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连续减速带激励下多自由度车辆悬架系统的混沌振动与控制

杨智勇  
【摘要】:汽车是一个包含多种非线性部件的高度集成系统,如悬架系统、轮胎、座椅中都存在悬架弹簧的刚度、液压阻尼器、流体动压阻尼的非线性以及轮胎刚度的非线性等诸多非线性因素。在路面不平度激励作用下,整个车辆的动力学行为表现出分岔、混沌等复杂的非线性特性。这些非线性现象将导致车辆振动加剧、威胁行车安全和影响舒适性、引起不期望的路面振动和噪声。运用非线性理论研究汽车与路面激励相互耦合、相互激励导致的非线性汽车动力学现象及其抑制方法是一个重要课题。为了更真实地模拟实际的车辆系统,获得更有价值的结果,论文重点以高速路面常见的连续减速带为外部激励,以多自由度非线性车辆悬架系统为研究对象,对具有非线性特性的四自由度半车模型和七自由度整车模型进行混沌振动和混沌控制研究,力图通过对抽象出的数学模型的分析,研究其在不同的激励条件和系统参数改变的情况下的非线性动力学特性,揭示混沌运动的本质及其影响,设计合理的混沌控制方法,从而能够更好地控制系统的混沌振动,最终为车辆悬架控制系统设计以及道路路面的铺装设计等提供重要的理论指导。论文的创新性研究主要包括以下五个方面:①针对高速公路中的一种特殊路面形式连续减速带,通过考虑汽车通过一般路面和连续减速带时与车速耦合作用对车辆的影响,以数学函数模拟车辆通过呈周期和非周期形式铺设的连续减速带路面时的耦合激励,构建了车速—路面—减速带三者耦合的动态路面激励模型。②以四自由度非线性半车模型为研究对象,通过建立四自由度非线性半车模型的运动微分方程,以数值分析方法研究了其以定速和变速(包括加速和减速)通过连续减速带,在车速—路面—减速带动态耦合激励作用下的非线性动力学行为,得到了其在不同激励情况下的非线性运动状态及其可能出现的混沌现象的临界条件及系统通往混沌的途径。③以七自由度非线性整车模型为研究对象,建立该模型的运动微分方程,通过数值分析方法研究其在车速—路面—减速带耦合激励下,定速和变速通过连续减速带时系统的混沌振动特性,得到了其在不同激励情况下的非线性运动状态及其可能出现的混沌现象的临界条件及系统通往混沌的途径。获得了比四自由度非线性半车模型更为丰富的非线性动力学现象。④以七自由度非线性汽车悬架模型为基础,建立了“人—车—路”十一自由度汽车平顺性分析模型和微分方程,分析汽车悬架系统在不平路面激励下,车辆非线性运动状态与振动幅值和强度的关系,结果显示车辆在拟周期运动状态和混沌运动状态时车辆的振动幅值和强度变化最大,车辆舒适性最差,在周期运动状态时车辆的振动幅值和强度变化最小,车辆舒适性最好。⑤针对汽车在拟周期和混沌态时,汽车的振动幅值和振动强度变化最大,驾乘舒适性最差的问题,通过建立四自由度和七自由度非线性汽车主动悬架模型和运动微分方程,分别以直接状态变量反馈控制方法和滑模变结构控制方法对混沌振动进行控制,研究表明,通过对混沌振动的抑制可有效地降低系统的振动幅值和强度,改善驾乘舒适性。


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