CN103522862B - 一种确定半主动悬架等效阻尼最大值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆悬架领域中确定半主动悬架等效阻尼最大值的方法，半主动悬架包括簧载质量、悬架弹簧、粘性阻尼可调减震器和控制器，采用数值仿真方法确定二次型性能指标值和实时所需的理想半主动控制力；以0.1为初值、0.1为公比的等比数列设置一系列悬架相对运动速度的下限值，通过仿真得到不同下限值对应的二次型性能指标值和阻尼可调减震器实时阻尼的标准差，根据二次型性能指标值设计要求，取满足性能要求的最大相对运动速度下限值及其对应的标准差；根据概率统计理论和标准差，以满足悬架使用概率要求确定粘性阻尼的最大值；本发明为半主动悬架的制造成本、安装方便性及使用性能之间的综合平衡提供设计依据，简单易行。

Description

一种确定半主动悬架等效阻尼最大值的方法

技术领域

本发明属于车辆悬架技术领域，尤其涉及一种确定半主动悬架等效阻尼最大值的方法。

背景技术

半主动悬架与主动悬架相比无需外界动力源，能取得比传统被动悬架好得多的减振效果。如图1所示的1/4车半主动悬架的结构，在铅垂方向上（与悬架运动相关的所有物理量的方向都是在铅垂方向上），车轮质量6与轮胎等效弹簧7组成车轮，车轮位于簧载质量1的下方，车轮与簧载质量1之间并联有悬架弹簧2与阻尼可调减震器4，车轮直接与地面相互作用而使悬架产生振动；在簧载质量1上固定设有簧载质量加速度传感器3，在车轮质量6上固定设有车轮质量加速度传感器5，簧载质量加速度传感器3与车轮质量加速度传感器5各自通过信号线连接于控制器8，阻尼可调减震器4也通过信号线连接于控制器8，控制器8可采用PID或LQG控制、模糊控制等控制策略，这几种控制策略可单独使用或组合使用。

从理论上讲，半主动悬架等效阻尼的最大值越大，阻尼可调减震器的工作能力越强，半主动悬架的使用性能越好。此外，等效阻尼的最大值也与阻尼可调减震器制造成本及安装方便性有关，等效阻尼的最大值越大，阻尼可调减震器制造成本越高，体积也越大，安装也就越不方便。因此对于半主动悬架等效阻尼最大值的确定，应在制造成本、安装方便性及使用性能三者之间做综合平衡的考虑。

现有半主动悬架减震器等效阻尼最大值的确定一般根据经验选取，并未在理论和技术手段上提供一种确定半主动悬架阻尼可调减震器等效阻尼最大值的方法。

发明内容

本发明提供一种确定半主动悬架等效阻尼最大值的方法，该方法简单精确，能提高半主动悬架的使用性能和安装方便性，同时降低制造成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：半主动悬架包括簧载质量、悬架弹簧、阻尼可调减震器和控制器，车轮与簧载质量之间并联有悬架弹簧与粘性阻尼可调减震器，包括以下步骤：（1）采用数值仿真方法确定悬架二次型性能指标值J和实时的理想半主动控制力F _idsa ；（2）以0.1为初值、0.1为公比的等比数列设置一系列悬架相对运动速度Δv的下限值v _flr ，通过仿真得到不同相对运动速度下限值v _flr 对应的阻尼可调减震器实时阻尼c _vvd 的阻尼标准差；（3）根据半主动悬架设计对二次型性能指标值J的设计要求，取满足该要求的最大相对运动速度下限值v _flr 及其对应的阻尼标准差；（4）根据概率统计理论和步骤（3）所述阻尼标准差，以满足半主动悬架的使用概率要求确定粘性阻尼的最大值。

本发明简单易行、便于操作，为半主动悬架的制造成本、安装方便性及使用性能三者之间的综合平衡提供设计依据，同样适用于其它类型半主动悬架等效阻尼最大值的确定，可为各种类型的半主动悬架的设计及相关的理论与试验研究提供基础，具有重要的实际工程意义。

