基于动力学模型与参数优化的ISD悬架结构设计及性能分析

为寻找结构简单、性能优越的悬架结构ISD(Inerter Spring Damper),对储能元件、支撑元件及耗能元件按不同位置构建21种工程上可行的拓扑结构,建立通用动力学模型。以簧上质量加速度及轮胎动载为目标进行优化,获得每种结构的元件参数。有12种新型结构性能优于传统悬架,对典型结构分析表明,动力学建模与参数优化方法在ISD悬架设计中具有一般性、通用性。

惯质系数对车辆ISD悬架系统频率特性的影响研究

研究了惯质系数的变化对ISD(Inerter-Spring-Damper)悬架系统偏频与主频的影响及其作用规律。基于惯容器、弹簧和阻尼3个元件的排列组合和被动机械元件工作特点,列出10种可行的车辆ISD悬架;依据它们的无阻尼阻抗,将它们分类为4种类型的无阻尼悬架;对其中3类含惯容器的悬架进行深入分析,发现惯容器质量阻抗的引入和新型机械网络拓扑特性的影响,使得不同类型的悬架系统具有显著的偏频和主频的个数差异。仿真结果表明:提高惯质系数可有效降低各类悬架偏频与主频,使得主频脱离垂直方向人体最敏感的频率范围。同时可以发现随惯质系数的增大,惯质系数对偏频和主频的影响程度不断减小。

基于惯质耦合振动作用的车辆ISD悬架性能研究

为研究惯容器与车辆ISD(Inerter-Spring-Damper)悬架系统耦合振动作用关系及其对悬架性能的影响,定义了惯质耦合系数,其表征了惯容器的质量阻抗与车身质量的耦合效应对悬架振动传递特性的影响程度。采用传递函数法和状态空间方程法分别建立了车辆1/4悬架的频域和时域模型,在此基础上仿真分析惯质耦合系数对悬架性能的影响。结果表明:与等刚度传统被动悬架相比,惯质耦合系数的增加可有效改善车身加速度、悬架动行程、轮胎动载荷在低频共振处的振动传递幅频特性,其幅频峰值分别降低了45.94%、37.5%和51.11%;车身加速度、悬架动行程、轮胎动载荷均方根值分别降低了5.41%、36.36%和6.19%,有效改善了车辆平顺性。

惯容与阻尼串联式ISD悬架实车道路试验

针对5元件ISD悬架元件多、结构复杂、布置困难等问题,设计了一种3元件ISD悬架,研制了其惯容与阻尼串联式液力惯容器装置,并将该装置安装于某型军用越野车的前、后悬架上。偏频试验结果表明,与传统悬架相比,ISD悬架前、后车身偏频分别降低了23.3%和12.5%,且相应偏频处的功率谱密度峰值分别减小了45%和50%。平顺性试验结果表明,ISD悬架能有效抑制车身的垂向、俯仰与侧倾振动,明显提高了汽车的行驶平顺性。3元件ISD悬架元件少、结构简单、易于实现,为ISD悬架的产业化奠定了技术基础。

混联ISD悬架寄生阻尼和附加刚度对性能的影响分析

为了将混联ISD悬架工程化,提出一种液力惯容器和油气弹簧结合的混联ISD悬架设计方案.针对工程化过程中产生的寄生阻尼和附加刚度可能会恶化悬架性能的问题,建立包含惯容器寄生阻尼和油气弹簧附加刚度在内的1/4工程化混联ISD悬架模型.通过仿真计算,分析寄生阻尼和附加刚度对悬架性能的影响,并利用多目标优化方法,对寄生阻尼和附加刚度进行优化设计.结果表明,与混联ISD悬架相比,工程化混联ISD悬架的车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷功率谱密度低频共振峰值分别下降了9.1%,65.9%,11.8%,均方根值分别降低了1.6%,3.9%,1.1%.可见,在混联ISD悬架的工程化设计中,通过优化设计,将寄生阻尼和附加刚度控制在合理水平,能使工程化前后悬架性能基本一致.

