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半主動懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比控制策略研究?

2018-03-01 03:40趙雷雷周長城于曰偉
汽車工程 2018年1期
關鍵詞:阻尼比限位撓度

趙雷雷,周長城,于曰偉

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院,淄博 255000; 2.北京郵電大學自動化學院,北京 100876)

前言

傳統(tǒng)被動懸架很難滿足車輛不同工況下舒適性的需求。為此,設計人員常通過懸架阻尼的控制來改善懸架系統(tǒng)的性能[1-2]。半主動懸架系統(tǒng)因可有效改善車輛行駛舒適性且控制策略的實現(xiàn)比主動懸架成本低,引起了國內外學者的高度關注[3-5]。

目前,國內外學者已對半主動懸架系統(tǒng)阻尼及控制進行了大量研究,應用較多的是基于車身振動速度和基于車身振動加速度的控制方法。其中,應用最多且較成功的控制方法是基于速度控制的天棚控制及其改進方法。雖然采用這兩種控制方法的半主動懸架其減振性能都比被動懸架好,但它們并未很好地解決懸架系統(tǒng)的乘坐舒適性和行駛安全性這一對矛盾[6]。國內外學者曾單獨以車身振動加速度或車輪動載荷建立目標函數(shù)[7],對懸架系統(tǒng)阻尼匹配進行研究,但所建立的控制方法也未能獲得舒適性和安全性的最佳折中。目前,國內外控制領域的學者在半主動懸架方面也做了大量研究工作[8-11],為提高車輛的乘坐舒適性提供了有益參考。為更全面有效地改善半主動懸架系統(tǒng)的性能,在開發(fā)半主動控制策略時須同時考慮懸架性能的多個指標,兼顧車輛乘坐舒適性和行駛安全性要求,建立半主動懸架最佳阻尼比數(shù)學模型,并開發(fā)相應的半主動控制策略。

本文中通過車輛懸架性能指標的分析,對半主動懸架最佳阻尼比控制策略的數(shù)學模型進行探討;結合實例,對最佳阻尼比控制策略的有效性進行驗證。

1 最佳阻尼比控制策略的基本思想

1.1 車輛動力學模型的選取與懸架性能指標

雖然可根據車輛物理模型(圖1(a))建立復雜的車輛動力學模型,但在半主動控制策略開發(fā)前期,常采用1/4車輛行駛振動模型[6],如圖1(b)所示。

圖1 車輛行駛振動模型

其相應的微分方程為

式中:m2,m1分別為單輪簧上、簧下質量;K,Kt分別為懸架及輪胎垂向剛度;C為可調阻尼系數(shù);q為路面輸入;z2,z1分別為車輪與車身垂直位移。

為使所討論物理量具有推廣價值,引入以下變量:

式中:rk為剛度比;rm為質量比;ω0為車身固有圓頻率;ξ為懸架系統(tǒng)阻尼比。

為對半主動懸架控制策略的有效性進行全面、合理的評價,目前通常選取車身垂直振動加速度作為舒適性指標,車輪相對動載荷Fd/((m2+m1)g)作為安全性指標,而以懸架動撓度fd作為輔助評價指標[12]。

1.2 最佳阻尼比控制策略基本思想的提出

為進一步改善懸架性能,提出最佳阻尼比控制策略,其基本思想為:根據不同車速、不同路況調節(jié)懸架系統(tǒng)阻尼比ξ,一是可同時滿足當前行駛路況對車身振動加速度、車輪動載荷和懸架動撓度3項性能指標的要求;二是相當于根據不同行駛工況在線匹配最佳減振器。

2 半主動懸架最佳阻尼比控制策略

2.1 最佳阻尼比數(shù)學模型的構建

由圖1(b)所示車輛模型,可得車身垂直振動加速度、車輪動載荷和懸架動撓度的均方響應解析式[12]為

式中:n0為參考空間頻率,n0=0.1m-1;v為車速;Gq(n0)為路面不平度系數(shù)。

車身加速度、車輪動載荷和懸架動撓度是相互影響和相互制約的。因此,建立無量綱化阻尼比優(yōu)化目標函數(shù)J,并限制懸架撞擊限位概率P,則有

式中:α為加權因子且α∈[0,1];[fd]為懸架限位行程;η為界限值與標準差的比值,可通過概率分布與標準差的關系確定[12]。

將式(2)~式(4)代入式(7),由約束條件和阻尼比優(yōu)化方法所求得的懸架系統(tǒng)最佳阻尼比ξo為

其中

2.2 最佳阻尼比控制策略

由于0≤α≤1,而α取0與1之間的任何數(shù)值時,都有 ξoc≤ξ≤ξos,式(8)簡化為如下最佳阻尼比ξo控制策略:①當 ξo≤ξoc時,取 ξo=ξoc;②當 ξo≥ξos時,取 ξo=ξos;③當 ξoc<ξo<ξos時,取 ξo= ?Gq(n0)v。其中,調節(jié)度?=η2π2n20(1+rm)/(2ω0rm[fd]2)。 例如,某轎車參數(shù):m2=340kg,m1=35kg,K=20kN/m,Kt=185kN/m,[fd]=6.5cm。 限制懸架撞擊限位的概率P≤0.3%,此時η=3.0。最佳阻尼比ξo的控制曲面如圖2所示。

