越野车辆悬架能量转换—回馈机理及其控制研究

发布时间：2017-08-20 14:00

  本文关键词：越野车辆悬架能量转换—回馈机理及其控制研究

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【摘要】：随着“节能与新能源车辆”产业地位的提升,针对整车能量流及其与车辆各项性能耦合关系的研究不断受到重视,其中结合动力系统能量流和制动系统能量回收的研究较早且日趋成熟,而针对悬架系统能量流及其对车辆性能影响规律的研究则处于起步阶段。悬架系统是车辆底盘的重要组成部分,起着支撑车身、隔离路面不平激励导致的冲击等作用,对车辆舒适性和行驶安全性有着直接的影响。越野车辆的行驶工况涵盖了城市公路和较恶劣的坏路甚至无路工况,对悬架设计提出了更高的要求。传统被动悬架系统具有以下不足:(1)单一的阻尼特性难以满足不同行驶工况对阻尼特性的不同要求;(2)大量的振动能量以热能形式耗散到外界环境中,不利于越野车辆的燃油经济性;(3)减振油液的严重温升将导致悬架系统的阻尼力衰减和加速失效。因此,研究越野车辆悬架系统的能量转换机理,并探索悬架振动能量回馈的机理和系统,在降低油液温升、提高悬架性能的同时,对悬架振动能量进行高效回收,具有重要的意义。本文以某越野车辆悬架系统为研究对象,建立了传统悬架系统能量转换机理模型,探讨了减振器的温升特性对悬架性能的影响;利用悬架振动模型研究了悬架能量的回馈机理和回馈潜力,并提出越野车辆馈能悬架系统的性能评价方法;创新设计了一系列泵式馈能悬架系统方案,实现了油液单向大循环流动,能够降低温升并提高发电效率,且使悬架具有较大的阻尼力调节裕度以及期望的复原/压缩阻尼力的非对称性;提出了综合路面预瞄信息、系统硬件约束、车辆平顺性和馈能效率的馈能半主动悬架复用模型预测控制算法。本文的主要研究内容如下:(1)车辆悬架系统能量转换机理分析与试验研究。本文将减振器热力学模型分为热传导过程子模型、对流换热过程子模型和辐射换热过程子模型,并且考虑了减振油液密度-温度特性和粘度-温度特性,研究了减振器油液被动阻尼能量耗散和油液温升的机理;进而建立了传统悬架系统减振器的能量转换模型,分析了减振器油液温升特性对悬架性能的影响;最后利用减振器持续加载下的温升特性试验和不同温度、加载速度下的阻尼特性试验,对上述模型和机理进行了试验验证。(2)悬架振动能量建模及回馈潜力的理论研究。利用经典四分之一车建立了悬架瞬时功率预测模型,研究了由路面不平激励引起的悬架振动能量的回馈潜力;对车辆悬架在不同行驶车速和路面等级下的能量回收潜力进行了阐述,并指出越野车辆悬架系统具有较好的能量回收潜力;最后通过结合国内外平顺性评价标准和越野车辆的行驶特点,提出越野车辆馈能悬架系统的性能评价方法。(3)越野车辆泵式馈能悬架系统构型设计、优化及样机开发。针对自重较大且行驶道路工况恶劣的越野车辆,创新设计了一系列泵式馈能悬架系统方案,并针对泵式双筒馈能减振器方案进行了理论建模、参数分析和样机试制。该方案能够将往复的悬架振动转变为单向的大循环油液流动,进而推动液压马达及发电机单向旋转,提高发电机的发电效率及工作可靠性;还实现了车辆悬架所要求的减振器复原阻尼力/压缩阻尼力非对称性;该方案具有较大的阻尼可控范围,为实现馈能悬架的半主动控制提供了良好的硬件基础。通过对关键部件(执行器主体、馈能模块和充电管理模块)进行设计和选型,试制了泵式馈能悬架系统原理样机;针对该样机的测试需求,设计并试制了泵式馈能减振器馈能特性试验系统,对该样机在外接负载断路状态下的馈能减振器阻尼特性、温升特性、阻尼可控范围和变外接负载状态下的馈能特性进行了深入的试验研究。(4)越野车辆泵式馈能悬架实物在环试验研究。设计并试制了泵式馈能悬架实物在环试验系统,结合车辆实时动力学模型进行了馈能减振器实物在环试验,验证了泵式馈能悬架系统样机在车辆中的实际性能表现;在随机路面激励和脉冲激励工况下对馈能减振器的不同工作状态(最大馈能状态、目标阻尼特性状态以及随动状态)进行了减振特性和馈能特性的试验研究。(5)基于路面预瞄的馈能半主动悬架复用模型预测控制算法研究。首先提出了路面预瞄的具体实施方法,建立了四轮路面不平激励模型和基于悬架半主动控制的整车七自由度动力学模型,以此为基础,综合考虑了馈能悬架系统的硬件约束、越野车辆平顺性和馈能效率,进而设计了馈能半主动悬架复用模型预测控制器;最后选取天棚半主动控制悬架和可提供目标阻尼的被动馈能悬架作为对照组,验证了所设计的控制算法在随机路面输入和脉冲路面输入工况下的作用效果;结果表明,该控制器在提高车辆平顺性的同时,具有较高的馈能效率,有利于提高越野车辆的燃油经济性。本文的创新点主要体现在以下几个方面:(1)系统深入分析了悬架系统的能量转换机理以及能量回馈机理,为馈能悬架的设计提供了理论基础。(2)设计了新型泵式馈能悬架系统样机,实现了油液单向大循环流动,能降低油液温升并提高发电效率,使悬架具有较大的阻尼力调节裕度以及期望的复原/压缩阻尼力的非对称性。(3)提出了一种综合路面预瞄信息、系统硬件约束、车辆平顺性和馈能效率的馈能半主动悬架复用模型预测控制算法,在提高越野车辆的乘坐舒适性和行驶安全性的同时,具有较高的能量回收效率。
