基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

基于多体动力学递推算法的电动汽车建模与仿真分析

运用多体动力学理论建立整车动力学模型已成为汽车动力学研究的重要手段。以大连理工大学汽车学院研制的某电动汽车为对象,运用多体动力学递推算法建立了包含前后悬架、车身及车轮在内的多体仿真分析模型,将前后悬架视为3个子系统,引入哑体,实现对各子系统的单独处理;同时完成了整车的快速建模与分析;将MATLAB整车仿真程序的结果与ADAMS仿真结果进行比对,二者吻合较好,验证了所建模型及求解算法的正确性。     

考虑主动时滞的汽车悬架系统控制特性研究

以汽车悬架系统为研究对象,采用理论和试验相结合的方法对考虑主动时滞的悬架系统控制特性进行分析。首先建立含时滞悬架系统动力学模型,分析系统的控制稳定性。理论和仿真结果均表明,采用传统二次型最优控制律不能保证含时滞系统的稳定性。系统时滞量存在稳定区间,时滞超出稳定区间时系统将失稳发散;为了保证控制系统的稳定性,采用状态变换法设计了含时滞系统的主动控制律,计算表明,该控制律可以保证系统稳定性。研究还发现,时滞量的变化会使系统振动幅值产生较大改变,为此在控制系统中引入主动时滞,研究主动时滞对系统振动特性的影响,计算表明,合理的主动时滞可以降低系统振动幅值;为验证结果的正确性,搭建了悬架时滞主动控制试验平台,通过对相同工况下仿真结果与试验结果进行对比,发现两者具有较好的一致性;而由于悬架受到的路面激励具有随机性,采用含时滞系统的主动控制律对路面随机激励下的悬架系统进行控制分析,发现当主动时滞为0.04 s时,车身加速度均方根值比无主动时滞降低了39.4%,说明主动时滞对悬架控制的有效性。本文研究对时滞主动控制的理论研究具有重要的促进作用。     

汽车整车非线性动力计算

通过轿车副车架橡胶支承的动态特性试验和理论分析,实现橡胶支承迟滞特性的数学建模和参数识别。利用所建模型重构恢复力-位移迟滞回线,并与试验结果比较表明所建模型的正确性。介绍了具有线性和非线性连接子结构的自由界面模态综合法的基本原理,并采用该方法建立了考虑副车架橡胶支承迟滞特性的整车非线性动力学模型,用所建模型对汽车动力特性进行了数值仿真,并通过试验对仿真结果进行验证。     

水轮发电机转子偏心引起的非线性电磁振动

由于机械和电磁相互耦合,水轮发电机的电磁振动具有强非线性特征。根据不平衡磁拉力与转子偏心的非线性函数关系,通过简化的各向同性的单圆盘转子系统,建立了水轮发电机转子电磁振动的非线性系统。利用非线性振动理论的多尺度方法,从理论上分析了该系统强迫振动的稳态响应,进而研究了水轮发电机转子偏心引起的电磁振动。研究发现不平衡磁拉力使系统的涡动频率下降,使运动的中心发生变化;并且会引起两倍转频的振动。最后用模型转子仿真试验的结果验证了这些理论分析的结论。     

考虑胎路多点接触的电动汽车?路面耦合系统振动分析

轮毂电机驱动电动汽车的簧下质量大, 使得轮胎动载荷增加, 且电机激励进一步加剧车轮振动. 同时, 轮胎与路面单点接触的简化模型, 其动力学计算结果与实际存在差别. 鉴于此, 考虑电机的电磁激励、胎路多点接触和非线性地基, 建立了电动汽车?路面系统机电耦合动力学模型, 通过Galerkin法推导了非线性地基梁的垂向振动, 利用积化和公式推导了非线性地基梁中非线性项积分的精确表达式, 提出了路面截断阶数选取的简易方法, 并通过路面位移响应的收敛性进行了验证. 在此基础上, 研究了胎路多点接触、非线性地基、电机激励、车速、路面不平顺幅值等对路面及车辆响应的影响. 结果表明, 非线性地基及多点接触对车辆响应的影响中, 轮胎动载荷的影响最大, 车身加速度和悬架动挠度的影响较小, 且考虑电机激励时, 二者对车辆响应的影响显著增大. 从对路面响应的影响看, 电机激励的影响最大, 非线性地基的影响次之, 多点接触的影响较小. 所建模型及研究方法可为电动汽车的垂向动力学分析提供一种新思路.      

MEMS振动陀螺驱动模态稳幅特性与控制

微机电哥氏振动陀螺控制系统分析主要包括驱动模态和检测模态两个部分.对于微机电哥氏振动陀螺驱动控制多采用类比LCR振荡电路的间接分析方法,不能精确定量的分析微机电哥氏振动陀螺驱动稳幅控制的系统特性与控制参数,也未能明确提出微机电哥氏振动陀螺的驱动稳幅回路对象模型及其特点;针对这一问题,采用脉冲响应函数法,推导了微机电哥氏振动陀螺的驱动稳幅回路被控对象数学模型,经过实际系统测试验证了模型分析的准确性.在分析了该模型特点和物理本质的基础上,结合工程实践阐述微机电哥氏振动陀螺驱动稳幅控制回路的两种实现方式,并比较了两种实现方式的优缺点.     

