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轿车行驶平顺性与操纵稳定性的联合仿真研究

刘东凯  
【摘要】:汽车行业快速发展的今天,人们对汽车的要求已经不仅仅局限于获得良好的动力性与经济性,同时对汽车产品行驶平顺性和操纵稳定性的要求已日显突出。本文基于多刚体动力学和自动控制原理等相关理论,应用MATLAB/Simulink软件分别对轿车行驶平顺性和操纵稳定性进行研究,并采用LQG算法对其进行联合控制。主要研究内容包括: 本文首先研究了2自由度1/4车、5自由度半车、7自由度整车以及11自由度车椅模型的平顺性能。分别在低自由度车体模型中加入特殊路面激励、高自由度车体模型加入随机路面激励,较为全面的对不同路面模型进行研究;在车体模型的研究中,讨论了牛顿法与拉格朗日法的不同应用;在高自由度轿车平顺性研究中,通过Simulink子系统嵌套与封装技术设计了参数自适应方法,避免了轿车设计和改装中由于参数修改带来车体系统固有矩阵的反复修正,为模型参数化提供了一定的理论依据;车椅系统的设计中,建立了三种座椅的建模方案,说明了完整建模的必要性;将阈值优化方法与平顺性的研究相结合,对悬架和座椅参数进行了优选,为轿车的相应系统设计提供了良好的参考。 其次,分别对2自由度摩托车模型、3自由度整车模型操纵稳定性进行研究。以前轮转向轿车入手,分别研究了低速、高速工况下模型的稳定性能;在四轮转向轿车的研究中,对后轮控制策略进行了推导,说明了前后轮分别以常角阶跃输入以及传统比例输入的弊端,并进行引入车速因子和横摆角速度的反馈修正;验证了状态方程求解与侧偏力求解的一致性,方便了非线性轮胎的加入;对非线性模型的研究中,分别加入了Unitire轮胎和Magic Formula轮胎,得出了非线性模型的操纵稳定性普遍优于线性模型,说明了操纵稳定性非线性模型研究的重要意义;同时,应用模型重构法解决了操纵稳定性模型代数环的存在导致系统的发散问题,并推导了其理论由来,为操纵稳定性的仿真研究提供了诸多良好的解决方案。 最后,对轿车行驶平顺性和操纵稳定性的联合控制算法进行了研究,选择了LQG算法,基于2自由度1/4车模型,通过对车身质心加速度、轮胎动位移、悬架动挠度进行仿真分析,说明了行驶平顺性和操纵稳定性对应需要考虑的参量;设计了加入LQG控制器的主动悬架,并与被动悬架轿车结果进行了对比,说明了主动悬架轿车平顺性和操纵稳定性均优于被动悬架轿车,具有重要的研究价值。 本研究解决了轿车两大重要特性领域内诸多问题,完善了领域内部分问题的研究不足,对轿车的设计和改装具有一定的参考价值。


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