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通过连接减振器的主动悬架改善汽车行驶平顺性
摘要：
本文提出了一种新的汽车悬架系统的研究理论，在前轴采用液压连接前后减振器的主动悬架。基于半车模型的汽车悬架系统（包括发动机安装系统）的理论研究。根据毛细管束理论，建立了前后减振器之间的液压连接。此外，提出了基于最优控制理论的主动悬架系统控制算法。用遗传算法应用优化程序生成主动悬架控制算法参数。将主动悬架系统与被动悬架系统进行了比较，并进行了悬架系统的平顺性和行驶平顺性的研究。结果表明，提出的连接减振器的主动悬架系统在乘坐舒适性和行驶性提供了显着的改善。而且连接减振器悬挂系统对后轴的行驶平顺性有一个预先控制的作用。
正文：
车辆悬挂对提高乘坐舒适性和行驶性起着重要的作用。一般情况下，被动悬架结构简单，成本低，但它的缺点是无法同时提高在低频区域（包含的谐振频率）和高频区域的乘坐平顺性。传统的车辆悬架设计一般涉及到操纵稳定性和乘坐舒适性之间的权衡。具有相对刚性悬架的车辆有可能具有良好的操纵稳定性，但行驶平顺性差，而对于软性、柔性悬架的则相反。因此，以前的一些研究表明，悬架系统组件的特性对平顺性有明显的影响。
除了悬架设计的合理选择和悬架元件的优化特性外，悬架的控制系统也很重要。因此，影响的主动和半主动悬架控制的算法对车辆的平顺性和操纵性已在另一个研究中分析。 利用自适应模糊逻辑控制理论，结合卡尔曼滤波器进行状态评估，开发了一种半主动悬架系统控制器。四分之一的车辆行驶动力学模型的构建和验证，通过实验室测试液压四柱振动筛。用卡尔曼滤波算法建立大概的震动速度，并通过测量与外部位移传感器进行准确性的验证。
通过卡尔曼滤波器的精确估计的控制器输入增强了使用模糊逻辑的自适应控制在很宽的道路曲线的范围内保持最佳性能。用基于梯度的优化算法改善模糊逻辑控制器参数。车辆模型是模拟半主动悬架控制器在不同的道路曲线下的运动状态。比较自适应模糊半主动控制器和进行最优LQR半主动控制器和最佳的被动悬架系统之间的乘坐平顺性和行驶性。结果表明，提出的半主动悬架系统控制器在不同的道路曲线下在乘坐平顺性和行驶性有显著的改善。
另一方面，主动悬架系统对提高汽车行驶平顺性的模糊天棚阻尼控制理论是由Soliman等人建议。主动悬架系统的平顺性是通过一个7自由度的整车数学模型理论的评价。仿真结果在时域、频域和均方根值，结果表明所提出的主动悬架系统模糊天棚阻尼控制改进车身加速度的行驶平顺性，悬架的工作空间与被动悬架系统相比，车轮动载荷，这是非常接近理想的天棚阻尼悬挂系统性能。仿真结果提供了在时域、频域和均方根值。所提出的主动悬架系统模糊天棚阻尼控制相比于被动悬架系统改善了车身加速度，行驶平顺性，悬架的工作空间，车轮动载荷。这是非常接近理想的天棚阻尼悬挂系统的表现。
Soliman使用半数学模型研究各种车辆悬架系统的乘坐平顺性。已经提出的混合控制策略，以提高行驶性能。用车辆速度和路面平整度对行驶性能的进行评估。所得到的结果表明，垂直驾驶室悬挂和混合控制系统对被动悬架有很好的改善作用。此外，路面平整度和货车行驶速度对货车行驶性能有显著影响。另一方面，由Soliman等人研究了模糊逻辑控制的汽车半挂车驾驶室，座椅，前悬架的主动悬架系统。提出基于14自由度车辆模型和三模糊逻辑控制策略研究理论。所得到的结果表明，模糊逻辑控制对于车辆的主动悬架系统是一种优秀的控制方法。
一种克服行驶平顺性和道路操纵性之间矛盾的方法是通过液压或机械连接各个车轮（弹簧阻尼单元），可定义为悬架系统中一个车轮上产生的力可以被其它车轮单元所替代每个车轮（两轮或四轮）的减振器之间互连一般是通过机械或液压装置来实现的。车轮互联最常见优点是，在悬架设计中的每一种悬架模型中提供更多刚度和阻尼的控制权，而不是完全依赖于单轮刚度和阻尼笼统的定义悬挂的特点。此外，连接减振器悬挂系统对后排乘坐质量有一个预先控制效果。一种气动俯仰平面互联对车辆行驶性能的影响的参数被提出[ 19 ]。此外，史密斯等人在沥青路面进行了流动损失系数、空气弹簧体积面积比、车辆质量和质量分布的传递性等几个参数的敏感性分析
