本文關鍵詞：越野車輛懸架能量轉(zhuǎn)換—回饋機理及其控制研究

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【摘要】：隨著“節(jié)能與新能源車輛”產(chǎn)業(yè)地位的提升,針對整車能量流及其與車輛各項性能耦合關系的研究不斷受到重視,其中結合動力系統(tǒng)能量流和制動系統(tǒng)能量回收的研究較早且日趨成熟,而針對懸架系統(tǒng)能量流及其對車輛性能影響規(guī)律的研究則處于起步階段。懸架系統(tǒng)是車輛底盤的重要組成部分,起著支撐車身、隔離路面不平激勵導致的沖擊等作用,對車輛舒適性和行駛安全性有著直接的影響。越野車輛的行駛工況涵蓋了城市公路和較惡劣的壞路甚至無路工況,對懸架設計提出了更高的要求。傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)具有以下不足:(1)單一的阻尼特性難以滿足不同行駛工況對阻尼特性的不同要求;(2)大量的振動能量以熱能形式耗散到外界環(huán)境中,不利于越野車輛的燃油經(jīng)濟性;(3)減振油液的嚴重溫升將導致懸架系統(tǒng)的阻尼力衰減和加速失效。因此,研究越野車輛懸架系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換機理,并探索懸架振動能量回饋的機理和系統(tǒng),在降低油液溫升、提高懸架性能的同時,對懸架振動能量進行高效回收,具有重要的意義。本文以某越野車輛懸架系統(tǒng)為研究對象,建立了傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換機理模型,探討了減振器的溫升特性對懸架性能的影響;利用懸架振動模型研究了懸架能量的回饋機理和回饋潛力,并提出越野車輛饋能懸架系統(tǒng)的性能評價方法;創(chuàng)新設計了一系列泵式饋能懸架系統(tǒng)方案,實現(xiàn)了油液單向大循環(huán)流動,能夠降低溫升并提高發(fā)電效率,且使懸架具有較大的阻尼力調(diào)節(jié)裕度以及期望的復原/壓縮阻尼力的非對稱性;提出了綜合路面預瞄信息、系統(tǒng)硬件約束、車輛平順性和饋能效率的饋能半主動懸架復用模型預測控制算法。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)車輛懸架系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換機理分析與試驗研究。本文將減振器熱力學模型分為熱傳導過程子模型、對流換熱過程子模型和輻射換熱過程子模型,并且考慮了減振油液密度-溫度特性和粘度-溫度特性,研究了減振器油液被動阻尼能量耗散和油液溫升的機理;進而建立了傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)減振器的能量轉(zhuǎn)換模型,分析了減振器油液溫升特性對懸架性能的影響;最后利用減振器持續(xù)加載下的溫升特性試驗和不同溫度、加載速度下的阻尼特性試驗,對上述模型和機理進行了試驗驗證。(2)懸架振動能量建模及回饋潛力的理論研究。利用經(jīng)典四分之一車建立了懸架瞬時功率預測模型,研究了由路面不平激勵引起的懸架振動能量的回饋潛力;對車輛懸架在不同行駛車速和路面等級下的能量回收潛力進行了闡述,并指出越野車輛懸架系統(tǒng)具有較好的能量回收潛力;最后通過結合國內(nèi)外平順性評價標準和越野車輛的行駛特點,提出越野車輛饋能懸架系統(tǒng)的性能評價方法。(3)越野車輛泵式饋能懸架系統(tǒng)構型設計、優(yōu)化及樣機開發(fā)。針對自重較大且行駛道路工況惡劣的越野車輛,創(chuàng)新設計了一系列泵式饋能懸架系統(tǒng)方案,并針對泵式雙筒饋能減振器方案進行了理論建模、參數(shù)分析和樣機試制。該方案能夠?qū)⑼鶑偷膽壹苷駝愚D(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻拇笱h(huán)油液流動,進而推動液壓馬達及發(fā)電機單向旋轉(zhuǎn),提高發(fā)電機的發(fā)電效率及工作可靠性;還實現(xiàn)了車輛懸架所要求的減振器復原阻尼力/壓縮阻尼力非對稱性;該方案具有較大的阻尼可控范圍,為實現(xiàn)饋能懸架的半主動控制提供了良好的硬件基礎。