電動(dòng)賽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn)

潘軍號(hào) 趙海軍 李一凡 姜蘊(yùn)珊 徐征 王志強(qiáng)

摘 要：應(yīng)用汽車動(dòng)力學(xué)理論，以1/4汽車懸架模型為研究對(duì)象，用調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)法，建立了二自由度電動(dòng)賽車的半主動(dòng)懸架最優(yōu)控制模型，利用編制的路面譜作為激勵(lì)輸入進(jìn)行了仿真，并與被動(dòng)懸架性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，半主動(dòng)懸架在車身垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎形變量的改善度分別為31.3%、21.4%、12.6%，使車身的振動(dòng)被控制在某個(gè)范圍之內(nèi)，大大提高電動(dòng)賽車在行駛過(guò)程中的平順性。

關(guān)鍵詞：半主動(dòng)懸架;電動(dòng)賽車;最優(yōu)控制;平順性

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-24-04

Abstract： An optimal control model for semi-active suspension of a two-degree-of-freedom electric racing car is established by applying the theory of automobile dynamics， taking 1/4 car suspension model as the research object， and using the damping coefficient method of adjusting the shock absorber. Simulations were performed as stimulus inputs and compared with passive suspension performance. Results show that the semi-active suspension improves the body's vertical vibration acceleration， suspension dynamic stroke， and tire deformation by 31.3%， 21.4%， and 12.6%， respectively， so that the vibration of the body is controlled within a certain range， which greatly improves the smoothness of an electric car during driving.

Keywords： Semi-active suspension; Electric race car; Best control; Smoothness performance

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-24-04

前言

電動(dòng)賽車是當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練研究的主要對(duì)象，其操控性、制動(dòng)性等性能分析和車身、車架、懸架等的設(shè)計(jì)可以很好地作為大學(xué)生的研究方向[1][2]。懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架或車身之間的一切力和力矩，且緩和路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的震動(dòng)，保證汽車的行駛平順性，保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車的操控穩(wěn)定性[3]。半主動(dòng)懸架是一種可控懸架，可以不改變懸架剛度而只改變懸架阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架性能的調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉，性能優(yōu)良，有廣泛的應(yīng)用前景[4][5]。解雅雯利用電磁閥改變節(jié)流閥的流通截面面積的大小，進(jìn)而控制節(jié)流閥進(jìn)出油液量，以把減振器阻尼進(jìn)行多級(jí)分段調(diào)節(jié)[6]。趙強(qiáng)等引入慣容器替代中間質(zhì)量實(shí)現(xiàn)雙磁流變阻尼器的雙層半主動(dòng)隔振，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)基于模型的控制方法，采用具有全局收斂性能的自由搜索算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，并建立數(shù)值模型及用復(fù)合激勵(lì)對(duì)優(yōu)化所得方案進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證[7]。相對(duì)于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)，電動(dòng)賽車的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)可以對(duì)車身行駛穩(wěn)定性加強(qiáng)，可以使電動(dòng)賽車車身的振動(dòng)被控制在某個(gè)范圍之內(nèi)，大大提高電動(dòng)賽車在行駛過(guò)程中的平順性，從而在比賽中取得更好成績(jī)。

本文建立電動(dòng)賽車二自由度的半主動(dòng)懸架模型和綜合性能目標(biāo)函數(shù)，輸入?yún)?shù)，獲得懸掛質(zhì)量垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)變形的輸出，建立MATLAB/Simulink仿真模型，通過(guò)路面激勵(lì)輸入進(jìn)行仿真，對(duì)懸掛質(zhì)量垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)變形仿真結(jié)果與被動(dòng)控制進(jìn)行對(duì)比。

1 二自由度半主動(dòng)懸架模型的建立

1.1 二自由度懸架動(dòng)力學(xué)模型

1/4車輛模型經(jīng)常用于懸架系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)被動(dòng)懸架可以簡(jiǎn)化為具有彈簧和阻尼器的雙質(zhì)量二自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1a所示。在電動(dòng)賽車的半主動(dòng)懸架模型中保留了彈簧，用以支撐靜載懸掛質(zhì)量，阻尼器由一個(gè)力發(fā)生器u代替，如圖1b所示，該模型對(duì)系統(tǒng)作了如下假設(shè)：

（1）懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量均為剛體;

（2）懸架系統(tǒng)具有線性剛度和阻尼;

（3）懸架在工作過(guò)程中不與緩沖塊碰撞;

（4）輪胎具有線性剛度，且在汽車行駛過(guò)程中終與地面接觸。

從以上對(duì)比數(shù)據(jù)可看出，電動(dòng)賽車半主動(dòng)懸架在運(yùn)行中的車身垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎形變量的峰值相對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架來(lái)說(shuō)有明顯的下降，說(shuō)明半主動(dòng)懸架相比于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架能更好的提升電動(dòng)賽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）建立了二自由度1/4電動(dòng)賽車半主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型，建立了電動(dòng)賽車被動(dòng)懸架和基于最優(yōu)控制的半主動(dòng)懸架的MATLAB/simulink仿真模型;

（2）利用編制的路面譜作為激勵(lì)輸入進(jìn)行了仿真，與被動(dòng)懸架相比，半主動(dòng)懸架在車身垂直振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎形變量的改善度分別為31.3%、21.4%、12.6%。

參考文獻(xiàn)

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[7] 趙強(qiáng)，張娜，岳永恒.基于慣容器的半主動(dòng)座椅懸架控制和優(yōu)化[J]. 控制工程，2019， 26（12）： 2311-2316.