圖2 不同車速、不同路況下最佳阻尼比ξo的控制曲面

通過分析最佳阻尼比控制策略和圖2可知,最佳阻尼比ξo隨車速v和路況Gq(n0)而變化,最大值為ξos,最小值為ξoc。汽車在良好路面上行駛時,為保證乘坐舒適性,懸架阻尼比調節(jié)為舒適性阻尼比ξoc;在較差路面上行駛時,為保證行駛安全性,懸架阻尼比調節(jié)為安全性阻尼比ξos;在中等路面上行駛時,在保證懸架動撓度的前提下,調節(jié)阻尼比,使安全性與舒適性達到最好的折中狀態(tài)。對于實際車輛,懸架結構十分復雜,內部的摩擦阻尼等有時難以用仿真結果反映實際情況,故該控制策略在實際應用時,可根據試驗結果對ξoc和ξos進行微調。

3 最佳阻尼比半主動懸架的傳遞特性

懸架系統(tǒng)各指標的傳遞特性分析是對懸架特性進行分析的重要方法。根據式(1)和最佳阻尼比控制策略,利用車輛參數(shù) m2=340kg,m1=35kg,K=20kN/m,Kt=185kN/m,可得半主動懸架系統(tǒng)3項指標對路面隨機激勵速度q·的傳遞特性曲面,如圖3所示。

根據半主動懸架最佳阻尼比控制策略可知,最佳阻尼比ξo隨車速v和路況Gq(n0)而變化。由圖3可知,隨著最佳阻尼比ξo的變化,懸架系統(tǒng)的3項評價指標的傳遞特性也改變。因此,在不同車速v和不同路況Gq(n0)下,可根據最佳阻尼比在線匹配最佳減振器性能以滿足車輛當前行駛工況的需求。

4 最佳阻尼比控制策略的普適性分析

4.1 懸架限位行程要求對控制策略的影響

車輛在運行過程中,隨著行駛速度的增加,阻尼比剛剛要大于舒適性阻尼比時,對應的行駛速度記作最小控制速度v1;當速度繼續(xù)增加,阻尼比剛剛達到安全性阻尼比時,對應的行駛速度記作最大控制速度v2。根據最佳阻尼比控制策略的原理,可得v1=ξoc/(?Gq)且 v2=ξos/(?Gq),控制曲線中斜線段的斜率k=?Gq。 例如,某轎車 m2=340kg,m1=35kg,K=20kN/m,Kt=185kN/m,且要求 P≤0.3%。 當[fd]設計為5.5,6.5和7.5cm時,且該車輛以不同車速v在D級路面上行駛,最佳阻尼比ξo的曲線對比如圖4所示。最佳阻尼比ξo控制策略的特征參數(shù)如表1所示。其中,可控速度帶Δv=v2-v1。

車輛的懸架限位行程[fd]的設計值越大時,最佳阻尼比ξo的控制曲線對應的最小、最大控制速度v1和v2也越大,且可控速度帶Δv也越大,但調節(jié)度?和斜線段斜率k越小,表1和圖4清晰地表明了該變化規(guī)律。由此可見,在其它車輛參數(shù)相同的情況下,[fd]的設計值決定了最佳阻尼比ξo的調節(jié)快慢程度。

圖3 懸架性能指標對路面隨機激勵速度的傳遞特性曲面

4.2 懸架撞擊限位概率要求對控制策略的影響

為適應不同車輛的開發(fā)要求,也可對式(7)中約束條件進行適當調整,即可對所要求的懸架撞擊限位概率P進行調整,從而調整最佳阻尼比ξo的特性曲線。例如,某轎車參數(shù) m2=340kg,m1=35kg,K=20kN/m,Kt=185kN/m,[fd]=6.5cm。 若根據車輛使用需求,限制懸架撞擊限位的概率分別為P≤0.1%,P≤0.3%和P≤1.0%,則該車輛以不同車速v在D級路面上行駛,最佳阻尼比ξo的曲線對比如圖5所示。不同概率P下控制策略特征參數(shù)的對比如表2所示。

