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基于 UGADAMS 汽车 悬架 三维 建模 分析

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学术论坛( R E S EA RC H F O RU MS卜 文章螭号：1 1 1 0 2 - 4 5 8 1 f 2 0 0 2 0 0 2 7 - 0 5 车辆 架系 孝辆智锈悬窖发展的研宓 中圈分类号：U 4 6 3 , 3 3 0 引言 车辆悬架系统按照系统组成有无控制环节， 可粗略分为被动悬架系统和智能悬架系统 。被动 悬架由不可调节参数的悬槊元件构成；而智能悬 架组成元件中含有可调节参数的悬架部件 ，例如 可调阻尼元件 ( 可控减振器 )或可调弹性 元件 ( 可调空气弹簧或可调油气弹簧) 。智能悬架根据 有无外界能源输人又可以分为半主动悬架和主动 悬架两种 。半主动悬架同主动悬架相比有一个显 著特点，不需要消耗很多的发动机功率，而且悬 架还可以保证 良好的舒适性。 长期以来 ，车辆一直采用被动悬架 ，这种悬 架仅仅是对最优乘坐舒适性和操纵稳定性的折衷 设计。这种折衷的设计不具有广泛适应性，如果 车辆的其它参数发生改变，悬架系统的性能也不 再能适用于新的变化 基于被动悬架的上述设计 缺陷，人们提出了各种改进方案 ，例如使用非线 性变刚度弹簧、车体高度调节装置等 ，虽然取得 了一定的效果，但是仍不能从根本上消除被动悬 架缺陷。 各国从2 0 世纪6 0 年代开始了智能悬架的研究 】，这种新的悬架系统能使车辆始终处 于最 优或 欢优的减振状态 ，即车辆悬架参数在车辆行驶过 程 中能够根据路况或车况的改变而灵活改变，保 持车辆的最佳乘坐舒适性和操纵稳定性。随着控 制理论和计算机技术的进一步发展以及先进生产 文献标识码 ：C 工艺的应用 ，智能悬架必将成为车辆悬架系统的 发展趋势。 1 汽车智能悬架系统发展现状 主 动悬架 的概 念最早 由美 国的F e d e r s p i e l L 丑 b m6 e 教授在 1 9 5 5 年提 出 但受技术水平和价 格的限釉 ，一直没有形成批量在汽车上应用。 英国莲花公司于8 0 年代开始研究实用型主动 悬架，其初衷是针对降低高速运行时F l 方程式赛 车突出空气升力问题 ，为了改善这种现象 ，车辆 需要使用极硬的悬架，而这种近乎于剐性的悬架 系统给车辆和驾驶员造成了巨大的压力。莲花公 司最初的主动悬架使用液压减振器取代了传统的 “ 弹簧+ 减振器”被动悬架。试验证明该主动悬架 在降低车辆垂直振动、俯仰和侧倾上取得了成 功， 提高了车辆的平顺性和稳定性。安装有该公 司改进型主动悬架的F 1 方程式赛车在1 9 8 7 年国际 汽车巡回大奖赛中赢得了两次冠军。这引起了汽 车界的轰动， 一些太的汽车公司纷纷开始实用型 主动悬架技术研究。 美国的福特公司也研制出了一种智能悬架系 统并将其应用于雷鸟轿车上，取得了满意的效 果 ，但是该系统也付出了一定的代价：能耗 0 2 5 k W，整车重量增加2 5 k g ，售价 为5 0 0 0 美元。 该系统虽然达到了预期设计 目标 ，但是其昂贵的 造价使得福特公司只有将其柬之高阁。 意太刺沃尔沃 O L O )公司同莲花公司合 2 7 尿 汽 北 维普资讯 学术论坛 ( R E S E A R C H F O R U MS) 作 的主动悬架系统 ，在其采用增压发动机的7 6 0 型轿车上进行了试验。 