附图说明

图1是背景技术中1/4车半主动悬架的结构与控制原理示意图。

图中：1.簧载质量；2.悬架弹簧；3.簧载质量加速度传感器；4.阻尼可调减震器；5.车轮质量加速度传感器；6.车轮质量；7.轮胎等效弹簧；8.控制器。

具体实施方式

本发明以传统的粘性阻尼可调减震器半主动悬架以及其LQG控制策略为例，其它类型的半主动悬架及控制策略与本发明雷同，不再赘述，具体如下：

1、采用数值仿真方法确定实时所需的理想半主动控制力，参见图1，根据牛顿第二运动定律进行动力学分析有：

(1)

式中：m ₁为车轮质量；m ₂为簧载质量；q为悬架系统的路面位移输入，，其中：n ₀为参考空间频率；w为高斯分布白噪声，为路面不平度系数；u为汽车行驶速度；f ₀为下截止频率；x ₁为车轮垂直位移；为车轮速度；为车轮加速度；x ₂为车身垂直位移；为车身速度；车身加速度；k ₁为轮胎刚度；k ₂为悬架刚度；c _s 为半主动悬架的结构阻尼；F为半主动悬架的实际控制力。

选取悬架系统状态空间变量X=(q,x ₁,x ₂,,)^T，结合式(1)得到悬架系统运动的状态方程为：

(2)

式中：

，

，

，

，

J为悬架二次型性能指标值，J值越小则悬架综合性能越好。

(3)

式中：为车身加速度；x ₁-q为车轮动变形；x ₂-x ₁为悬架动挠度；δ ₁及δ ₂分别为(x ₁-q)²与(x ₂-x ₁)²的加权系数；T为车辆行驶时间。

半主动悬架的理想半主动控制力F _idsa 表示如下：

(4)

其中，理想主动控制力F _ida 通过LQG控制得到：

F _ida =- YX (5)

( Y , S , E )=LQR( A , B , Q , R , N )(6)

LQR()是matlab软件的自带函数，利用LQR()函数求出Y，因X=(q,x ₁,x ₂,,)^T，可由式（5）求出理想主动控制力F _ida 。

2、按以0.1为初值、以0.1为公比的等比数列设置一系列具有显著差异的悬架相对运动速度Δv的下限值v _flr ，通过仿真得到不同相对运动速度下限值v _flr 对应的悬架二次型性能指标J和阻尼标准差，悬架二次型性能指标J按式（3）计算。

理论上，半主动悬架的阻尼可调减震器实时阻尼c _vvd 等于理想半主动控制力F _idsa 除以相对运动速度Δv，这意味着如果Δv→0，c _vvd →∞。为了避免c _vvd 出现无穷大，设置Δv的下限值v _flr 。粘性阻尼可调减震器实时阻尼c _vvd 按式（7）求取，阻尼标准差按式（8）计算：

(7)

(8)

当车轮质量m ₁=350kg、簧载质量m ₂=5000kg、k ₁=3000000N/m，k ₂=505000N/m、c _s=1000N·s/m、n _０=0.1m^-1、T=20s、u=20m/s、f ₀=0.011u，δ ₁=5.2894×10⁴、δ ₂=4.4051×10³，阻尼不变的原型被动悬架的阻尼值为30150N·s/m时，相对运动速度下限值v _flr 分别等于0.1、0.01、0.001和0.0001m·s^-1所对应的半主动悬架的二次型性能指标值J与阻尼标准差以及理想主动悬架的二次型性能指标值J统计结果如表1所列；

表1

3、以阻尼标准差与被动悬架减震器阻尼值相近为基准，根据半主动悬架设计的悬架性能要求（例如：悬架二次型性能指标值J相对理想状态的增加不超1.5%或2%等特定设计要求），取满足悬架性能要求的最大相对运动速度下限值v _flr 以及该下限值v _flr 对应的阻尼标准差。