表1 不同懸架限位行程下控制策略特征參數(shù)對比

圖4 不同懸架限位行程下的最佳阻尼比ξo的控制曲線

圖5 不同懸架撞擊限位的概率要求下的最佳阻尼比ξo的控制曲線

由圖5和表2可知,限制懸架撞擊限位的概率P值越大,最佳阻尼比ξo的控制曲線對應的最小、最大控制速度v1和v2也越大,且可控速度帶Δv也越大,但調節(jié)度?和斜線段斜率k越小。由此可見,車輛以不同車速v在同一等級路面上行駛,懸架撞擊限位的概率P值和懸架限位行程[fd]的設計值對最佳阻尼比ξo控制策略特征參數(shù)的影響規(guī)律相似。

表2 不同懸架撞擊限位的概率要求下控制策略特征參數(shù)對比

5 最佳阻尼比控制策略的有效性分析

在半主動懸架開發(fā)前期,先對所提出的控制策略,以被動懸架系統(tǒng)和經典的天棚阻尼半主動控制策略作為參照進行對比仿真分析,進而對最佳阻尼比控制策略的控制效果進行評價。

式中:Cmax=3000N·s/m,Cmin=500N·s/m。

5.1 隨機路面激勵下的時域響應對比分析

隨機路面激勵下的響應分析是綜合考察控制算法的重要手段。文獻[13]中的研究設定仿真工況為車輛以72km/h分別在A,B,C和D級路面上行駛,分別考察車輛在被動懸架、天棚阻尼半主動控制和最佳阻尼比半主動控制下懸架3項評價指標的均方根值與最大值。路面時域信號采用濾波白噪聲法生成。為充分體現(xiàn)路面的隨機特性,仿真時間設為100s,仿真步長設為0.01s,懸架性能評價指標的仿真結果如表3所示。由于篇幅限制,該研究僅給出了B級路況下的時域響應對比,如圖6所示。其中,為更清晰地展現(xiàn)各性能指標的變化,圖中的時間顯示范圍為10~14s。

利用Matlab軟件的Simulink工具箱,分別建立被動懸架、天棚阻尼控制半主動懸架和最佳阻尼比半主動懸架的控制模型。仿真所用的轎車參數(shù)為:m2=340kg,m1= 35kg,K = 20kN/m,Kt= 185kN/m,被動懸架阻尼比 ξ=0.30,[fd]的設計值為65.0mm;P≤0.3%。其中,天棚阻尼半主動控制策略實現(xiàn)方法為[6]

表3 采用不同控制策略的懸架性能評價指標對比

圖6 B級路面激勵下車輛的時域響應

由表3可知:在較好的路面(A,B,C級)上,最佳阻尼比控制半主動懸架和天棚控制半主動懸架系統(tǒng)的舒適性均優(yōu)于被動懸架,且兩種控制策略對車身垂直振動加速度的抑制效果相當,加速度均方根降低9.0%以上,但在某些時刻,天棚控制策略車身垂直振動加速度出現(xiàn)了明顯惡化;與被動懸架相比,兩種控制策略均增大了車輪相對動載荷,但在最佳阻尼比控制下,車輪相對動載荷增幅更??;在最佳阻尼比控制下,懸架動撓度均方根值和最大值均略大于被動懸架和天棚半主動懸架,其數(shù)值在可接受范圍內,且未超出懸架限位行程,這說明最佳阻尼比控制策略更能充分利用懸架設計空間。本文中提出的控制策略在良好路況下主要是以提高車輛的乘坐舒適性為目標,即以降低車身振動加速度為主要目的,故認為達到了預期目的。

由表3還可知:在惡劣路面(D級路面)上,與被動懸架相比,在最佳阻尼比控制策略下,雖然車身垂直振動加速度均方根值增加了8.60%,最大值略有增加,但加速度時域信號變化較平緩,最大值也沒有嚴重惡化,在天棚控制策略下,車身垂直振動加速度降低了9.51%,但最大值依然出現(xiàn)嚴重惡化現(xiàn)象;與被動懸架相比,天棚控制策略下車輪相對動載荷最大值增大了23.85%,即嚴重惡化了車輪動載荷,而最佳阻尼比控制策略下車輪相對動載荷最大值降低了7.46%,有效抑制了車輪動載荷,因此,與天棚控制策略相比,最佳阻尼比控制策略能增加車輪的附著能力,提供更好的汽車操縱穩(wěn)定性和行駛安全性;此外,在天棚控制策略下,懸架動撓度均方根值與被動懸架的相當,但最大值68.8mm超出了懸架限位行程[fd]的設計值65.0mm,這在實際的車輛行駛中將會增加撞擊限位的概率而使舒適性變差,而在最佳阻尼比控制策略下,懸架動撓度均方根值比被動懸架減小了13.76%,且最大值55.4mm也未超出限位行程,由此可見,在惡劣路況下,最佳阻尼比控制策略能有效避免撞擊現(xiàn)象。

