【摘要】：追求更加卓越的安全性和舒適性是汽車技術發(fā)展的重要方向,提升車輛的側(cè)向、側(cè)傾穩(wěn)定性以及行駛平順性則是兩大發(fā)展方向的核心體現(xiàn)。作為汽車底盤系統(tǒng)中的兩大關鍵子系統(tǒng),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)對于改善車輛的穩(wěn)定性和平順性發(fā)揮著至關重要的作用;然而,二者共同作用于底盤的動力學系統(tǒng),彼此間通過輪胎作用力形成相互耦合影響,由此導致:兩個耦合控制系統(tǒng)的并存必然出現(xiàn)系統(tǒng)間的相互協(xié)調(diào)問題。傳統(tǒng)方法將單個子系統(tǒng)的獨立最優(yōu)控制進行疊加難以產(chǎn)生最優(yōu)的綜合性能,挖掘轉(zhuǎn)向與懸架子系統(tǒng)最大功能潛力,需要從集成控制層面出發(fā),協(xié)調(diào)兩大耦合系統(tǒng)的功能重疊與沖突。基于此思路,面向提升車輛穩(wěn)定性與舒適性需求,本文圍繞懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的集成控制,開展并完成了以下研究工作:(1)建立了垂向和側(cè)向相互耦合的整車9自由度動力學模型,并重點關注底層子系統(tǒng)動力學特性,以液壓互聯(lián)系統(tǒng)為基礎,得到“機械-液體-氣體”強耦合的懸架系統(tǒng)液壓執(zhí)行機構非線性數(shù)學模型,以及主動前輪轉(zhuǎn)向(Active Front Steering,AFS)與EPS結構一體化的轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)動力學模型,以便于后期檢驗所設計的控制系統(tǒng)在執(zhí)行系統(tǒng)能力范圍內(nèi)的有效性。為確保所建立模型的準確性,應用成熟的車輛動力學商業(yè)軟件Carsim進行了整車模型驗證,應用AMESim和臺架試驗進行了液壓互聯(lián)系統(tǒng)模型驗證。(2)為后續(xù)提出的被動/主動液壓互聯(lián)懸架抗側(cè)傾切換控制做鋪墊工作,進行了液壓互聯(lián)系統(tǒng)動力學特性分析及優(yōu)化。通過液壓互聯(lián)系統(tǒng)垂直模態(tài)和側(cè)傾模態(tài)的剛度和阻尼數(shù)學模型,分別從時域和頻域角度分析了兩種模態(tài)下液壓互聯(lián)系統(tǒng)的剛度特性、阻尼特性及頻率響應特性;基于Isight對被動液壓互聯(lián)懸架進行了垂直模態(tài)和側(cè)傾模態(tài)下的參數(shù)靈敏度分析,參考靈敏度分析結果提出一種參數(shù)優(yōu)化方案,并獲得相應優(yōu)化結果。(3)融合估計與優(yōu)化思想,采用無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filtering,UKF)與粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization,PSO)相結合的方法,即由UKF根據(jù)車輛側(cè)向加速度和橫擺角速度量測信息,得到初步估計結果,然后為PSO算法提供初值及參考優(yōu)化范圍,完成對非線性輪胎純側(cè)偏模型的進一步辨識,從而為基于模型的狀態(tài)估計及控制提供精確的輪胎模型;建立整車狀態(tài)觀測模型,采用UKF方法觀測集成控制系統(tǒng)所需的關鍵狀態(tài)量,基于GPS/INS組合導航系統(tǒng)等進行實車試驗,選取典型參量作為觀測系統(tǒng)準確性驗證代表,證明了觀測系統(tǒng)的有效性。(4)定義了主動互聯(lián)抗側(cè)傾控制模式(AHIS模式)和非互聯(lián)平順性控制模式(IASS模式)。抗側(cè)傾方面,構造了車身側(cè)傾角目標函數(shù)以確保平滑的車身姿態(tài)控制過程,基于Backstepping算法設計了主動液壓互聯(lián)懸架抗側(cè)傾控制系統(tǒng);考慮到被動液壓互聯(lián)模式在幾乎不影響車輛垂直模態(tài)的情況下具有更大的側(cè)傾剛度特點,提出了被動/主動可切換液壓互聯(lián)懸架控制方法,結合Backstepping控制算法和改進的Smith預估補償算法以解決被動/主動可切換抗側(cè)傾系統(tǒng)的時滯問題。平順性控制方面,采用非線性濾波方法以綜合考慮車身加速度與懸架動撓度改善需求;同時,考慮了底層執(zhí)行系統(tǒng)非線性動力學特性,為非互聯(lián)平順性控制模式設計了多目標控制算法。在以上分析基礎上,綜合主動互聯(lián)抗側(cè)傾控制模式和非互聯(lián)平順性控制模式的優(yōu)缺點,提出了面向需求的雙模式主動懸架控制方法,以根據(jù)工況在上述AHIS模式(抗側(cè)傾)與IASS模式(平順性)之間切換。(5)為作為應急控制技術的主動前輪轉(zhuǎn)向提出介入準則,即采用輪胎側(cè)向力線性/非線性域工作狀態(tài)作為主動前輪轉(zhuǎn)向介入時機判據(jù),以避免過早介入而與駕駛員意圖沖突,或過晚介入而造成無法使車輛恢復穩(wěn)定;根據(jù)該介入準則,提出了一種輪胎側(cè)向力線性/非線性工作區(qū)域的快速判斷方法,基于該判定方法,結合狀態(tài)估計系統(tǒng),采用滑模變結構控制算法為主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計了穩(wěn)定性控制器;隨后,針對AFS與EPS結構一體化系統(tǒng),設計了AFS與EPS協(xié)調(diào)控制算法以解決主動前輪轉(zhuǎn)向介入后可能導致駕駛員操縱力矩突變而引起不適的問題。(6)考慮路面附著系數(shù)的約束,改進基于“質(zhì)心側(cè)偏角-質(zhì)心側(cè)偏角速度(β-β')”相平面的質(zhì)心側(cè)偏角穩(wěn)定域以及橫角速度擺穩(wěn)定域確定辦法,形成上、下、左、右穩(wěn)定性邊界及路面附著系數(shù)約束的車輛側(cè)向穩(wěn)定域,在此基礎上為IASS模式設計了平順性控制和操穩(wěn)性控制切換準則,為AFS進行橫擺角速度控制、質(zhì)心側(cè)偏角控制、以及兩者加權控制設計了切換準則;改進基于“車身側(cè)傾角-車身側(cè)傾角速度(θ-θ')”相平面的車身側(cè)傾穩(wěn)定域確定辦法,在此基礎上提出基于θ-θ'相平面法的雙模式(AHIS模式和IASS模式)切換控制準則�；谝陨蠝蕜t,設計了車輛垂向和側(cè)向動力學系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略,采用分層控制方法,設計了集成控制系統(tǒng)組織層、協(xié)調(diào)層及執(zhí)行層控制算法,完成了主動懸架與主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成控制。
【圖文】：

