整车主动悬架滑模控制及多目标优化

为改善车辆主动悬架系统性能,在建立整车主动悬架系统模型的基础上,结合滑模变结构控制理论,提出了一种基于多目标优化的主动悬架系统控制参数的优化方法。基于滑模面到达条件结合李雅普诺夫稳定性理论对滑模控制器进行稳定性验证,建立以车身侧倾角加速度、车身俯仰角加速度和车身垂直加速度为控制目标的多目标优化问题,并利用粒子群算法对控制器参数进行优化。仿真结果表明,优化后主动悬架系统的3个控制目标函数值较优化前分别减小了10.3%、27.3%和20.0%,基于多目标优化的整车主动悬架滑模控制策略改善了整车的乘坐舒适性和操纵稳定性。

基于隔振率及动态传递力测试的某动力总成悬置隔振性能试验与特性分析

针对某型装甲车辆动力总成中发动机右侧悬置易损坏,其寿命较其他3点悬置寿命更短的问题,开展了故障诊断测试。经测量动力总成悬置4点支撑位置上、下点振动加速度以及4个悬置系统垫块的支撑力数据并分析研究发现,悬置系统4个支撑点中发动机右侧悬置支撑点垂直向隔振率最差,而该处悬置垂直支撑力较其他3位置悬置支撑力大。这正是该位置悬置系统寿命低的直接原因,最后根据测试分析结果提出了优化建议,建议从承重、发动机工作频率范围、悬置结构、形式及其刚度、阻尼、多向隔振要求上考虑对该型车辆的动力总成悬置系统进行优化,以提升动力总成悬置系统总体隔振效果。

新型准零刚度空气悬架系统的设计与分析

为提高商用汽车在低频外部激励环境下的隔振性能以及行驶平顺性,基于准零刚度理论,采用正负刚度并联的方式,将负刚度碟形弹簧组与正刚度空气弹簧相结合,设计一种新型准零刚度悬架系统。通过静力学特性分析,建立力位移和刚度位移表达式,得到系统达到准零刚度的参数条件;通过动力学特性分析,建立系统的二自由度模型和简谐力作用下的非线性运动微分方程,得到力传递率特性曲线并对其进行分析。结果表明新结构的低频隔振性能显著提升。基于刚度位移表达式建立2自由度1/4悬架模型,分别对准零刚度系统与传统系统的垂向加速度、悬架动行程和轮胎动载荷等平顺性指标的差异性进行分析,仿真结果表明,该准零刚度系统的平顺性改善效果亦优于传统结构。

基于MPC的智能车辆换道重规划研究

为解决智能车辆换道过程中,由于其他车辆的行驶状态发生改变导致碰撞风险的问题,需对主车进行实时局部路径规划。基于模型预测控制(MPC)提出换道轨迹重规划策略,根据碰撞风险将其划分为换道轨迹修正策略、换道折返策略及前向主动避撞策略,建立基于MPC的横向控制和基于双比例积分微分控制器(PID)的纵向控制,并以纵向车速为联合点的横纵向综合轨迹跟踪控制器。将轨迹规划模块、轨迹重规划模块及轨迹跟踪模块分层集成,对换道轨迹重规划策略进行仿真验证。仿真结果表明:基于MPC的换道轨迹重规划和轨迹跟踪控制可在不同场景下实现车辆安全避撞。

汽车轮胎滚动阻力研究综述

汽车轮胎稳态滚动阻力作为轮胎力学特性之一,对汽车的动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性以及轮胎使用寿命等具有重要影响。阐述了轮胎滚动阻力产生机理,总结了轮胎滚动阻力的试验测量、数值仿真和理论计算方法;分析了车轮结构参数及材料属性对轮胎滚动阻力的影响;指出了汽车轮胎滚动阻力研究的技术挑战及发展趋势,可为轮胎滚动阻力的研究提供一定的参考。