5.2 隨機路面激勵下的頻譜對比分析

為進一步說明惡劣路況下最佳阻尼比控制策略的有效性,對D級路況下懸架各性能指標在0~30Hz進行功率譜密度分析,結果如圖7所示。

由圖7(a)可知:與被動懸架相比,天棚阻尼控制策略在低頻區(qū)明顯改善了車輛乘坐舒適性,但在中高頻區(qū)減振效果不明顯,甚至使舒適性惡化;而最佳阻尼比控制策略能在低頻共振區(qū)有效抑制車身振動,在中頻區(qū)舒適性略有降低,高頻區(qū)與被動懸架相當。由圖7(b)可知,與被動懸架相比,天棚阻尼控制策略僅在低頻共振區(qū)有效抑制車輪動載荷,而最佳阻尼比控制策略在低頻和高頻共振區(qū)都能有效抑制車輪動載荷。由圖7(c)可知,與被動懸架相比,天棚阻尼控制策略在低頻段增大了懸架動撓度,在中高頻段對懸架動撓度的改善不明顯,而最佳阻尼比控制策略有效抑制了懸架動撓度的低頻和高頻共振峰值。綜合圖7(a)~圖7(c)可知,最佳阻尼比控制策略降低了車身垂直振動加速度在低頻共振區(qū)的峰值,車輪動載荷和懸架彈簧動撓度在低頻及高頻共振區(qū)的峰值也得到了明顯改善。該控制策略在惡劣路況下主要是以提高車輛的越野性能為目標,即以降低車輪相對動載荷并減小限位塊撞擊概率為主要目的,故認為達到了預期目的。

6 結論

圖7 車輪相對動載荷的幅頻特性

提出了一種半主動懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比控制策略?;谲囕v行駛振動模型,利用在隨機路譜下車身垂直振動加速度、車輪動載荷和懸架動撓度均方響應,創(chuàng)建了半主動懸架系統(tǒng)最佳阻尼比控制策略的數(shù)學表達式;對半主動懸架系統(tǒng)的傳遞特性進了行分析。通過實例,對控制策略進行了對比研究,結果表明:最佳阻尼比控制策略是有效的,為汽車半主動懸架控制提供了有益參考。

[1] MACIEJEWSKI I, KICZKOWIAK T, KRZYZYNSKI T.Application of the Pareto-optimal approach for selecting dynamic characteristics of seat suspension systems[J].Vehicle System Dynamics,2011,49(12):1929-1950.

[2] BREZAS P,SMITHA M C,HOULT W.A clipped-optimal control algorithm for semi-active vehicle suspensions:Theory and experimental evaluation[J].Automatica,2015,53:188-194.

[3] LEE C M,GOVERDOVSKIY V N,TEMNIKOV A I.Design of springs with “negative” stiffness to improve vehicle driver vibration isolation[J].Journal of Sound and Vibration,2007,302:865-874.[4] JAMALI A,SHAMS H,F(xiàn)ASIHOZAMAN M.Pareto multi-objective optimum design of vehicle-suspension system under random road excitations[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part K-Journal of Multi-body Dynamics,2014,228(3):282-293.

[5] 高瑞貞,張京軍,趙子月,等.基于改進遺傳算法的半主動懸架系統(tǒng)模糊控制優(yōu)化研究[J].工程力學,2012,29(1):240-248.

[6] 張磊,張進秋,彭志召,等.車輛半主動懸架改進型天棚阻尼控制算法[J].汽車工程,2015,37(8):931-935.

[7] QAZI A J, FAROOQUI U A, KHAN A, et al.Optimization of semi-active suspension system using particle swarm optimization algorithm[J].AASRI Procedia,2013,4:160-166.

[8] 朱躍,朱思洪,肖茂華.座椅懸架不匹配干擾估計全程滑模控制研究[J].振動工程學報,2014,27(5):654-660.

[9] NGUYEN S D,NGUYEN Q H,CHOI S B.A hybrid clustering based fuzzy structure for vibration control-part 2:an application to semi-active vehicle seat-suspension system[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2015,56:288-301.

[10] 王其東,王祺明,陳無畏.磁流變半主動懸架變論域模糊控制研究[J].振動工程學報,2009,22(5):512-518.

[11] UNGER A,SCHIMMACK F,LOHMANN B,et al.Application of LQ-based semi-active suspension control in a vehicle[J].Control Engineering Practice,2013,21:1841-1850.

[12] 周長城.汽車平順性與懸架系統(tǒng)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[13] 陳杰平,陳無畏,祝輝,等.基于Matlab/Simulink的隨機路面建模與不平度仿真[J].農業(yè)機械學報,2010,41(3):12-15.

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