通過對關鍵部件(執(zhí)行器主體、饋能模塊和充電管理模塊)進行設計和選型,試制了泵式饋能懸架系統(tǒng)原理樣機;針對該樣機的測試需求,設計并試制了泵式饋能減振器饋能特性試驗系統(tǒng),對該樣機在外接負載斷路狀態(tài)下的饋能減振器阻尼特性、溫升特性、阻尼可控范圍和變外接負載狀態(tài)下的饋能特性進行了深入的試驗研究。(4)越野車輛泵式饋能懸架實物在環(huán)試驗研究。設計并試制了泵式饋能懸架實物在環(huán)試驗系統(tǒng),結合車輛實時動力學模型進行了饋能減振器實物在環(huán)試驗,驗證了泵式饋能懸架系統(tǒng)樣機在車輛中的實際性能表現(xiàn);在隨機路面激勵和脈沖激勵工況下對饋能減振器的不同工作狀態(tài)(最大饋能狀態(tài)、目標阻尼特性狀態(tài)以及隨動狀態(tài))進行了減振特性和饋能特性的試驗研究。(5)基于路面預瞄的饋能半主動懸架復用模型預測控制算法研究。首先提出了路面預瞄的具體實施方法,建立了四輪路面不平激勵模型和基于懸架半主動控制的整車七自由度動力學模型,以此為基礎,綜合考慮了饋能懸架系統(tǒng)的硬件約束、越野車輛平順性和饋能效率,進而設計了饋能半主動懸架復用模型預測控制器;最后選取天棚半主動控制懸架和可提供目標阻尼的被動饋能懸架作為對照組,驗證了所設計的控制算法在隨機路面輸入和脈沖路面輸入工況下的作用效果;結果表明,該控制器在提高車輛平順性的同時,具有較高的饋能效率,有利于提高越野車輛的燃油經(jīng)濟性。本文的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)系統(tǒng)深入分析了懸架系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換機理以及能量回饋機理,為饋能懸架的設計提供了理論基礎。(2)設計了新型泵式饋能懸架系統(tǒng)樣機,實現(xiàn)了油液單向大循環(huán)流動,能降低油液溫升并提高發(fā)電效率,使懸架具有較大的阻尼力調(diào)節(jié)裕度以及期望的復原/壓縮阻尼力的非對稱性。(3)提出了一種綜合路面預瞄信息、系統(tǒng)硬件約束、車輛平順性和饋能效率的饋能半主動懸架復用模型預測控制算法,在提高越野車輛的乘坐舒適性和行駛安全性的同時,具有較高的能量回收效率。
【關鍵詞】：越野車輛 懸架能量轉(zhuǎn)換 懸架能量回饋 泵式饋能懸架 饋能半主動懸架控制
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U463.33;U469.3
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-19
• 第1章 緒論19-39
• 1.1 研究背景及意義19-20
• 1.2 懸架能量轉(zhuǎn)換機理研究現(xiàn)狀20-27
• 1.2.1 傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)熱-機耦合模型研究21-23
• 1.2.2 帶溫度補償減振器及其控制算法23-26
• 1.2.3 懸架能量轉(zhuǎn)換與能量回饋的聯(lián)系26-27
• 1.3 懸架能量回饋系統(tǒng)研究現(xiàn)狀27-36
• 1.3.1 懸架系統(tǒng)能量回饋潛力研究27-29
• 1.3.2 饋能懸架關鍵部件研究現(xiàn)狀29-34
• 1.3.3 饋能懸架控制方法研究現(xiàn)狀34-35
• 1.3.4 預瞄與饋能控制結合的研究35-36
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容與技術路線36-39
• 第2章 越野車輛懸架系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換-回饋機理39-63
• 2.1 傳統(tǒng)懸架能量轉(zhuǎn)換模型39-50
• 2.1.1 機理分析及其假設40-42
• 2.1.2 熱傳導過程的建模42-45