基于路面等级识别的车辆半主动悬架内外环控制

针对车辆在不同路面等级下对悬架动态性能与馈能特性需求不同的问题,提出一种基于RF-XGBoost路面等级识别算法的半主动悬架内外环控制策略。利用随机森林(Random Forest,RF)模型对极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)算法进行优化,搭建RF-XGBoost算法模型对路面等级进行识别。将路面等级与悬架控制策略相结合,设计外环为天地棚控制,内环为自适应滑模控制的内外环控制,实现非线性悬架的自适应控制。仿真结果表明,相比传统混合天地棚控制的悬架,内外环控制下的悬架在A级路面下簧载质量加速度降低15.52%,并实现50.4 W的振动能量回收,在B、C级路面下簧载质量加速度分别降低15.09%、16.72%,轮胎动载荷分别降低11.63%、11.42%,在D级路面下轮胎动载荷降低14.12%。台架试验的结果与仿真分析的结果基本一致,表明所设计的自适应内外环控制有效。

基于深度迁移学习的车辆悬架高频异常振动故障诊断

在车辆悬架故障诊断过程中,深度学习故障诊断模型在面对少量样本数据时模型训练效果不佳,导致诊断模型的接收者操作特性曲线(receiver operating characteristic,ROC)的曲线下面积(area under curve,AUC)较小的问题,利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方法,对采集的车辆悬架高频振动信号进行分解处理,根据每个经验模态分量(intrinsic mode functions,IMF)的能量,提取高频异常振动故障特征,构建了基于深度迁移学习的诊断模型;以深度卷积神经网络算法为基础,对小样本特征矢量信息进行故障知识迁移处理,通过参数微调更新权值,优化故障诊断模型。实验结果表明:优化后模型的AUC值为0.89,模型故障诊断结果具有较高准确性。

基于BS-TabNet和LSSA的车架智能轻量化设计

为解决传统牵引车车架轻量化设计中设计周期长、设计难度较大和过分依赖工程师经验等问题,提出了一种智能轻量化设计方法.首先,通过试验设计(Design of Experiments,DOE)联合仿真获取车架性能表格数据.其次,基于TabNet算法、贝叶斯优化算法和沙普利增量解释理论(SHapley Additive exPlanation,SHAP)构建出BS-TabNet模型,用于学习车架性能表格数据,生成车架代理模型.最后,采用莱维飞行策略对麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)进行改进,得到莱维麻雀搜索算法(Levy Sparrow Search Algorithm,LSSA),用于求解车架轻量化任务,找到最优车架结构参数.相较于传统机器学习算法,BS-TabNet模型在准确性、稳定性和可解释性三个方面都有着更高的评价,其准确度达到了0.98左右,稳定性提高50%以上,而且具有更强的可解释能力,解决了深度学习在表格型数据上表现较差的问题.相较于传统群智能优化算法,LSSA算法能够寻找到更好的优化结果,在满足其他性能要求的同时,实现了车架质量减轻5.64%的轻量化效果.智能轻量化设计方法将人工智能与车架轻量化设计相结合,能够节省大量设计时间,提高设计效率.

基于流固耦合的轮胎花纹滑水性能研究

以205/55 R16型号轮胎为研究对象,基于Abaqus CEL流固耦合方法构建轮胎滑水有限元模型。将模拟得到的轮胎垂直刚度与实验数据进行对比,验证轮胎模型可靠性的前提下,优化欧拉域,更好地捕捉并分析轮胎滑水时水流印迹特征。结合NASA经验公式评估模拟得到的临界滑水速度,验证轮胎滑水模型可靠性,分析不同充气压力和水膜厚度对轮胎临界滑水速度的影响。通过引入V型横向花纹和增加F1 Nose结构优化轮胎花纹结构,验证花纹沟槽子模型优化合理性,对比优化前、后轮胎临界滑水速度和水流压力。结果表明:此优化方法能有效提高轮胎的滑水性能。

