在悬架系统中应该有两个安装部位，即簧载质量或非簧载质量，如图 1 6 ( a ，b ) 所示。对在2 个不同安装部位时的混合型悬架系统，在电磁反力作动器参 数可以实现的情况下，应分别研究作动器对车辆行驶平顺性的影响，以得出作动 器合适的安装部位。对安装于合适部位的作动器，其参数的确定也很重要，即要 有利于平顺性的改善，又要有利于作动器的实现。另外，作动器主动控制力对安 装部位的可控性，以及作动器应具备的主动控制力大小也应进行研究。 9 江苏大学硕士学位论文 1 6 本文研究的目的和意义 随着社会的进步，经济的发展，人们对于汽车的性能要求越来越高，现今， 汽车的舒适性和安全性越来越受人们关注。并且随着高速公路网的发展，汽车 车速有了很大程度的提高，而被动悬架系统限制了汽车性能的进一步提高，现代 汽车对悬架的要求除了能保证其基本性能外，还致力于提高汽车的行驶安全性和 乘坐舒适性，向高附加值、高性能和高质量的方向发展。随着电子技术、传感器 技术的飞速发展，以微电脑为代表的电子设备，因性能的大幅度改善和可靠性的 进一步提高，促成汽车电子装置的高可靠性、低成本和空间节省，使电子控制技 术被有效地应用于包括悬架系统在内的各个部分。通过采用电子技术来实现汽车 悬架系统的控制，既能使汽车的乘坐舒适性达到令人满意的程度，又能使汽车的 操纵稳定性达到最佳状态。因此，主动悬架必将是今后汽车悬架发展的方向，必 将有一个光辉的前景。 鉴于国内对主动悬架的研究尚处于初始阶段，所以对主 动悬架的研究，有其重大的现实意义。本课题通过对混合型悬架中电磁反力作动 器与被动悬架的匹配进行研究，根据平顺性评价指标，研究了电磁反力作动器的 安装部位，参数优化设计，主动控制力与轮胎之间的传递特性。本课题为主动悬 架的研究提供了一种新的思维方式，也为以后主动悬架的试验研究及产品开发提 供理论和数值参考。 1 7 本文研究的主要内容 本文以某微车为研究对象，根据车辆行驶平顺性的要求，研究了与该车相匹 配的电磁反力作动器，其主要内容可归纳如下： ( 1 ) 从运动学和动力学分析入手，建立被动悬架、作动器车身环节安装、 轮胎环节安装时混合型主动悬架2 自由度1 4 车辆数学模型。 ( 2 ) 对被动吸振器在不同安装部位时，分别分析了被动吸振器主要参数对 悬架动挠度、相对动载和车身加速度幅频特性以及车身加权加速度方均根值的影 响。 ( 3 ) 利用m a t l a b 优化工具箱，以车身加权加速度方均根值最小为目标，被 动吸振器的主要参数为设计变量，对被动吸振器的主要参数进行优化设计。建立 带有被动吸振器的整车1 1 自由度数学模型，应用s i m u l i n k 对整车7 自由度和1 1 1 0 江苏大学硕士学位论丈 自由度模型进行仿真，以得出混合型悬架车辆平顺性的改善程度。 ( 4 ) 分析了作动器在被动吸振状态下混合型被动悬架与被动悬架车身振动 位移幅频特性之比，并研究了电磁反力作动器的主动控制力与轮胎之间的力传递 特性以及轮胎所受动载荷。 ( 5 ) 搭建1 4 车台架实验平台，对电磁作动器与轮胎之间的力传递特性以 及作动器被动吸振状态对车身和轮胎振动的影响进行实验验证。 ( 6 ) 建立整车被动悬架7 自由度数学模型和带有被动吸振器的整车1 1 自由 度数学模型，应用s i m u l i n k 对整车7 自由度和1 1 自由度模型进行仿真，以得出 被动吸振器对整车平顺性的影响。 1 1 江苏大学硕士学位论文 第二章车辆模型的建立和平顺性评价 2 1 车辆模型的建立 要进行汽车悬架的平顺性分析和优化，就必须建立汽车的平顺性模型并进行 频响特性求解。汽车是一个复杂的多自由度非线性系统，从理论上讲建立的模型 自由度越多就越接近汽车的实际情况，但实际并非这样，因为自由度数增多需要 确定的参数也随之增多，而确定较多的参数困难也增大，并且参数越多误差也越 大。而本文研究的混合型悬架系统电磁反力作动器有3 个参数，即使在同一辆汽 车中，前后悬架系统参数不同，匹配的作动器参数也不同。在整车模型的建立中 一般选择七或八自由度模型，将电磁反力作动器引入被动悬架后，相当于增加了 4 个自由度，6 个参数；考虑一辆汽车要安装4 个电磁反力作动器，且作动器的 安装部位和参数设计主要与1 4 车被动悬架参数关系密切。因此，在研究电磁反 力作动器的安装部位、参数设计和控制力的匹配中，选择二自由度1 4 车辆模型。 2 1 1 被动悬架模型 为研究方便，并考虑实验室悬架实验台的具体情况，构建了混合型悬架系统 1 4 车辆振动模型，包括簧载质量和非簧载质量两个自由度。建模过程做了如下 假设【3 6 】： ( 1 ) 所研究的车辆结构对称( 对称于汽车横、纵轴线) ，质量分布对称，车 辆的质量分配系数为1 。 ( 2 ) 鉴于乘员与车身运动的一致性，将其整体视为车身系统。且不考虑发 动机和传动系对车身的影响，把车身系统视为刚性弹簧质量。 ( 3 ) 车轴和与其相连的主轮视为簧下质量，车轮在中心线上与路面为点接 触。 ( 4 ) 轮胎模型模拟车辆地面输入，忽略轮胎变形过程中的阻尼值，并简 化为具有等效线性( 径向) 刚度的弹簧，认为轮胎在行驶过程中始终与地面接触。 江苏大学硕士学位论文 i 悬挂质量n 2 蛆幸n 中 l 非悬挂质量- i l l j x 2 j x l j q 图2 1 被动悬架1 4 车模型 f i g 2 1p a s s i v es u s p e n s i o nm o d e ls y s t e mo fo n e - f o r t hv e h i c l e 通过以上四个假设，本文将复杂的车辆系统简化为图2 1 所示的两自由度振 动系统，其中m l 为非簧载质量，m 2 为簧载质量，k 1 为悬架刚度，c 1 为悬架阻 尼力系数，毛为轮胎刚度。q 、而、x 2 分别为路面激励、轮胎位移、车身位移。 对图2 1 所示被动悬架模型，运用牛顿第二定律建立两自由度被动悬架系统 的运动微分方程为： m ：j f 2 + k l k 一而) + c l g 2 一毫) = 0( 2 1 ) 坼葺+ j ；k 国+ j i i k - 甸+ q 住勘= o( 2 2 ) 选择系统状态变量：x = 皿。石2 工，x 。r = k 岛葺屯】r ；令w = 口为 路面白噪声输入；输出向量y = i x 2x 2 一五x a 一而r 则系统的状态方程可写成： j = a x + b w ( 2 3 ) 输出方程可写成： y = c x + d u ( 2 q 其中：a = 一旦旦一生堕一旦 ，l l竹啊 旦一旦 且 一生 m 2历2m 2 m 2 1 000 0100 一 鲁。 江苏大学硕士学位论文 c = ，d = 【00 一妒 2 1 2 作动器车身环节安装时混合型主动悬架模型 在图1 6 ( a ) 所示模型中，m 为作动器质量，k 为作动器刚度，c 为作动器阻尼 力系数。毛为作动器动质量位移，其他参数的意义同图2 1 中的被动悬架。 采用拉格朗日方程建立系统的运动微分方程为： m 2x 2 + k , ( 1 2 一而) + c 1 0 乞一五) + 七0 乞一而) + c 岛一x 3 ) + u = o ( 2 5 ) 铂西+ 毛“一x 2 ) + q “一屯) + 毛瓴一鼋) = 0( 2 6 ) 肌黾+ k ( x 3 一x 2 ) + c ( x 3 一屯) 一“= 0 ( 2 7 ) 在此利用如前述建立被动悬架模型的方法来建立作动器车身环节安装时混 合型悬架模型，选择系统状态变量： x = 防，x 2x 3x 。x 5x 。r = i x ：一x l 五x l q 南x 3 一x 2 岛r 输出向量： y = 瞄2x 2 一x t 毛一留】r ， 令w = 圣为路面白噪声输入。 则系统的状态方程可写成： = a x + b u + d w ( 2 。8 ) 输出方程可写成： y = c x ( 2 9 ) 1 4 毛一鸭1 o 一 毛一以1 旦鸭o o 一 生屹o o 江苏大学硕士学位论文 其中：a = 0 毛 m 2 0 缸 m a 0 0 1 c l c m 2 m 2 0 c l m l 一1 c m b = 【0 1 m 2 0 0 0 l m t d = 【0 0 10 0o 】r ，c = 0100 o 旦上旦 m 2m 2肌2 0100 一蔓一旦o0 川1m l 0001 00 k 三 毛c 1 c 柳2m 2m 2 10 0o 2 1 3 作动器轮胎环节安装时混合型主动悬架模型 0 旦 m 2 00 10 k c m 2m 2 0 o 0 0 作动器轮胎环节安装时混合型悬架2 自由度简化模型如图2 1 ( b ) 所示，采用 拉格朗日方程建立系统的运动微分方程为： m 2x 2 + k l ( 而一x m ) + q ( x 2 一置) = 0 ( 2 1 0 ) ，啊五+ 白瓴一x 2 ) + q “一吃) + 乞“一d + 后瓴一x 3 ) + “x x x 3 ) + u ：o ( 2 1 1 ) 肌屯+ 七( 屯一而) + c 亿一x o u = 0 ( 2 1 2 ) 选择系统状态变量： x = i x 。x 2x 3 x 4x 5x 。j r = i x 2 一而岛x l x o 毫x 3 一而岛i r 输出向量： y = i x 2x 2 一x 1 毛一目r ， 令w = 口为路面白噪声输入，“为电磁驱动力。 则系统的状态方程可写成： 输出方程可写成： z = a x + b u + d w ( 2 1 3 ) y = c r ( 2 1 4 ) 江苏大学硕士学位论文 其中：a = b = 0 。一i 1 。1 r , o = 【0 。一1 。奸 c = 一且一旦。