基于ADD正实网络的车辆ISD悬架优化设计与性能研究

利用无源车辆ISD(inerter spring damper)悬架系统可有效抑制车身低频振动的特性,结合经典加速度驱动阻尼(acceleration driven damping,ADD)控制可抑制车身中高频振动的特点,提出基于ADD正实网络的车辆ISD悬架综合优化设计方法,将车辆ISD悬架的宽频域振动抑制问题转化为基于ADD网络综合的正实优化控制问题。分别构建一阶和二阶正实网络的悬架动态模型,基于鱼群算法优化悬架结构参数,仿真分析ADD控制与正实网络的耦合作用机理和正实网络阶次对悬架性能的影响。结果表明:悬架的隔振性能随正实网络阶次的升高而提升,ADD网络综合的方法可以有效的实现车辆ISD悬架的宽频域的振动抑制,进一步拓展车辆ISD悬架主动控制的思路。

液电耦合式车辆可控ISD悬架性能分析与试验研究

为了探索车辆可控ISD(inerter-spring-damper)悬架的实现形式与隔振潜能,提出一种液电耦合式车辆可控ISD悬架系统。首先,介绍新型液电惯容器的基本结构和工作原理,以车辆1/4悬架模型作为研究对象,搭建液电耦合式车辆ISD悬架的动力学模型。然后,以提升悬架综合性能为控制优化目标,设计基于液电惯容器的车辆ISD悬架单神经元PID控制器,应用多目标遗传算法对控制参数进行优化求解,在随机路面输入条件下仿真分析液电耦合式车辆可控ISD悬架的隔振性能。最后,研制新型液电惯容器试验样机,并搭建液电耦合式车辆可控ISD悬架试验台架,基于dSPACE进行半实物仿真试验。研究结果表明:与传统被动悬架相比,液电耦合式ISD悬架的车身加权加速度均方根下降了7.8%,悬架动挠度均方根下降了13.8%,悬架综合性能得到显著改善,为车辆可控ISD悬架的研究提供新思路。

重型车辆ISD悬架平顺性与道路友好性分析

为解决重型车辆行驶过程中引发的道路损伤难题,提升重型车辆的平顺性与道路友好性,将加装惯容器的ISD(inerter-spring-damper)悬架应用于重型车辆悬架系统中,建立了重型车辆ISD悬架半车模型。运用改进粒子群算法对悬架系统的主要参数进行优化求解,并在不同路面等级和不同行驶车速条件下进行仿真分析。结果表明:与传统被动悬架相比,应用惯容器的重型车辆ISD悬架可有效抑制悬架的低频共振,减小重型车辆轮胎动载荷对道路的损害,显著提升重型车辆的平顺性与道路友好性。

基于LMI的两级串联式ISD半主动悬架H_∞控制

针对带有两级串联式ISD半主动悬架的二自由度模型,选取加权函数阵整定两级串联式ISD半主动悬架系统的性能指标,应用LMI H∞控制算法设计出两级串联式ISD半主动悬架H_∞输出反馈控制器,该方法能够有效地解决系统的鲁棒干扰抑制问题.仿真结果表明,与传统半主动悬架、两级串联式ISD被动悬架以及传统被动悬架相比,所设计两级串联式ISD半主动悬架能够有效改善汽车的乘坐舒适性和行驶安全性.

面向人体振动响应的ISD悬架座椅性能分析

为解决悬架座椅设计中降低固有频率和保证系统刚度之间的设计矛盾,进一步改善悬架座椅舒适性,将惯容器运用到悬架座椅系统中。建立了ISD(Inerter-Spring-Damper)悬架座椅模型,选出了最适合座椅的ISD结构,并结合三自由度坐姿人体模型(ISO 5982—2001)模型)建立了四自由度人-椅系统集中参数模型。根据座椅台架试验对悬架座椅参数和人体参数进行了识别。分析了模型在不同频段下的动态响应,惯质系数在不同频段激励下的取值,以及惯质系数对座椅舒适性的影响和惯质系数与阻尼的匹配关系。结果显示,将惯容器运用于悬架座椅能明显降低系统固有频率、改善座椅舒适性;惯容器、弹簧和阻尼器三者并联是最适合悬架座椅隔振的ISD结构,舒适性的改善程度和最优惯质系数取值都与激励特征有关。