虽然，全主动悬架被用来提高汽车的舒适性、连接减振器悬架系统已被用于在后轴，提高车辆的乘坐舒适性。但他们的有三个主要缺点：需要能量输入水平；主动悬架的成本过高；连接阻尼悬架对前轴的改善过小。因此，在这项研究中设计的一个主动悬架机构建议在前轴同时使用连接阻尼悬架系统，降低前轴的车身加速度。同时保持连接阻尼悬架系统的预览效果，提高车辆后轴的乘坐舒适性用来解决这三个缺点。
道路激励：
在这项研究中，时域随机路面生成一个过滤白噪声信号，考虑路面不平度和总线速度[的变化[21]。研究中使用的路面如图1所示。
（1）
其中X0是道路输入位移，G0是路面粗糙度系数，V是总线速度和W（t）是零均值的高斯白噪声的强度1。F0是低切开关频率，在本次研究中假定为0.01赫兹。
图1.随机路面
总线数学模型：
被动和主动模型：
图2.被动/主动主线垂直动力学模型
在这项研究中使用的六自由度总线垂直动力学模型如图2所示。汽车底盘被动悬架系统和发动机的建模为线性弹簧和粘性阻尼器。以KS和CS表示总线的每一个轴，以Ke和Ce表示发动机在前后的位置。另一方面，车辆底盘主动悬架的系统建模为线性执行器。也可以简单的定义Us为车辆总线的每个轴。Mb，MW1，MW2和Me分别代表车身，前轴，后轴和发动机质量。Xb和Xe代表车身和发动机在重心的垂直位移。在每个轴上车身，车轮，道路垂直位移分别以Xb，Xw和XO表示。在发动机前后的发动机的垂直位移和车身垂直位移用Xe，Xbe表示。theta;b，theta;e表示车身和发动机体的俯仰角。L1和L2表示车辆重心距前轴和后轴的距离。
L3，L4，Le1和Le2分别表示车辆重心和发动机中心到前后发动机体的距离。
辆的垂直和俯仰响应运动方程用下式表示：
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
发动机的垂直和俯仰响应的运动方程可以写为：
（7）
（8）
（9）
前轴和后轴的运动方程可以写为：
（10）
（11）
主动悬架系统算法：
利用最优控制理论，推导了主动悬架系统控制算法。用该总线模型的输出状态作为反馈信号来控制算法。输出状态是车身和车轮的垂直位移和速度由公式12和13得出。遗传算法优化程序是用来优化主动控制算法。优化的目标是将车辆的垂直和俯仰加速度、发动机的弹簧质量、动态轮胎的负荷最小化。同时保持悬架的工作空间在允许的范围内。公式14提供用在优化程序里的性能指标。
图3、连接减振器/主动连接减振器的车辆垂直动力学模型
（12）
（13）
（14）
其中K11、K12 ..... K24是由控制算法所得，q1、q2hellip;hellip;q8，rho;1，rho;2是优化过程中使用的性能指标的加权参数。
连接减振器模型：
图3是连接减振器悬挂系统和主动连接减振器悬挂系统的6个自由度的半总线模型。根据之前创建的毛细管理论建立前后减振器的液压连接[18]。这类悬架应该注意的一点是，当前后减振器连接时，后桥车身的响应是在后悬挂通过道路之前。根据前悬架前进时传递的干扰，连接减振器可以预先抑制后悬架的振动峰值。这意味着这类悬架有预先控制的作用。
用下述公式将连接减振器的等效阻尼系数转换为具有时变阻尼特性的独立减震器的悬挂力：
（15）
（16）
（17）
（18）
其中Cs12表示液压连接阻尼系数。参考文献对连接减震器用到的毛细管理论进行了详细的说明。
从文献中可以明显的看出，连接减震器悬挂系统已被用于改善的车辆后桥的平顺性，而前轴的乘坐平顺性不能提高。因此，主动悬架系统执行机构的建议是在前轴实施连接减震器悬挂系统，以减少车辆的前轴车身加速度，保持连接减震器悬挂系统的预先控制效果，以提高在后桥行驶时的车辆平顺性。采用遗传算法优化的方法，优化了主动悬架系统与前主动悬架系统的增益控制算法。在这种情况下，总的前和悬架的力量公式如下：
（19）
（20）
（21）
其中US1con是前悬架主动执行器产生的力。
性能标准：
每个悬架系统的性能（驾驶性能）可以在以下三个性能标准方面定量地评估：
乘坐舒适性：乘坐舒适性评价的主要性能指标是垂直加速度。因此，汽车垂直加速度已被选定为主要性能指标，由该悬架系统的功率谱密度（PSD）得出。