日本 的丰田 ( T o y o t a )公司1 9 9 0 年推 出了一 款新车 ( T o y o t a A c t i v e S p o r t s C e l ic a ) ，采用有限 带宽主动悬架系统，但是该系统反应较慢 ，而且 在某些工况下还会影响车辆操纵性；尼桑 ( N i s s a n )公司1 9 9 1 年推 出了一款装有尼桑公 司研制 的全主动悬架的新车无 限Q 4 5 ，该款车同丰 田公司所推出的装有主动悬架的车型相 比，具有 很平缓的乘坐舒适性 ，但是价格昂贵单价高 达5 5 0 0 美元。丰田公司的主动悬架系统因为存有 缺陷，目前 已经停产。 而半主动悬架具有结构简单 、可靠性好、能 耗低 、造价低等优点而备受关 注，具体的代表 有 ： M a r g o l i s 等人于1 9 7 5 年演示了开关控制的半 主动悬架 ，它能产生较大的阻尼力 ，这种悬架改 进后在近十年汽车工业界得到应用。 日本尼桑公司研制了一种 “ 声纳”式半主动 悬架 ，它可通过声纳装置预测前方路面信息 ，悬 架减振器有 “ 柔和” 、 “ 适中”和 “ 稳定”3 种选 择状 态。丰田的L E X U S S 4 0 0 G T 型轿车 的减振 器阻尼也有3 种档位可供选择。 M e r c e d e s B e n z 公 司的H u a n g Z h e n 等人研制 的一种可调的液压减振器 ，在筒式减振器的两腔 安装可控液压阀和蓄能器 ，通过电气控制和与主 阀配合，可以提供4 种不同的减振工作性能。 英国的K a k i z a k i S h i n o b u 等人于1 9 9 5 年研制出 一种具有可调节阻尼和诊断系统的液压减振器。 当出现故障时，诊断系统可将减振器 自动转至最 小的阻尼工况。减振器的控制系统 由两个子系统 组成 ：第一个子系统接收车身垂直加速度、车速 和转向盘转角信息 ，确定最佳阻尼，并有诊断装 置。第二个子系统根据第一个子系统的数据 ，由 步进电机给滑阀发出控制信号 ，而且也安装诊断 装置。当诊断系统发现故障时，发出信号 ，滑阀 转动到中间位置，为车辆提供固定阻尼。 M a n n e s m a n n 公司和WA B C O 公司为重型车辆 研制 了具有比例液压阀的连续可调阻尼减振器 ， 通过调节比例阀的输入电流 ，达到控制阻尼力的 目的 。 2 8 德 国的F o r s t e r A n d r e a s 公司在1 9 9 5 年研制了 可调减振器，其结构特点为 ：减振器由带有线圈 架和芯子的电磁阀控制，同时采用空心活塞杆来 减少结构尺寸 ，空心杆局部起导磁体的作用 ，使 装置的磁通量反向闭合。 综上所述 ，在民用车辆领域 ，虽然采用主动 悬架可以有效改善车辆的乘坐舒适性、提高操纵 稳定性 ，但是 昂贵的价格使其性价 比很低3 1 ，因 此一些大的汽车公司对主动悬架的应用前景不是 很看好。而半主动悬架由于其 良好的减振缓冲性 能，高的性价比，备受业界关注，具有 良好的市 场前景4 1 。 2 汽车智能悬架的设计研究方法 当前，由于仿真技术的强大支持 ，车辆悬架 的设计与研究不再仅仅依靠理论设计 和实验验 证 ，而是结合运用软件仿真、实验室台架试验 、 实车道路试验3 种方法来研究设计悬架。 2 1 仿真研究 对悬架系统进行动力学仿真分析一直是车辆 动力学研究的热点。车辆是一个复杂的人机环境 动态系统，传统的研究方法一般建立在对系统过 分简化 、假设和局部片面的数学模型基础上 ，所 取得的研究成果不是很明显。随着计算机技术的 发展 ，使得动力学分析与仿真研究成为车辆系统 研究 、设计、生产、试验、鉴定、操作、使用等 方面不可或缺的现代化手段。 通过仿真计算来设计优化悬架参数，可 以预 先了解悬架的特性 ，同时还可以节省科研经费 ， 缩短研制周期。仿真研究将是智能悬架发展必不 可少 的工具 。 2 1 1 动力学仿真研究 运用机械工程的虚拟样机技术对悬架系统进 行动态仿真。