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科研成果

车辆悬架及其电子控制系统关键零部件设计理论、技术与应用

2013-10-14

主要完成人:陈龙,江浩斌,汪若尘 等

项目背景:

随着各种电子控制技术在汽车底盘中得到了快速的发展和广泛的应用,给汽车发展带来了巨大的变化。上世纪70年代,工业发达国家提出了悬架系统的主动/半主动控制技术,经过几十年的持续研究,已在部分高档汽车上安装了不同类型的主动/半主动悬架系统。在我国,半主动悬架方面的研究起步较晚,目前的研究主要旨在提高汽车的行驶平顺性,但大多是以牺牲安全性为代价,并且研究理论与技术的广度和深度也不及国外,基本上还停留在在仿真计算、模拟试验及少量的装车试验研究阶段,另外,国产汽车车型的实际情况以及汽车使用条件的特殊性,至今还没有与我国汽车相匹配的、具有自主知识产权的半主动悬架及其控制系统。因此,如何解决半主动悬架实际应用问题仍是一个亟待解决的课题。由于实际悬架系统非线性、系统的建模不精确性以及参数的时变性等问题,不仅会影响系统的实际性能,严重时可能导致系统的不稳定,实际应用也一定会出现一系列新问题。因此,悬架系统非线性动力学分析和控制需进一步深入系统研究;必须对系统进行全局动力学分析,才能把握系统的动力学行为,确保系统达到期望的动力学性能,以便开发一类控制有效、能耗低、造价合理的车辆悬架控制系统。

主要研究内容:

1)建立了半主动悬架的整车非线性动力学模型,应用Hopf分岔与奇异性理论,分析了包含阻尼非线性和时滞非线性的半主动悬架动力学行为,更深层面揭示了半主动悬架系统的非线性本质特征,全面了解和掌握半主动悬架系统的失稳机理以及系统产生临界失稳的条件。

2)在分析线性模型的鲁棒控制和模糊神经网络自适应控制的半主动悬架控制的基础上,基于模糊动态模型设计概念和时变大系统理论,设计了半主动悬架非线性控制策略。

3)开发了液压可调阻尼减振器的设计计算软件,研制了分别采用“带孔圆柱转阀-圆孔”式和“楔形转阀-长槽孔”式变节流口结构的可调阻尼减振器,得到了步进电机转角和减振器阻尼系数之间的关系。

4)设计开发了以C8051F005单片机为核心的1/4车辆半主动悬架控制器及以LPC2183单片机为内核的整车半主动悬架集成控制器。

5)研制了国内第一套基于INSTRON8800数控电液伺服系统、采用样车真实零部件的2自由度1:1半主动悬架试验台,在台架试验基础上,进行了实车道路实验,初步验证了本项目研究方法的可行性和有效性。

关键技术和创新点

1)基于模糊动态模型概念和时变大系统理论,建立了包含阻尼和时滞非线性的电控(半主动)悬架数学模型及控制模型;应用多项式判别理论,系统研究了半主动悬架系统的时滞,并提出了时滞动态补偿控制方法。研究方法切实可行,在国内同类研究中属首次。为解决类似复杂系统的建模和控制提供了一种新的有效途径。

2)设计了整车递阶协调控制策略,开发了以LPC2183微处理器为内核的大系统递阶集成控制器。

3)基于“钱氏摄动理论”,研究节流阀片的翘曲变形,提高了减振器的阻尼设计精度;构建了液压减振器快速匹配设计开发平台,大大缩短液压减振器的研发周期,简化生产工艺,提高产品质量,降低生产成本。为解决减振器长期存在的设计与性能问题提供了创新思路。

4)设计并研制了具有自主知识产权的可调阻尼减振器,节流口开度变化平稳,阻尼调节范围大,能很好地满足控制策略对阻尼的要求;设计研制了基于INSTRON8800电液伺服试验装置的减振器和1/4车辆半主动悬架1:1全真试验系统,填补国内空白。

主要技术和经济指标:

研究的非线性半主动悬架系统,与被动悬架相比,车身垂直振动加速度可降低25%~40%,车轮动载荷可降低20%~30%。研究的液压可调阻尼减振器设计技术和性能试验技术及装置已在减振器生产企业得到应用,取得了良好的经济效益和社会效益。