• 2.1.3 對流換熱過程建模45-46
• 2.1.4 輻射換熱過程建模46-47
• 2.1.5 減振油液密度-溫度特性建模47
• 2.1.6 減振油液粘度-溫度特性建模47
• 2.1.7 傳統(tǒng)減振器的能量轉(zhuǎn)換模型47-50
• 2.2 傳統(tǒng)減振器溫升特性試驗50-53
• 2.2.1 減振器溫升特性試驗系統(tǒng)50-51
• 2.2.2 持續(xù)加載下減振器溫升特性試驗51
• 2.2.3 不同工況下減振器阻尼特性試驗51-53
• 2.3 懸架振動能量建模與能量回饋潛力分析53-58
• 2.3.1 振動能量基礎模型53-54
• 2.3.2 路面不平激勵模型54-57
• 2.3.3 懸架能量回饋潛力57-58
• 2.4 越野車輛饋能懸架性能評價58-61
• 2.4.1 越野車輛的平順性58-60
• 2.4.2 饋能懸架饋能特性60-61
• 2.5 本章小結61-63
• 第3章 泵式饋能懸架系統(tǒng)設計、建模與性能分析63-89
• 3.1 泵式饋能懸架系統(tǒng)設計63-69
• 3.1.1 泵式單筒饋能減振器64-65
• 3.1.2 泵式雙筒饋能減振器65-67
• 3.1.3 單筒集成饋能減振器67-69
• 3.2 泵式饋能減振器動力學建模69-79
• 3.2.1 泵式饋能減振器的原理分析69-70
• 3.2.2 饋能模塊液壓馬達流量分析70-71
• 3.2.3 可控阻尼力模型71-74
• 3.2.4 被動阻尼力模型74-78
• 3.2.5 總體阻尼力模型78
• 3.2.6 參數(shù)設置78-79
• 3.3 性能分析及參數(shù)優(yōu)化79-87
• 3.3.1 復原/壓縮阻尼力的非對稱性調(diào)節(jié)79-80
• 3.3.2 液壓馬達排量對饋能功率的影響80-82
• 3.3.3 泵式饋能減振器的阻尼可控特性82-84
• 3.3.4 輸入激勵頻率對饋能特性的影響84-85
• 3.3.5 液壓饋能效率85-86
• 3.3.6 關鍵參數(shù)優(yōu)化86-87
• 3.4 本章小結87-89
• 第4章 泵式饋能懸架系統(tǒng)樣機設計與試驗研究89-111
• 4.1 泵式饋能減振器原理樣機設計89-94
• 4.1.1 執(zhí)行器的主體設計89-90
• 4.1.2 饋能模塊設計選型90-93
• 4.1.3 充電管理模塊設計93-94
• 4.2 泵式饋能減振器特性試驗研究94-102
• 4.2.1 饋能減振器饋能特性試驗系統(tǒng)設計94-96
• 4.2.2 空載狀態(tài)下阻尼特性和溫升特性96-98
• 4.2.3 泵式饋能減振器的阻尼可控特性98-100
• 4.2.4 外接負載對懸架饋能特性的影響100-101
• 4.2.5 目標示功特性對應的外接負載值101-102
• 4.3 泵式饋能減振器實物在環(huán)試驗研究102-110
• 4.3.1 泵式饋能減振器實物在環(huán)試驗系統(tǒng)設計102-103
• 4.3.2 隨機路面激勵下特性分析103-107
• 4.3.3 脈沖路面激勵下特性分析107-110
• 4.4 本章小結110-111
• 第5章 預瞄路況條件下的饋能懸架半主動控制111-133
• 5.1 路面信息預瞄的實施方法111-113
• 5.2 基于懸架控制的整車模型113-117
• 5.3 饋能半主動懸架控制算法117-123
• 5.3.1 傳統(tǒng)模型預測控制簡介117-118
• 5.3.2 復用模型預測控制設計118-120
• 5.3.3 二次規(guī)劃問題的求解120-123
• 5.4 虛擬實驗與結果分析123-130
• 5.4.1 阻尼特性與饋能特性的時域分析123-129
• 5.4.2 阻尼特性與饋能特性的頻域分析129-130
• 5.5 本章小結130-133
• 第6章 全文總結與展望133-137
• 6.1 全文總結133-135
• 6.2 研究展望135-137
• 參考文獻137-149
• 攻讀學位期間取得的科研成果149-153
• 致謝153-154

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