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刚度和阻尼可调式半主动空气悬架及控制系统研究

作　者: 马然
导　师: 朱思洪
学　校: 南京农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 半主动悬架控制磁流变减振器空气弹簧附加气室
分类号: U463.33
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

刚度和阻尼可调式半主动空气悬架表现出诸多优越性。调节悬架刚度可有效避开系统共振频率,避免发生共振,再根据行驶工况对阻尼的需要,通过调节阻尼进一步衰减振动。不仅对道路车辆,对行驶工况更为复杂的农用车辆、军用车辆等非道路车辆来说,应用刚度和阻尼连续可调的半主动悬架可增大刚度和阻尼调节范围,有效提高车辆对复杂工况的适应能力,减振效果更佳。本文以刚度和阻尼可调式半主动空气悬架系统的设计制作为核心,完成了阻尼元件磁流变减振器的研制,利用带附加气室的Firestone1T15M-2膜式空气弹簧为弹性元件,构建了半主动悬架系统。结合国内外研究成果,利用理论分析与试验结合的方法对磁流变减振器的力学特性进行了系统研究；试验研究了所构建的半主动悬架系统的振动特性；提出半主动悬架的控制理论与策略,设计了刚度和阻尼连续调节的半主动悬架电控试验系统。所完成的工作及取得的结论归纳如下：1.建立了刚度和阻尼可调式半主动悬架系统振动微分方程,推导了振动响应量的标准差解析式,利用逐步选优求解法,分析不同路面和行驶速度下刚度和阻尼的最优匹配,设计了空气弹簧刚度和磁流变减振器阻尼的匹配方案；建立车辆转向时的操纵动力学模型及1/4悬架模型,分析悬架刚度和阻尼对操纵稳定性的影响,并对悬架性能作出了评价。研究结果表明,空气弹簧与磁流变减振器的匹配方案合理。2.提出了流动模式磁流变减振器,建立了磁路仿真模型,基于ansys仿真分析了磁路磁场分布规律及结构参数对磁场特性的影响,完成了磁流变减振器的结构设计；对自行研制的磁流变减振器进行了外特性试验,研究磁流变减振器活塞速度和励磁电流对其力学特性的影响。研究结果表明,磁流变减振器的磁路设计方法合理,合理选择磁路结构参数可使磁流变液的流变性能得到最大发挥；通过调节励磁线圈中的电流可改变减振器的输出阻尼力,实现阻尼力可控,减振器的饱和工作电流在1.6～1.8A之间,阻尼力可控倍数达5.9。试验进一步验证了磁流变减振器设计方法的有效性,并为阻尼可调式半主动空气悬架的控制研究提供了依据。3.为了定量分析磁流变减振器的力学特性,基于流体动力学理论对流经阻尼通道的磁流变液进行了动力学分析,研究了阻尼通道内磁流变液的流动特性,建立了流量连续性方程,结合磁场分析建立了阻尼力数学模型,对模型系数进行了试验辨识,建立了阻尼力简化模型并对其进行了精度验证。4.构建了刚度和阻尼连续可调的半主动悬架振动响应特性试验系统,通过调节定位控制阀输入电压和磁流变减振器励磁电流来改变悬架的刚度和阻尼,试验研究了定位控制阀输入电压、磁流变减振器励磁电流及激励频率对悬架振动特性的影响规律。试验结果表明,定位控制阀输入电压逐渐增大的过程中,系统共振频率有所降低,系统位移传递率、响应加速度均方根值和最大动载荷均迅速降低,在电压增大到4.6V时降至最小值,之后随电压继续增大,三者变化不再明显；定位控制阀输入电压在3V以内时,电压越小,励磁电流对共振点的振动衰减作用越明显,在电流由0增大到0.6A的过程中,振动衰减幅度最大,当定位控制阀电压大于3V时,励磁电流对振动衰减基本无影响。5.为了实现悬架刚度和阻尼的实时控制,改善悬架系统的减振性能,提出频域快速控制方法,采用labview作为软件设计开发平台、以PCI6024E数据采集卡为核心组建了控制系统,进行了台架正弦激励振动试验,比较分析了刚度、阻尼可实时控制的半主动悬架与被动悬架的平顺性性能指标,完成了对控制策略和控制系统硬件设计的正确性和有效性检验。试验结果表明,控制系统稳定可靠,采用的控制方法可行,所设计的半主动控制策略能有效抑制簧上质量的垂向振动。通过本课题的研究,可系统掌握基于磁流变减振器的带附加气室空气悬架系统的动力学特性,进一步完善悬架半主动控制理论体系,实现刚度和阻尼可控的半主动空气悬架系统的设计制作,对促进该系统在车辆减振系统中的应用,改善车辆悬架系统的减振性能具有重要的理论意义和实用价值。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
第一章绪论  12-32
  1.1 课题的研究背景及意义  12-21
    1.1.1 车辆振动的危害及悬架的重要作用  12-13
    1.1.2 开发智能悬架的必要性  13-14