这种技术核心是机械系统运动学和 动力学仿真技术 ，同时还包括三维C A D 建模技 术 、有限元分析技术、机电液控制技术 、最优化 技术等。 利用这些新兴技术，可以很快地建立智能悬 架 的虚拟样 机 ，对整车系统 的悬架性能进行研 维普资讯 学术论坛 究 ，值得一提 的是 ，美 国MD I 公 司开发 的A D AMS 软件被广泛 的应用于车辆悬架的设计和仿真四 。 它不但可以建立多体模型，实现刚体或弹性体的 动力学仿真，还具有专用的控制接口，液压系统 接口，为汽车智能悬架的 “ 机电液”联合仿真开 辟了一条捷径 。此外 ，A D A M S 还具有强大的数 据库支持 ( 例如对车辆悬架形式和轮胎等方面的 大量的分析 ) ，这些都为悬架的设计提供了强有 力 的 帮助 。 目前 ，类 似 软 件 还 有S I M P A C K、 V D A S 等 。世界上许多著名 的汽车公 司 ( 例如 A u d i ，B M W，R e n a u l t 等 )都采用这种高精度的 虚拟样机技术进行动力学仿真。 2 1 2 车辆部件结构特性分析研究 在车辆建模过程中，通常将关键部件考虑为 刚体或柔性体进行计算，刚体计算简单 ，但结果 可靠性差 ：柔性体计算可以更精确地逼近部件运 动过程中变形和受力。柔性体分析主要是利用有 限元软件进行计算和仿真 ，模拟各部件在运动过 程中受到各种恶劣工况时所受外力情况，并分析 其内部的受力状况，以判别其工作是否可靠。这 在分析材料的结构强度时十分有用。例如 ：确定 车辆悬架系统的关键部件设计是否合理、所选材 料是否恰 当等 ，就要用到有限元结构分析软件 ， 如A N S Y S 、N A S T R A N、I - D E A S 、MA R C 等 。实 践证明，这些分析软件可以为悬架部件合理设计 提供有力的验算和帮助。 2 1 3 控制仿真软件 主要是M A T R I X和M a t l a b S i m u l i n k 。尤其是 大型数字仿真软件M a t l a b S i m u l i n k 推出后 ，使得 控制仿真更加容易，其强大的接口能力，使得执 行部件和控制系统的联合仿真成为可能。例如 ， 在C A D C A M基础上发展起来 的虚拟样机技术在 结合控制系统仿真后，所构成的 “ 机电液”系统 联合仿真方法的出现，迅速推动车辆智能悬架技 术的向前发展。 2 2 悬架控制算法研究 悬架控制器是智能悬架的核心技术。自从智 能悬架概念产生后 ，各国的科研人员就没有停止 过对悬架控制算法和控制策略的研究。通常按照 控制对象悬架系统动力学建模的复杂程度 ， 塞 兰 至 ： 一 将控制策略大致分为线性控制模型和非线性控制 模型。在线性控制中将悬架模型理想化为一个线 性系统 ，这是研究悬架控制最简单也是最常用的 方法 ，而且在实际系统 中得到了应用 ；非线性 控 制中考虑了较多的非线性因素，使得动力学建模 和控制算法的复杂性难以实现。在非线性控制策 略中，近年来随着智能控制理论的发展，在车辆 悬架控制领域也得到了充分的重视和研究 ，将各 种智能控制方法引入到悬架控制领域。下面介绍 几种具有代表性的控制方法。 2 2 1 天棚阻尼控制 天棚阻尼控制是一种线性控制，控制器需要 作动器所产生 的力同汽车簧上质量的速度成正 比。在智能悬架中，采用天棚阻尼控制是比较常 见的控制方法，在半主动悬架中尤其普遍 ，通过 实时调节可控减振器阻尼值实现车辆的最佳振动 控制。性能试验表明，该悬架系统无论是抑制来 自地面的冲击还是抑制车辆的各种操作引起车姿 的变化，都具有非常明显的效果。 2 2 2 开关控制 开关控制最早用在莲花公司的半主动悬架系 统上，用于控制车辆的乘坐舒适性 ( 减小系统阻 尼)和改善操纵稳定性 ( 增加系统阻尼) 四 。