指針的側(cè)傾力矩 M 以阻止車身側(cè)傾。(a) (b)1.3(2) 液壓互聯(lián)懸架發(fā)展歷程液壓互聯(lián)懸架于 1927 年由 Hawley[4]在其專利中首次提出。如圖 1.4 所示wley 闡述了多輪之間不同的連接方式，包括側(cè)傾平面的液壓缸腔室交叉連仰平面的液壓缸腔室交叉連接，以及四輪的液壓缸腔室 X 型對角交叉連接

1.7 Land Cruiser 150 KDSS悉尼科技大學張農(nóng)團隊采用圖 1.8(a)所示液壓互聯(lián)方案，將之配備于福特Territory，進行了蛇形繞樁、U 型轉(zhuǎn)向等項目測試，通過對比車身側(cè)傾角和俯仰角驗證了液壓互聯(lián)系統(tǒng)對車身姿態(tài)的改善[9]。隨后，該團隊又提出了圖 1.8(b)所示防側(cè)傾、防俯仰液壓互聯(lián)方案，在油管上配備了 4 個蓄能器，，各液壓缸出口處配置 1 個阻尼閥，同時將左上側(cè)液壓缸與右下側(cè)的液壓缸腔室交叉連接，右上側(cè)液壓缸與左下側(cè)的液壓缸腔室交叉連接，使之在俯仰、側(cè)傾和扭振模態(tài)下都能具有較大的角剛度[10]。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463


本文編號：2659194