变车载质量下重型车辆ISD悬架平顺性与道路友好性分析

针对重型车辆载质量变化大、易造成道路损伤等问题,建立了重型车辆被动悬架半车模型与重型车辆惯容器-弹簧-阻尼器(inerter⁃spring⁃damper,ISD)悬架半车模型.利用改进蚁群算法优化了重型车辆ISD悬架元件参数.从时域与频域角度,仿真分析了变车载质量条件下重型车辆平顺性和道路友好性作用机理.结果表明:相比于传统被动悬架,重型车辆ISD悬架可以大幅度降低车身加速度、悬架动行程与轮胎动载荷,其中质心加速度均方根值平均改善率为15.08%,道路损伤系数在全簧载率范围内有均匀且明显的下降,其均方根值平均改善率为14.21%;重型车辆ISD悬架在平顺性与道路友好性的综合协调提升方面具有一定优势.

基于机电惯容的车辆ISD悬架的分数阶控制系统

为改善车辆惯性容器弹簧阻尼(ISD)悬架隔振性能,改善驾驶平顺性,建立了一个1/4比例的悬架动力学模型。以乘坐舒适性为目标,搭建悬架分数阶比例积分微(PID)控制系统。考虑车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷等指标,用多目标遗传算法,优化求解模型参数。在Matlab/Simulink中仿真分析了悬架动态性能。结果表明:相较于传统被动悬架,用整数阶控制的悬架车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷的均方根值分别降低了13.9%、26.2%和1.5%;相较于用整数阶控制的车辆,用分数阶控制的悬架的这3个参数分别降低了15.4%、31.5%和6.8%;因此,分数阶控制系统,提高了行驶平顺性和操纵稳定性。

两级串联型ISD悬挂构型设计与分析

文中以最简单的三元件并联ISD悬挂构型作为子构型,将叠加分析法与拓扑网络相结合,设计了两级串联型ISD悬挂通用模型。运用机械阻抗方法建立动力学模型,并以悬上质量加速度和轮胎动载荷作为优化目标,对每种构型的结构参数进行优化。分析得出有2种构型优于三元件并联ISD悬挂。

ISD悬架的一体化设计与分析

为提高某样车隔振性能,探讨"惯容器—弹簧—阻尼"(ISD,Inerter-Spring-Damper)悬架一体化集成技术的实现方法,设计一款ISD一体化悬置,分析了三元件的设计过程,并建立三自由度四分之一模型,对比了传统悬置和ISD悬置振动响应仿真结果。结果表明,相比于传统悬置,ISD悬置的驾驶室加速度、悬置动行程和车体加速度分别降低了3.27%、21.05%、0.773%。可见,ISD悬置是一款性能优异、易于工程布置以及可广泛应用的ISD一体化悬架系统,能有效提高隔振性能,可实现弹簧、惯容器、阻尼元件同轴一体化的设计目标。

非线性液压ISD悬架系统研究

在考虑摩擦、马达阻尼力以及流动压力损失的影响下,研究非线性对液压式惯容器-弹簧-阻尼(ISD)悬架性能的影响。文章建立了两级串联式非线性液压ISD悬架的整车模型,分析了飞轮转动惯量、马达排量、油液实际作用面积以及回流管等效长度这四个非线性参数对液压ISD悬架性能的影响,在仿真的基础上,进行了液压ISD悬架的整车台架试验研究,验证了非线性模型的正确性。研究结果可建立精确的非线性液压ISD悬架系统模型,为进一步提高主动、半主动ISD悬架的控制的有效性提供了支撑。