其基 本思想是尽量保持车体在运动中的平稳状态 ，使 外界干扰对车体运动造成的影响最小 。通过装在 车体的传感器测量车辆运动中车体俯仰和侧倾的 变化，根据测量信号，控制器发出指令，让可控 减振器失去作用 ( O F F ) ，抑制即将引起车体俯 仰 ( 或侧倾)趋势；否则，保持该可控减振器继 续作用 ( O N ) 。 2 2 3 决策控制 由于悬架系统的非线性和复杂性 ，建立精确 的数学模型十分困难 ，且在运用这些复杂的数学 模型建立控制模型时，存在控制模型复杂、计算 量大、准确性差等缺点。为实现悬架系统的实时 最优，系统需要花费巨大的代价复杂的执行 机构、昂贵的传感设备、时变的作动器、巨大的 功率消耗等，使得整个 系统性价 比差 。相 比之 下，追求车辆所经过某一段路面或一段时间内的 统计最优，效果明显 ，容易实现 ，且实现统计规 律最优比追求实时最优控制花费的代价要小 。故 2 9 乐 汽 维普资讯 学术论坛 ( R E S E AR C H F OR U MS ) 决策控制也经常用于悬架控制系统中。 2 2 4 遗传算法一模糊逻辑控制 此控制方法使用遗传学习算法定义模糊控制 规则。遗传算法使用 “ 适者生存、物竟天择”的 自然进化思想产生解的新种群。该方法的前提是 优良的特性被遗传给下一代。可以根据事先制定 的评价依据 ( 例如悬架动行程 ，俯仰角速度，车 体振动加速度等) ，来确定悬架的参数 ，它 的优 点是不需列写系统的状态空间表达式 ，直接确定 控制参数。 2 2 5 基于L Q G 的模糊控制 将悬架动力学模型简化为线性模型，可建立 简单的控制模型。线性控制问题在控制理论界已 经得到了较好的解决。故大多数悬架控制方法将 悬架动力学模型假设为线性。 基本思想是用模糊逻辑方法建立用于L Q G ( 线性二次高斯)控制的隶属度函数。用L Q G 控 制器代表非线性悬架系统的一些线性模型。仿真 试验和台架试验表明，采用此种控制方案的智能 悬架在改善车辆平顺性和操纵稳定性上取得了明 显的效果。 2 2 6 预瞄控制 预瞄控制以其预知性 ，显示 了突出的优点。 通过预测传感器 ，提前获知车辆前方路面状况信 息 ，对悬架系统进行提前调节 ，可以实现满足一 定精度的实时控制和最优控制。预瞄控制的关键 技术是安装于车辆前端的预瞄传感器 ( 非接触式 传感器) 。 预瞄传感器可以用在防止车辆碰撞和机 器人车辆中，目前这正是悬架预瞄控制研究的热 点。虽然仿真计算和实车试验都显示预瞄控制可 以显著提高车辆悬架性能，但实际中装有预瞄传 感器的悬架系统增加了系统的成本和复杂程度。 2 3试验研究 长期 以来 ，实验手段一直是人们认识世界 、 改造世界的最有利的方法 ，在汽车悬架系统的研 究方面，实验方法发挥 了很大的作用。在悬架研 究领域，实验研究分为实验室台架实验和实车道 路实验。 2 3 1 实验室台架试验研究 建立专门的车辆动力学台架实验室 ，用液压 3 0 激振头模拟实际路面输入。在实验室内就可方便 模拟各种实际工况 ，例如悬架参数 、车辆参数或 路面状况等。在车辆实际运行中要改变这些参数 是非常困难的，经济性也不好。根据激振头数量 的多少可将试验平台分为单轮 、半车和整车3 种。 其中单轮台架最简单 ，只需要一个激振头，只能 进行简单的车辆悬架或悬架零部件研究 。相 比之 下整车台架最复杂、造价也最高 ，但其所能进行 的车辆悬架的性能研究是最全面的。 台架试验的 目的有以下3 个 ：验证智能悬 架系统硬件及控制器能否正常工作 ；对控制器 控制算法进行微调 ；检验智能悬架系统对整个 车辆系统减振性能的改善程度。 2 3 2 车辆道路试验研究 建立专门的车辆道路试验场 ，例如 ，美国著 名的阿伯丁车辆道路试验场和F t K n o x 武器试验中 心等 ，可以模拟各种路况对车辆底盘系统进行最 全面的研究。