旦oo m 2m 21 1 2 10o000 00100 0 2 2 路面输入模型 路面的高低不平是引起车辆振动的最主要的激励源。路面不平度是一个很复 杂的随机过程，很难对其进行统计分析。为了研究的简便，一般按照1 9 8 4 年国 际标准协会在文件i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案 p 7 】 和国内由长春汽车研究所起草制定的“车辆振动输入一路面不平度表示方法草 案【3 8 】所建议的采用路面不平度功率谱密度描述其统计特性。其功率谱可以表 示为： g q ( ，1 ) ：g 舢印1 ( 2 1 5 ) 式中，拧为空间频率，表示每米长度中包含的波数，单位为m 1 ；为参考 空间频率，b o = 0 1 m ；g 鼋，( ) 为参考空间频率下的路面谱值，称为路面不平 度系数，单位为m 2 l l l - l - m 3 ；w 为频率指数，确定每段功率谱斜线的斜率，取值 由路面谱的频率结构确定。 根据路面功率谱密度把路面按不平度分为8 级，表2 1 规定了各级路面不平 度系数g 。( 厅o ) 的变化范围及其几何平均值，分级路面谱的频率指数w = 2 。其中， 1 6 o o o c一鸭1 c朋 o o o七一竹。七一m c o q一屹1”一鸭。c一小 一 o o ot一竹o o 1 q一o q 一o o 1 q鸭o q 一o o o毛一o毛一m o oo孑且吾。 江苏大学硕士学位论文 我国公路路面功率谱基本在a 、b 、c 和d 四级范围内，b 、c 级所占的比重较 大。 表2 1 路面不平度8 级分类标准 t a b 2 1 g r a d i n gs t a n d a r d so fm a ds u r f a c er o u 曲n c s s g g 瓴) 0 0 巧m 3 ) q o = 0 1 m 4 )o r g 0 0 m ) ( 0 0 1 1 m 1 n 2 8 3 m j ) 路面等级 几何平均值几何平均值 a1 63 8 1 b6 4 7 6 1 c 2 5 61 5 2 3 d 1 0 2 43 0 4 5 e 4 0 9 66 0 9 0 f1 6 3 8 41 2 1 8 0 g6 5 5 3 62 4 3 6 l h2 6 2 1 4 44 8 7 2 2 2 2 1 频域模型 对于汽车振动系统的输入除了路面不平度，还要考虑车速这个因素，根据车 速v ，可将空间频率密度谱吒o ) 换算为时间频率谱密度q ( 厂) 。当汽车以车速1 ， ( 单位为m s 。) 驶过空间频率鼯的路面不平度时，输入的时间频率，( 单位为 s - 1 ) 是聆与1 ，的乘积，即： 厂=y霹(216) 故而，可得时间频率谱密度： g 。( 厂) = i hg 口0 ) ( 2 1 7 ) 当w = 2 时，得： g ) 1 “g q 喙) _ 2 = g 舢) n 0 2 ，v 7 ( 2 1 8 ) g q ( 厂) 指的是路面不平度垂直位移功率谱密度，对上式求导，还可得到速度 1 7 江苏大学硕士学位论文 功率谱密度，由公式可知，路面速度功率谱密度不随频率变化而变化，在整个频 率范围内为一个常数，因此汽车的路面速度输入为一白噪声。 g 毒( 厂) = ( 坷) 2 g 口( ，) = 4 万2 g q 眠n ov ( 2 1 9 ) 2 2 2 时域模型 产生随机路面不平度时间轮廓常有两种方法，由一白噪声通过积分器产生或 由一白噪声通过成形滤波器产生【3 9 1 。本文采用滤波白噪声作为路面输入模型，即 而( f ) = 一2 z f o x o ( t ) + 2 刀n o , c q ) y 以) ( 2 2 0 ) 式中：( f ) 一路面位移( m ) ；g 。( ) 一路面不平度系数( m 2 m - 1 ) ；，一车速( m s 一1 ) ； w ( t ) - - 系统输入为单位强度为l 的白噪声；f o 一截止频率( h z ) 。 在s i m u l i n k 中建立路面的随机输入模型如图2 2 所示，当路面为c 级，车速为 1 4 m s 时，仿真结果如图2 3 所示。 由图2 4 可以看出根据滤波白噪声法生成的路面不平度时域信号的功率谱密 度与理论计算的路面功率谱密度走向一致，因此采用此方法可以很好地模拟实际 路面激励信号。 t ow o k s p a o e 图2 2 路面随机激励时域模型 f i g 2 2t u n ed o m a i nm o d e lo fr o a dd i s t u r b a n c e 1 8 江苏大学硕士学位论文 耋 事 毪 鬟 篓 彗 基 图2 3v = 5 0 k m h 、c 级路面时域仿真曲线 f i g 2 3t h es i m u l a t i o nr e s u l to