    1.1.3 智能悬架的类型  14-15
    1.1.4 带附加气室空气悬架  15-16
    1.1.5 磁流变减振器  16-20
    1.1.6 课题研究的意义  20-21
  1.2 国内外研究现状  21-30
    1.2.1 带附加气室空气弹簧研究现状  21-22
    1.2.2 磁流变减振器技术研究现状  22-23
    1.2.3 磁流变减振器应用现状  23-27
    1.2.4 车辆半主动悬架的研究进展  27-29
    1.2.5 拖拉机减振技术研究现状  29-30
  1.3 课题研究目标和内容  30-32
第二章刚度和阻尼可调式空气悬架特性参数匹配研究  32-51
  2.1 半主动悬架系统振动模型  32-34
  2.2 优化模型的建立  34-40
    2.2.1 目标函数  34
    2.2.2 设计变量  34
    2.2.3 状态变量  34-35
    2.2.4 约束条件  35-40
    2.2.5 优化算法的实现  40
  2.3 优化计算及结果分析  40-43
    2.3.1 优化计算及结果  40-42
    2.3.2 优化前、后对比分析  42-43
  2.4 转向系统操纵稳定性分析  43-47
    2.4.1 操纵动力学模型  43-45
    2.4.2 仿真及结果分析  45-47
  2.5 转向对垂向振动的影响  47-50
    2.5.1 转向工况下系统振动模型的建立  47-48
    2.5.2 仿真计算及结果  48-50
  2.6 本章小结  50-51
第三章磁流变减振器设计与试验  51-72
  3.1 磁流变减振器工作模式及工作原理  51-52
  3.2 磁流变减振器结构设计  52-64
    3.2.1 外特性设计及基本参数的确定  52-53
    3.2.2 材料的选取  53-56
    3.2.3 磁路设计  56-58
    3.2.4 磁路有限元分析  58-62
    3.2.5 结构设计中的关键问题  62-64
  3.3 磁流变减振器性能试验  64-71
    3.3.1 试验方法  64
    3.3.2 试验结果与分析  64-71
  3.4 本章小结  71-72
第四章磁流变减振器阻尼力模型研究  72-85
  4.1 稳态流体动力学分析  72-76
  4.2 阻尼力模型的建立  76-80
    4.2.1 阻尼力的计算  76-77
    4.2.2 考虑磁场的阻尼力模型  77-79
    4.2.3 无磁场时阻尼力模型  79-80
  4.3 模型系数试验辨识及结果验证  80-83
    4.3.1 试验数据选取  80-81
    4.3.2 系数辨识及结果验证  81-83
  4.4 本章小结  83-85
第五章振动响应特性试验研究  85-98
  5.1 试验设计  85-90
    5.1.1 试验目的与试验方法  85
    5.1.2 试验仪器与设备  85-86
    5.1.3 试验系统构建  86-87
    5.1.4 试验测试软件系统的设计  87-88
    5.1.5 试验方案与步骤  88-90
  5.2 试验结果与分析  90-97
    5.2.1 测试结果与处理  90-91
    5.2.2 位移传递率幅频特性  91-94
    5.2.3 加速度均方根值  94-96
    5.2.4 最大动载荷  96-97
  5.3 本章小结  97-98
第六章控制系统设计与试验研究  98-114
  6.1 频域快速控制策略  98-100
    6.1.1 频域快速控制原理  98-99
    6.1.2 频域快速控制的实现  99-100
  6.2 控制系统设计  100-106
    6.2.1 硬件组成  100-102
    6.2.2 软件设计  102-106
  6.3 台架试验  106-113
    6.3.1 试验设备  106
    6.3.2 试验方案  106-107
    6.3.3 试验结果与分析  107-113
  6.4 本章小结  113-114
第七章结论与展望  114-119
  7.1 研究结论  114-117
  7.2 创新内容  117-118
  7.3 研究工作展望  118-119
参考文献  119-129
附录  129-134
致谢  134-136
攻读博士学位期间主要研究成果  136

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