高机动越野平台非线性悬挂特性控制方法

为了提升装备机动能力,基于摆动缸式油气悬挂装置,建立高压气动原理和背压可控的阻尼阀结构,实现刚度和阻尼特性的实时调节。基于单轮悬挂模型开展不同刚度控制方法的振动响应对比分析以及阻尼特性频域不动点推导,提出一种刚度有级调节控制策略和一种频域混合阻尼控制方法,通过单轮悬挂动力学模型验证所提控制方法的有效性,并构建高机动履带车辆动力学模型进行整车仿真分析。在康庄、羊八井、坨里实测路面环境下,采用刚度阻尼联合控制方法的悬挂装置相较于传统被动悬挂的越野速度提升了25%以上,验证了新提出特性控制方法对振动响应抑制的优越性,能够为悬挂装置实现弹性与阻尼双特性自适应调节提供支撑。

用于轮胎振动分析的壳模型优化研究

虽然现有壳模型在0~500 Hz频带内精度高,适合用于轮胎结构振动分析,但由于模型中耦合了胎侧二维壳模型,导致胎冠振动模态难以分离,且模型自由度和所需输入参数增加。本文对该壳模型进行改进:在保持胎冠壳模型不变的基础上,应用轮胎环模型和板模型中对胎侧的近似方法,采用弹性基底代替胎侧二维壳模型,简化了原模型的边界条件并缩减了输入参数个数;针对改进后的壳模型建立了求解方法,实现了胎冠模态频率和振型的求解。并通过与实验数据的对比,验证了改进后的壳模型及其求解方法的正确性。

电磁直线悬架主动控制研究

为了提高以直线电机为作动器的电磁直线悬架的动态特性,提出了一种由主环与内环构成的主动控制策略。其中,主环采用通过粒子群算法优化的LQG控制计算出理想主动控制力,内环采用基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的直接推力控制策略跟踪理想主动控制力。建立了电磁悬架动力学模型及直线电机数学模型,并通过试验验证了直线电机数学模型的正确性。同时,为了降低传统直接推力控制中的磁链、电磁推力波动,采用磁链、电磁推力双闭环控制器替换滞环比较器,利用SVPWM模块代替开关选择模块。在此基础上,针对PI控制器鲁棒性差、精度低的缺点,设计了速度环滑模控制器以提高电机系统控制特性。最后对电机控制性能及悬架动态特性进行了仿真分析。结果表明:相较于无控制策略,所设计的主动控制策略使电磁直线悬架车身加速度、悬架动挠度及轮胎动载荷分别降低了21.8%、9.8%及17.6%,有效改善了悬架的动态特性。

基于故障数据的商用车发动机及底盘系统可靠性评估

发动机及底盘系统可靠性是影响商用车性能的关键因素,准确、全面地评估其可靠性对指导商用车可靠性的改进提升具有重要意义。基于故障大数据,对某商用车制造企业旗下四款商用车发动机及底盘系统可靠性进行评估。收集2021年度四款商用车所有故障数据进行初步统计和分析,随机抽样形成分析样本。根据U检验测试样本与总体数据分布差异性,拟合发动机及底盘系统故障间隔时间概率密度分布函数并推断该分布规律满足威布尔分布。结合传统中位秩法与核密度估计法相互验证计算系统分布参数,采用K-S(Kolmogorov-Smirnov)假设检验验证故障间隔时间样本数据服从威布尔分布。计算可靠度、故障率以及平均故障间隔时间等可靠性评价指标,得出车辆行驶500天后,四款商用车的可靠度分别为0.002、0.003、0.007、3×10^(-9);故障率分别为0.021、0.016、0.015、0.063;平均故障间隔时间分别为146.088天、129.492天、149.755天、70.897天。结合发动机及底盘系统可靠性评估结果与故障内容提出优化方案,为商用车系统可靠性提升工作提供参考。

