车辆主动惯容式动力吸振悬架系统研究

作者:葛正;王维锐; 刊名:振动与冲击 上传者:邱志敏

【摘要】为解决作动器惯质对主动悬架性能不利,被动惯容式动力吸振悬架减振频段较窄的问题,提出了车辆主动惯容式动力吸振悬架构型和车身加速度补偿控制策略。通过对系统动态阻抗特性的解析,表明该方法能大幅削减悬架的簧载共振峰。研究了系统参数对平顺性三项指标的影响关系,说明加速度补偿系数应在空间允许情况下择大为宜,其他参数应折衷选取。通过数值仿真,对比了该悬架与理想动力吸振悬架、被动惯容式动力吸振悬架、传统悬架和主动天棚阻尼悬架的效果,结果表明该悬架能有效改善舒适性,克服作动器惯质的不利影响,且车身加速度补偿控制策略的算法简单、计算量较小,有助于降低成本并提高控制的鲁棒性和实时性。

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动力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA)是通过在主系统上附加一套质量-弹簧-阻尼装置,令主系统产生“反共振”现象,使固有频率附近的振动幅值大幅降低的技术方法[1]。Hrovat论证了动力吸振悬架的减振机理,指出其工程障碍主要在于需要较大质量的吸振质量体,因此通常动力吸振器只能安装在非簧载质量上,以削减其共振峰,而对舒适性影响较大的低频段作用有限[2]。为拓宽动力吸振器的减振频段,一些学者提出在主系统上增加接地的阻尼或负刚度元件[3-4],但行驶的车辆内并不存在理想的接地点,因此难以在悬架中应用。一些学者提出将主动控制与动力吸振器相结合,通过动力吸振器削减非簧载共振峰,通过主动或半主动控制方式改善低频段性能[5-8]。但作动器与动力吸振器分立设置使作动器惯质无法被系统利用,会引起非簧载共振峰大幅提高,对悬架性能不利[9]。2002年,SMITH[10]提出惯容器(Inerter)概念,极大拓展了悬架设计思路。惯容器可以以较小的质量实现大质量体的动力特性,为轻型动力吸振悬架设计提供了一条崭新道路。杨晓峰[11]提出被动惯容式动力吸振悬架,通过削减簧载共振峰显著改善低频段的悬架性能。HU[12-13]得到了惯容式动力吸振器最优参数的解析解,为其参数化设计提供了数学依据。然而惯容器是两端元件,被动惯容式动力吸振悬架会引入来自轮胎的振动能量,使其减振效果不如理想动力吸振悬架优越。本文结合主动悬架原理和惯容式动力吸振技术,提出车辆主动惯容式动力吸振悬架构型,克服作动器惯质对主动悬架高频段性能的不利影响。提出车身加速度补偿控制策略,使惯容式动力吸振悬架的性能趋近理想动力吸振悬架。通过与多种形式悬架的对比,表明主动惯容式动力吸振悬架能有效拓宽动力吸振悬架减振频段,从而提高车辆舒适性。1主动惯容式动力吸振悬架原理1.1悬架系统的构型附加动力吸振装置的理想DVA悬架如图1(a)所示。因惯容器的两端属性,若用惯容器替代吸振质量体,须将惯容器的一个端点连接到非簧载质量上,由于动力吸振器的阻尼被串入悬架内,因此可取消主阻尼器,并且弹簧-阻尼单元与惯容器串联,改换二者顺序不影响悬架整体的动力学特性,因此被动惯容式DVA悬架可表示成图1(b)。图1理想DVA悬架和被动惯容式DVA悬架Fig.1IdealDVAsuspensionandpassiveISD-DVAsuspension质量体的动力学方程为F=-Mx,而惯容器的动力学方程为F=b(xb-xs),即质量体相当于一端固定于理想地面的“地棚”惯容器,被动惯容式DVA悬架实际是对理想DVA悬架的降阶简化[11],用惯容器取代吸振质量体后,非簧载质量振动能量通过惯容器引入了动力吸振系统,为达到理想动力吸振器的效果,增加与惯容器并联的主动作动器,如图2所示,通过作动器输出作动力进一步消除该振动能量的影响,从而完成主动惯容式动力吸振悬架系统的构建。图2主动惯容式动力吸振悬架Fig.2ActiveISD-DVAsuspension1.2悬架系统的车身加速度补偿控制策略完全消除非簧载质量加速度的影响,应控制主动作动器产生补偿力FA=bxu,但是非簧载质量加速度的幅值和频率较高,这需要作动器同时具有较大功率和较高响应能力,工程上较难解决。而簧载质量加速度的幅值和频率均较低,若增加上支点加速度权重,即令作动器产生与簧载质量加速度成比例的补偿力,可以在一定程度上减少非簧载质量加速度的影响。FA=-rxs(1)这样主动作动器和惯容器的总输出力为FAb=Fb+FA=bxb-(b+r)xs(2)1.3非簧载簧载的动

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