车辆惯容器-弹簧-阻尼器半主动悬架模糊控制

为了研究惯容器-弹簧-阻尼器(ISD)半主动悬架系统对汽车平顺性和安全性的影响,建立了2自由度车辆ISD半主动悬架模型,采用模糊控制策略,以车身垂直加速度及车身垂直加速度变化率作为模糊控制器的输入信号对ISD半主动悬架系统进行了仿真分析。在此基础上,设计开发了基于dSPACE的半主动悬架模糊控制系统,并进行了台架试验研究,分析了ISD半主动悬架系统在不同车速下对随机输入路面的相应。仿真结果和台架试验结果基本吻合,结果表明:所建立的ISD半主动悬架数学模型正确,采用模糊控制的ISD半主动悬架系统在减少振动,提高汽车行驶平顺性方面要优于ISD悬架。

基于惯容器的轨道车辆悬挂系统性能研究

建立了轨道车辆“惯容器-弹簧-阻尼”(Inerter Spring Damper,ISD)悬挂结构垂向振动的动力学模型,采用强迫振动理论进行了振动响应特性以及隔振性能分析。研究发现:ISD结构的振幅、振幅放大因子、速度放大因子和加速度放大因子相对质量比存在极小值点,此最优质量比是频率比和阻尼比的函数;阻尼比和质量比建议取值范围为ξ<0.2及0.1<μ<0.3,此时隔振性能可得到最大程度提升;质量比越大,相位差越小。推导了临界频率比、共振点频率比与质量比的关系,质量比越大,临界频率比和共振点频率比越小,共振点处的振幅放大因子以及共振区宽度也明显减小。该结果对轨道车辆ISD悬挂结构的减隔振性能分析和轻量化研究提供了一种新的思路,并对ISD结构设计中关键参数的选取提供了参考。

基于“惯容器-弹簧-阻尼”组合的悬架性能分析

为探索结构简单、元件少、性能优的ISD悬架结构,对安排在不同位置的惯容器、弹簧和阻尼3个元件进行排列组合,构建12种含惯容器的悬架结构,并运用悬架阻抗分析法建立1/4悬架模型,采用多目标优化方法对悬架参数进行优化。以加权车身加速度、轮胎动载荷以及悬架动行程均方根值为指标,在Matlab环境下对构建的ISD悬架结构进行平顺性研究。仿真结果表明:与传统悬架相比,有8种ISD悬架结构性能优于传统悬架,其中4种ISD悬架结构减振效果明显。

被动天棚阻尼悬架降阶与优化

采用基于Routh稳定判据的Pade逼近法对被动天棚阻尼悬架系统进行降阶,寻找阶次低、元件少的ISD悬架结构。建立四分之一悬架模型,运用统一目标函数的遗传算法优化结构的参数,对比分析了传统被动、被动天棚阻尼和降阶ISD三种悬架系统的性能。结果表明,与被动天棚阻尼悬架相比,降阶ISD悬架的车身加速度、轮胎动载荷和悬架动行程均方根值都不同程度逼近被动天棚阻尼悬架,能够实现被动天棚阻尼悬架的主要性能,说明经降阶优化的ISD悬架综合性能可以接近被动天棚阻尼悬架,研究结果从理论上验证了基于Routh稳定判据的Pade逼近法的有效性。

基于惯容器-弹簧-阻尼悬架的履带机器人平顺性仿真分析

为探究惯容器-弹簧-阻尼(interter-spring-damper,ISD)悬架作为履带机器人悬架方案的应用价值,以某履带机器人方案为例,建立了采用ISD悬架的1/2移动平台8自由度模型,进行力学分析得到了系统运动微分方程,以计算机模拟的路面随机激励时域模型作为输入,利用MATLAB/Simulink建立履带机器人动力学模型,考虑履带承重轮之间地面输入的迟滞性,将路面不平度和履带机器人行驶速度相结合对模型进行仿真。结果表明,采用ISD悬架的履带机器人方案相对于采用传统被动悬架的方案,质心垂向加速度和俯仰角加速度均有明显减小,即行驶平顺性得到了改善。可见ISD悬架的应用可以提高履带机器人的行驶平顺性。