基于分数阶的空气弹簧建模及电动汽车主动悬架控制研究

电控空气悬架系统(electrically controlled air suspension, ECAS)具有调节悬架刚度和车身高度的功能,可有效改善车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。以某乘用车ECAS为对象,利用分数阶理论描述橡胶气囊的黏弹性阻尼特性,考虑等效阻尼及滞回特性对其热力学模型进行了优化,结果与实验数据吻合良好,验证了优化后的空气弹簧模型的精确性。在此基础上,考虑车辆纵横向动力学特性与Dugoff轮胎模型,建立14自由度整车ECAS动力学模型,提出模型预测(model predictive control, MPC)主动悬架控制方法,以可测变量为控制器输入,实现直线及转向行驶工况下的主动控制。仿真与整车台架实验研究表明,分数阶修正模型可以很好地反映ECAS变刚度特性,基于MPC的主动悬架控制策略能实时调整空气弹簧刚度,控制车身姿态,有效改善电动汽车行驶时的平顺性与稳定性。论文的研究方法为车辆悬架系统建模及主动控制提供了一种新思路。

实验教学用可调阻尼液压减振器的解析设计

现有可调阻尼减振器存在成本高、可靠性难保证等诸多缺陷,故汽车平顺性实验中常采用“更换不同被动阻尼减振器”方法测试阻尼对平顺性的影响,但此方法实验周期长、效率低且易造成减振器连接部件损坏。针对此问题,研制一种可调阻尼液压减振器,通过步进电机驱动芯杆与活塞杆相对转动调控节流孔而实现阻尼调节。提出基于汽车悬架系统最佳阻尼比的可调阻尼液压减振器解析设计方法,设计可调阻尼液压减振器的速度特性曲线、阻尼可调区域及阀系参数,并建立阻尼比、可调节流孔面积及步进电机转角间的函数关系。在此基础上,搭建样机并进行台架实验。结果表明:阻尼力实验值与要求值相对偏差小于2.0%,疲劳寿命是实验标准要求的2.1倍以上,表明此减振器满足性能和可靠性要求,说明所提可调阻尼液压减振器解析设计方法的有效性。此减振器用于汽车平顺性实验中可有效提高实验效率且避免减振器连接部件损坏,且可推广应用到减振特性实验及汽车半主动悬架实验等。

道面平整度对湿滑道面-飞机轮胎相互作用影响分析

湿滑条件下,跑道不平整使积水厚度随道面起伏而变化,影响飞机起降安全。因此,引入国际平整度指数(international roughness index,IRI),搭建基于IRI的轮胎-积水-道面有限元模型,通过仿真模拟,分析不同IRI的道面对飞机临界滑水速度的影响;结合IRI,对比不同飞机轮胎速度、积水厚度条件下道面视摩擦因数较平整道面的降低幅度,分析IRI对道面摩擦性能的影响;并依据某机场视摩擦因数实测试验结果,对仿真实验结果进行修正,探究IRI对飞机刹车效应的影响。结果表明:道面平整段积水厚度一定时,飞机临界滑水速度随IRI增加而降低,当IRI=5时,飞机临界滑水速度较平整道面降低约30%;飞机轮胎速度一定时,视摩擦因数随道面平整度等级降低而减小,当IRI=5时,视摩擦因数较平整道面降低幅度高达98%,严重影响飞机运行安全;道面平整度等级为“好”时,相同平整度段积水厚度下,飞机轮胎与道面视摩擦因数随IRI的增加而减小;综合考虑IRI和经试验数据修正后的视摩擦因数对飞机刹车效应产生的影响发现,随着平整度指数与平整段积水厚度逐渐增加,飞机刹车效应会产生降级。国内某机场道面在1.5<IRI≤2,平整段积水厚度≥7.66 mm的道面条件下,飞机刹车效应最大降低了3级,即由“中到差”降至“差”,此时飞机方向操纵与减速能力严重下降;积水道面平整度评价为“中”和“差”时,飞机刹车效应降级幅度突增,导致道面条件无法保障飞机运行安全;平整段积水厚度为7.66~13 mm时飞机刹车效应受IRI变化的影响较大,降级变化明显,在维护过程中须尤为注意。