【关键词】：越野车辆 悬架能量转换 悬架能量回馈 泵式馈能悬架 馈能半主动悬架控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.33;U469.3
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-19
• 第1章 绪论19-39
• 1.1 研究背景及意义19-20
• 1.2 悬架能量转换机理研究现状20-27
• 1.2.1 传统悬架系统热-机耦合模型研究21-23
• 1.2.2 带温度补偿减振器及其控制算法23-26
• 1.2.3 悬架能量转换与能量回馈的联系26-27
• 1.3 悬架能量回馈系统研究现状27-36
• 1.3.1 悬架系统能量回馈潜力研究27-29
• 1.3.2 馈能悬架关键部件研究现状29-34
• 1.3.3 馈能悬架控制方法研究现状34-35
• 1.3.4 预瞄与馈能控制结合的研究35-36
• 1.4 本文的主要研究内容与技术路线36-39
• 第2章 越野车辆悬架系统能量转换-回馈机理39-63
• 2.1 传统悬架能量转换模型39-50
• 2.1.1 机理分析及其假设40-42
• 2.1.2 热传导过程的建模42-45
• 2.1.3 对流换热过程建模45-46
• 2.1.4 辐射换热过程建模46-47
• 2.1.5 减振油液密度-温度特性建模47
• 2.1.6 减振油液粘度-温度特性建模47
• 2.1.7 传统减振器的能量转换模型47-50
• 2.2 传统减振器温升特性试验50-53
• 2.2.1 减振器温升特性试验系统50-51
• 2.2.2 持续加载下减振器温升特性试验51
• 2.2.3 不同工况下减振器阻尼特性试验51-53
• 2.3 悬架振动能量建模与能量回馈潜力分析53-58
• 2.3.1 振动能量基础模型53-54
• 2.3.2 路面不平激励模型54-57
• 2.3.3 悬架能量回馈潜力57-58
• 2.4 越野车辆馈能悬架性能评价58-61
• 2.4.1 越野车辆的平顺性58-60
• 2.4.2 馈能悬架馈能特性60-61
• 2.5 本章小结61-63
• 第3章 泵式馈能悬架系统设计、建模与性能分析63-89
• 3.1 泵式馈能悬架系统设计63-69
• 3.1.1 泵式单筒馈能减振器64-65
• 3.1.2 泵式双筒馈能减振器65-67
• 3.1.3 单筒集成馈能减振器67-69
• 3.2 泵式馈能减振器动力学建模69-79
• 3.2.1 泵式馈能减振器的原理分析69-70
• 3.2.2 馈能模块液压马达流量分析70-71
• 3.2.3 可控阻尼力模型71-74
• 3.2.4 被动阻尼力模型74-78
• 3.2.5 总体阻尼力模型78
• 3.2.6 参数设置78-79
• 3.3 性能分析及参数优化79-87
• 3.3.1 复原/压缩阻尼力的非对称性调节79-80
• 3.3.2 液压马达排量对馈能功率的影响80-82
• 3.3.3 泵式馈能减振器的阻尼可控特性82-84
• 3.3.4 输入激励频率对馈能特性的影响84-85
• 3.3.5 液压馈能效率85-86
• 3.3.6 关键参数优化86-87
• 3.4 本章小结87-89
• 第4章 泵式馈能悬架系统样机设计与试验研究89-111
• 4.1 泵式馈能减振器原理样机设计89-94
• 4.1.1 执行器的主体设计89-90
• 4.1.2 馈能模块设计选型90-93
• 4.1.3 充电管理模块设计93-94
• 4.2 泵式馈能减振器特性试验研究94-102
• 4.2.1 馈能减振器馈能特性试验系统设计94-96
• 4.2.2 空载状态下阻尼特性和温升特性96-98
• 4.2.3 泵式馈能减振器的阻尼可控特性98-100
• 4.2.4 外接负载对悬架馈能特性的影响100-101
• 4.2.5 目标示功特性对应的外接负载值101-102
• 4.3 泵式馈能减振器实物在环试验研究102-110
• 4.3.1 泵式馈能减振器实物在环试验系统设计102-103
• 4.3.2 随机路面激励下特性分析103-107
• 4.3.3 脉冲路面激励下特性分析107-110
• 4.4 本章小结110-111
• 第5章 预瞄路况条件下的馈能悬架半主动控制111-133
• 5.1 路面信息预瞄的实施方法111-113
• 5.2 基于悬架控制的整车模型113-117
• 5.3 馈能半主动悬架控制算法117-123
• 5.3.1 传统模型预测控制简介117-118
• 5.3.2 复用模型预测控制设计118-120
• 5.3.3 二次规划问题的求解120-123
• 5.4 虚拟实验与结果分析123-130
• 5.4.1 阻尼特性与馈能特性的时域分析123-129
• 5.4.2 阻尼特性与馈能特性的频域分析129-130
• 5.5 本章小结130-133
• 第6章 全文总结与展望133-137
• 6.1 全文总结133-135
• 6.2 研究展望135-137
• 参考文献137-149
• 攻读学位期间取得的科研成果149-153
• 致谢153-154

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本文编号：706980