表1显示当v _flr 等于0.001m·s^-1，半主动悬架粘性阻尼可调减震器的J值基本不增加，说明当v _flr 等于0.001m·s^-1，半主动悬架的J值已经接近理想值。考虑到当v _flr 等于0.1m·s^-1时半主动悬架的J值仅比v _flr 等于0.001m·s^-1时半主动悬架的J值大1.25%，满足悬架的二次型悬架性能指标值J相对理想状态的增加不超过1.5%要求，且v _flr 等于0.1m·s^-1时的阻尼标准差与被动悬架减震器的阻尼值非常接近，且仅等于v _flr 为0.001m·s^-1时阻尼标准差的0.25%。

4、根据概率统计理论和上述确定的阻尼标准差，即上述确定的最大相对运动速度下限值v _flr 对应的阻尼标准差，以满足半主动悬架的特定工作能力为目标确定粘性阻尼的最大值，例如以满足99%或95%等的使用概率要求确定阻尼的最大值。下表2是标准差倍数与概率统计的对应关系表。

表2

根据表2，将阻尼可调减震器实时阻尼c _vvd 代替实时阻尼χ，代替σ _χ ，这样，实时阻尼χ最大值超过限值χ ₀＝λσ _χ 的概率P _χ 可由表2的λ与P _χ 的关系查得，也就是c _vvd 最大值超过限值χ ₀＝λ 的概率P _χ 可由表2的λ与P _χ 的关系查得。表2中λ为某一实时阻尼χ最大值的限值χ ₀相对于标准差σ _χ 的倍数。

表2显示：当λ为2.00时可满足95.4％的使用概率（工作需求）；当λ为2.58时可满足99％的使用概率；当λ为3.00可满足99.7％的使用概率；考虑到实际工程误差，本发明使用λ为2.58时，即当c _vvd 的最大值等于c _vvd 标准差的2.58倍，满足99%的工作要求，确定c _vvd 的最大值等于92271N·s·m^-1，此时J值等于3.6073较理想半主动悬架的J值3.5594约大1.35%，而较理想主动悬架的J值3.3538约大7.56%。

Claims (1)

1.一种确定半主动悬架等效阻尼最大值的方法，半主动悬架包括簧载质量、悬架弹簧、阻尼可调减震器和控制器，车轮与簧载质量之间并联有悬架弹簧与阻尼可调减震器，其特征是包括以下步骤：

（1）采用数值仿真方法确定悬架二次型性能指标值J和实时的理想半主动控制力F _idsa ；所述二次型性能指标值，

所述实时的理想半主动控制力，

T为车辆行驶时间，q为悬架路面位移，x ₁为车轮垂直位移，为车轮速度；为车轮加速度；x ₂为车身垂直位移；为车身速度；车身加速度；

x ₁-q为车轮动变形；x ₂-x ₁为悬架动挠度；δ ₁及δ ₂分别为(x ₁-q)²与(x ₂-x ₁)²的加权系数，F _ida 为理想主动控制力；

（2）以0.1为初值、0.1为公比的等比数列设置一系列悬架相对运动速度Δv的下限值v _flr ，通过仿真得到不同相对运动速度下限值v _flr 对应的阻尼可调减震器实时阻尼c _vvd 的阻尼标准差；所述阻尼标准差，

T为车辆行驶时间，；

（3）根据半主动悬架设计对二次型性能指标值J的设计要求，取满足该要求的最大相对运动速度下限值v _flr 及其对应的阻尼标准差；

（4）根据概率统计理论和步骤（3）所述阻尼标准差，以满足半主动悬架的使用概率要求确定半主动悬架等效阻尼的最大值；阻尼可调减震器实时阻尼c _vvd 最大值超过限值χ ₀＝λ 的概率P _χ 由限值χ ₀相对于标准差的倍数λ与概率统计的对应关系表查得：

。