悬架工作空间：车辆悬架工作空间用来衡量静态位置位移变化。因此，在相同的悬架工作空间内进行悬架系统的比较。
车轮动载荷：车轮动载荷用来衡量道路行驶性，因为不同的接触长度和侧向制动力减少会导致轮胎动载荷发生变化。因此，建议的悬挂系统对道路行驶性的性能是通过对车轮动载荷的PSD曲线评估。
计算机实现和车辆数据：
上述的车辆模型已在Matlab/Simulink软件实现[ 22 ]。优化工具箱被用于优化的主动悬架系统所提出的控制算法的增益。从功率谱密度显示的结果来看，对仿真模型进行一段20秒的时间历程来构建建议悬架系统的不同性能标准。表1中给出了车辆模型的参数。
表1、车辆模型参数
结果与讨论：
图4
在图四中，对被动悬架系统、主动悬架系统和连接减振器悬架，连接减振器主动悬架系统的车身前后加速度进行了比较。PSD曲线表明在整个频率范围内的主动悬架系统的平顺性值得改进的地方。虽然使用连接减振器悬挂系统仅在后桥减少车身垂直加速度，尤其是周围的簧载质量共振频率。此处应注意的是，前后减振器连接的车身，后桥的响应地是在后悬架通过道路干扰前。在这种情况下，通过前悬架传递的路况，连接减振器可以预先抑制后悬架的振动峰值，使车辆后部行驶保持平顺。这被称为连接减振器悬架系统的预先控制。另一方面，当前主动悬架系统与连接减振器悬架系统一起使用时，前桥和后桥的车身垂直加速度被提高。因此，在前桥使用主动悬挂系统执行器和连接减振器悬挂系统，减少前桥的车身垂直加速度，保持连接减振器悬挂系统的预先控制效果，以提高在后桥的车辆平顺性。
图5
图5对被动悬架系统、主动悬架系统和连接减振器悬架系统，主动连接减振器悬架系统的振动和俯仰加速度进行了比较。通过观察车身加速度响应得出结论，动悬架系统的性能大大优于被动悬架系统，并显著优于连接减振器悬架和连接减振器主动悬架系统。另一方面，连接减振器主动悬架系统的垂直加速度是优于连接阻尼悬架系统，可以清楚地得出前车身加速度的减少是由于在前桥使用主动悬架。因此，连接减振器主动悬挂系统的行驶性能接近于主动悬架系统，尤其是在悬架的共振频率下。应该注意的是，主动悬架和连接减振器主动悬架的车身的俯仰加速度变高。
图6
图6对被动悬架系统、主动悬架系统和连接减振器悬架系统，主动连接减振器悬架系统的前后轮胎动载荷进行了比较。从图中可以观察到，使用连接减振器悬架系统的前后轮胎动载荷较低。但利用主动悬架系统增加了前轴和后轴车轮动载荷，尤其是在非悬架质量的共振频率内。另一方面，相对于被动悬架系统使用连接减振器悬架系统改善了后轴的轮胎动载荷。但它并没有消除部分主动悬架系统对前轴轮胎动载荷的负面影响。
图7
图7对被动悬架系统、主动悬架系统、连接减振器悬架系统和主动连接减振器悬架系统的发动机重心加速度和发动机俯仰加速度进行了比较。从图中可以看出，当使用被动悬架系统时，有较高的发动机体振动加速度。当使用连接减振器悬架系统时，只有在车辆共振频率(1.0-2.0 Hz)时改善了发动机体的振动加速度。另一方面，采用全主动悬架系统的车身
在整体频率范围内提高了发动机体的振动加速度。此外，使用前主动悬架执行器只有和连接减振器悬架系统结合时，改善发动机体振动加速度，尤其在共振外围内（10-12Hz）。表明了连接减振器主动悬架系统如何接近全主动悬架系统的性能。另一方面，相对于被动悬架，全主动悬架在整体频率范围内改善发动机的俯仰加速度。当使用连接减振器悬架和连接减振器主动悬架时，观察到发动机的俯仰加速度变差，尤其是在车辆簧下质量共振频率（7.0Hz）左右。另外，使用连接减振器主动悬架系统改善了发动机体振动加速度，尤其是在发动机簧载共振频率（10-12Hz）。
结论：
在这项研究中，一个新的车辆悬架系统，采用前主动悬架系统与连接前后减震器被提出。
根据毛细管理论，建立前和后减震器之间的液压连接。此外，基于最优控制理论的主动悬架系统的控制算法被推导出，并建立了车辆模型。应用遗传算法优化程序生成主动悬架控制算法参数，得到的仿真结果表明：
1.连接减振器悬挂系统改善了后轴汽车的乘坐性能通过连接减振器理论的预先控制作用，而且没有任何额外的成本，但它并没有改善前轴的乘坐性能。lt;
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