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悬架是汽车底盘的关键子系统,其性能对车辆的行驶平顺性及安全性都有重要影响。主动和半主动电控悬架通过控制刚度和阻尼以适应汽车行驶条件的变化,能显著提高整车的行驶平顺性和安全性,成为汽车底盘技术领域的研究热点之一。目前在研究主动/半主动电控悬架时,普遍把弹簧刚度和减振器阻尼作为两个变量分别进行控制,这对悬架动力学模型的精确度要求较高,因此悬架参数的摄动、外部激励的突变和控制过程的时滞等因素一直制约着悬架控制效果的提高。本文从降低主动/半主动电控悬架作动器成本和提高作动器动态自适应性能出发,提出了一种阻尼和刚度联动可控、采用同轴一体式结构的空气弹簧减振器,对其工作原理、结构设计、动力学模型、控制策略及动态性能仿真进行了研究,主要工作如下:
首先,简要分析了国内外汽车主动/半主动电控悬架及其执行装置的研究现状,针对目前存在的不足,设计了一种新型的一体式空气弹簧减振器,介绍了其结构组成和工作原理,并针对某轻型商用车后悬架进行了空气弹簧减振器结构方案设计。该新型空气弹簧减振器采用同轴式一体化结构,刚度和阻尼特性具有内联性,减振器的阻尼特性由外部电控装置控制,弹簧的刚度特性则由减振器联动调节。
建立了只考虑一体式空气弹簧减振器刚度特性的双气室空气弹簧物理模型,在此物理模型的基础上,应用流体力学等理论建立了一体式空气弹簧减振器的刚度特性模型,并用对其刚度特性进行了仿真分析,仿真结果表明空气弹簧减振器能根据工况自动改变刚度特性。
基于所建立的四分之一悬架动力学模型和各级路面数学模型,运用遗传算法对一体式空气弹簧减振器阻尼进行了多种典型工况下的分级优化。在阻尼优化方案的基础上,研究了两种适用于该减振器的控制策略,压力控制策略和联合控制策略,通过仿真分析,两种控制策略均能很好的在兼顾安全性的基础上改善悬架平顺性。与原车被动悬架相比,压力控制对平顺性改善效果优于联合控制,车身加速度最大降低了25.98%;而联合控制更好的兼顾了安全性,轮胎动载荷最大可降低13.9%。
最后建立了一体式空气弹簧减振器动态性能仿真模型,利用Matlab软件编制了计算机仿真程序,仿真分析了减振器的动态特性和阻尼系数,为这种新型结构的空气弹簧减振器的开发及其在主动/半主动电控悬架中的应用提供了设计理论和技术基础。