基于应变测试矿用汽车车架结构优化设计分析

矿用铰接车采用液压举升机构实现货物卸载,受力情况复杂,对车架结构影响大且要求高。针对某自卸车后车架和货箱在不同运行条件下的承载特性进行分析,获取各工况的载荷情况和边界条件;根据前述分析,建立后车架和货箱的有限元分析模型,选取多个典型工况开展分析,获取应力应变的分布情况;采用材料升级、圆角优化及焊接工艺提升等,针对应力集中和较大位置进行优化设计,降低应力值,保证安全裕度满足要求;采用直角应变测试法,针对实际自卸车车架开展应力测试,在分析的关键位置布置应变片,选取典型工况开展测试,并与仿真结果开展对比。结果可知:自卸车铰接点和液压举升缸鹅颈支撑处应力较大,并且出现了应力集中,但均在许可范围之内;采用厚度提升、直径增大及焊接工艺提升等方法,有效提升应力分布,最大值明显降低;实车测试和仿真分析,满载工况应力分布基本一致,最大值误差低于5.8%;优化后结果明显低于优化前;结果表明分析模型和优化方法的可靠性,为此类分析设计提供参考。

工程车辆直线电机馈能悬架能量回收分析与参数优化

目的为了回收工程车辆在行驶过程中由于路面不平度引起的车身振动能量,同时解决馈能悬架系统的动力学性能和馈能性能不协调问题,方法首先,提出一种直线电机与减振器并联的馈能悬架系统结构,通过建立馈能悬架系统的二自由度动力学模型,利用天棚控制提高车辆的平顺性;其次,以悬架减振器阻尼作为优化设计变量,结合直线电机式馈能悬架的馈能性能、平顺性和安全性建立优化目标函数,采用遗传算法控制策略对馈能悬架的馈能性能进行优化,以获得全局最优解,解决馈能悬架的平顺性和馈能性能的协调问题;最后,通过MATLAB/Simulink对馈能悬架系统性能进行仿真。结果仿真结果表明:与被动悬架相比,天棚控制下的馈能悬架车身加速度、轮胎动载荷、悬架动行程均方根值分别减小25.40%,17.76%和32.58%;利用遗传算法对馈能悬架的动力性能和馈能协调性能优化,优化后馈能悬架的动力学性能相比优化前有一定恶化,但与被动悬架的动力学性能相比提高显著,而蓄电池平均回收能量提高了15.22%,馈能性能提高显著。结论本文提出的直线电机和减振器并联结构的馈能悬架系统装置能够回收工程车辆悬架系统的振动能量,采用遗传算法协调控制策略能够兼顾馈能悬架的动力学性能和馈能性能,并使馈能性能得到显著提高。

应用新结构、新材料开发配套低滚动阻力轮胎

应用新结构、新材料开发配套12R22.5 C600低滚动阻力轮胎。应用超高强度骨架材料,胎体采用0.17+5×0.215+10×0.235CCST钢丝帘线,带束层采用4+3×0.35ST钢丝帘线,钢丝包布采用0.17+5×0.215+10×0.235CCST钢丝帘线;优化配方设计,胎面胶采用低滚动阻力胶料,基部胶采用低滞后损失胶料;优化胎冠弧设计以及胎肩和胎圈部位材料分布。成品轮胎的充气外缘尺寸符合国家标准要求,耐久性能良好,滚动阻力达到欧盟标签C级,满足客户的需求,轮胎装车后行驶里程达到20万km,与普通轮胎相比,平均每百公里可节油1.13 L。

汽车轮毂轴承结合Romax的可靠性分析

以某型号中高档前轮驱动轿车的前轴右轮轮毂轴承作为研究对象,对轮毂轴承进行Hertz理论分析,利用Romax对它进行三维建模并编辑载荷谱运行后得出接触应力,并将理论结果与仿真结果进行对比。最后,采用拉丁超立方采样、一次二阶矩法,对轴承进行动态可靠性与灵敏度计算与分析。结果表明:基于Romax的汽车轮毂轴承可靠性方法可以有效分析汽车设计过程中的轮毂可靠性与灵敏度,可作为汽车轮毂选型匹配与设计的方法。