我国也建有类似的道路试验。 实车道路试验可以更加全面的反映车辆悬架 的性能。实车试验可以分析整个悬架部件 ( 包括 执行机构 、控制系统)的性能和可靠性 。这样不 但可为机械部分的设计提供指导 ，还可为悬架控 制策略的制定提供依据 ，同时也可以检验仿真设 计计算的准确性 ，为将来的动力学建模积累经 验。但是实车试验设计周期长 ，而且经济性差。 试验研究的内容主要是考察车辆的乘坐舒适 性。为比较分别装半主动悬架和被动悬架车辆悬 架系统的性能 ，需要进行对 比试验 ，主要是测试 车辆在通过标准随机越野路面和特定障碍路面 ( 一定高度的半圆障碍) 时 ，车辆的垂向加速度 、 俯仰角加速度、侧倾角加速度等指标 。文献 6 】 提到的实车试验表明，当极限车速限制在车体垂 向振动加速度2 5 g 时，装有半主动悬架的车辆 同只装有被动悬架的车辆相比，平均提高极限车 速1 4 ， 最大提升幅度达到了6 8 。 相关试验数据 表明，半主动悬架系统在提高车辆的越障能力和 最高行驶车速上显示了比被动悬架优越的性能。 3 结束语 智能悬架具有平缓柔软的乘坐平顺性 ，能够 I 。一 ， 维普资讯 学术论坛( R E S E A R C H F OR U MS ) 大幅度减少加速和转向操纵时车辆姿态的变化 ， 并且维持平缓的姿态，可对相应路面和车速进行 最佳车高控制 ，随着工况的变化 自行调节悬架参 数 ，使车辆的减振缓冲达到最优或次优。基于 目 前 国内、外智能悬架的发展状况及其研究方法 ， 可以看到： ( 1 )智能悬架的发展已经成为悬架系统的发 展趋势。传统的被动悬架已不能满足人们对汽车 行驶平顺性和操纵稳定性的要求。而从当前的技 术实际状况来看 ，发展半主动悬架更具技术优势 和市场前景 。 ( 2 )智能悬架的研究方法不再单一。控制技 术、液压技术 以及多刚体动力学等将为其发展奠 定深厚的理论 、技术基础。仿真研究要继续深入 研究 “ 机电液”联合仿真技术 ，同时还要立足于 走仿真设计和实验结合的道路。仿真环节和实验 环节要相辅相成，共同向前发展。 ( 3 )车辆是一个不可分割的整体 ，发展智能 悬架还要注意多方位联控与总线技术。 目前汽车 各个模块都在朝着智能化方向发展 ，如 自动换档 ( A T ) 、A B S A S R，以及发动机的电喷等。总线 技术将是汽车智能化的重要方向。 ( 上接第2 6 页)家发展建设的重要内容。因此在 选择政策性措施时 ，应以经济手段即补贴或税收 和政策性激励为主要手段 ，保证农用车排放管理 制度顺利实施 的同时力争较 少的触及农 民的利 益 。 ( 1 )以排放性能衡量燃油退税 比例的政策 。 国家对农业机械用柴油实行退税制 ，退还给农民 的这部分钱款如何切实的返还到农民手中，各地 方政府采取 的方式不尽相同。北京市可 以把车辆 的排放性能作为返还量的衡量指标 ，这样农民为 获得更多的返款必将注意保持车辆的排放性能。 ( 2 )建立更新车辆税收补偿制。新车的技术 水平总是比老旧车高，因此更新车辆后污染物排 放就会减少。在希腊和意大利 ，采取给更新车辆 者以税收补贴的方法予以鼓励 。 总之 ，智能悬架以其高性价比，良好的乘坐 舒适性和操纵稳定性成为当前车辆悬架系统的发 展趋势。智能悬架的研究要基于计算机技术、控 制理论、液压控制技术以及多体力学等学科的发 展 。 参考文献 【 1 1丁法乾 履带式装甲车辆悬挂系统动力学 【 M 1 北京 ：国 防工业 出版社，2 0 0 4 【 2 1 H r o v a t D S u r v e y o f a d v a n c e d s u s p e n s i o n d e v e l