分布式驱动电动汽车主动悬架T–S模糊控制研究

分布式驱动电动汽车,由于簧下质量增大,导致车轮振动加剧,进而影响车辆平顺性及行驶安全性。为有效抑制分布式驱动电动汽车垂向振动恶化,设计了一种主动悬架T–S模糊控制器,构建了分布式驱动电动汽车1/4悬架动力学模型,基于Matlab/Simulink在B级随机路面及变路面工况下进行动力学仿真,考虑了控制器在车辆参数不确定时的自适应性,探究了T–S模糊控制器在车辆变参数条件下的控制效果,并与PID控制的主动悬架及传统的被动悬架进行比较,通过硬件在环实验验证了控制效果。结果表明,所提出的分布式驱动电动汽车主动悬架T–S模糊控制策略可有效提升车辆的平顺性指标,相对于PID控制及被动悬架,T–S模糊控制也具有更好的多工况自适应能力。     

天线座驱动系统刚柔耦合动力学分析

为了分析天线座驱动系统的动力学特性,建立了一种新的多级齿轮传动系统动力学模 型------刚柔耦合模型,不仅考虑了轴的变形、轴承的支撑作用,而且采用了先进的轮齿接触模 型,克服了采用多体动力学方法研究齿轮系统动力学时存在的诸如忽略轴承的支撑作用、轴 的变形等缺陷. 动力学分析的计算结果和理论分析结果相一致,较准确地反映了该系统的齿 轮动力特性,对工程设计及性能校核具有指导意义.     

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.     

人车路系统三维耦合振动分析及舒适度评价

基于将车身视作三维弹性梁、车轮为刚性体的全车模型,人体采用坐姿并联动力模型,路面简化成Kelvin地基上的板,通过轮胎的刚性滚子接触模型将车辆与路面耦合在一起,建立起考虑人车、车路耦合作用的用于评价车辆乘坐舒适度的三维人车路耦合系统振动模型,并推导出其运动平衡方程;通过Galerkin法对路面方程进行离散,采用New-mark积分法对耦合系统方程组进行求解,对人车路系统振动响应进行了分析;采用人体加权振动加速度均方根值对车辆乘坐舒适度进行评价,并对系统各参数对车辆乘坐舒适度的影响进行探讨.数值分析表明:传统模型下车辆乘坐舒适度指标与本文模型的指标相差最高可达到约30％;在分析车辆振动响应及乘坐舒适度时,不能忽视车辆与路面、人体与车辆相互作用,系统各参数对车辆乘坐舒适度都有一定程度的影响.     

Nonlinear dynamic analysis of a quarter vehicle system with external periodic excitation

In this paper, a nonlinear dynamic model of a quarter vehicle with nonlinear spring and damping is established. The dynamic characteristics of the vehicle system with external periodic excitation are theoretically investigated by the incremental harmonic balance method and Newmark method, and the accuracy of the incremental harmonic balance method is verified by comparing with the result of Newmark method. The influences of the damping coefficient, excitation amplitude and excitation frequency on the dynamic responses are analyzed. The results show that the vibration behaviors of the vehicle system can be control by adjusting appropriately system parameters with the damping coefficient, excitation amplitude and excitation frequency. The multi-valued properties, spur-harmonic response and hardening type nonlinear behavior are revealed in the presented amplitude-frequency curves. With the changing parameters, the transformation of chaotic motion, quasi-periodic motion and periodic motion is also observed. The conclusions can provide some available evidences for the design and improvement of the vehicle system.     

固定界面动态子结构方法研究车内噪声问题

随着社会的发展，降低车内噪声越来越受到人们的重视。由于整车结构复杂，本文采用包括软子结构的动态子结构方法，把整车模型划分为多个子结构，包括动力总成子结构、副车架子结构、车身与车内声场耦合子结构、非簧载质量子结构及多个线性和非线性软子结构等。采用固定界面模态综合法，建立整车结构车内声场流固耦合动力学模型。对于车身与车内声场耦合子结构，由于其总质量和刚度矩阵为非对称矩阵，传统的模态叠加法不能应用到耦合系统中，本文引入了左特征向量的概念，用左特征向量左乘原方程，使耦合系统微分方程得到解耦。在已建立的总系统动力学模型基础上，在时域内对前后轴分别激励时汽车振动和车内噪声特性进行仿真模拟，并通过台架试验对仿真结构进行验证。     

随机不平顺激励下磁浮车辆轨道梁动力响应

建立了高速常导磁浮交通车辆轨道梁空间耦合模型，探讨了合理的磁浮线路功率谱形 式，利用分离迭代的数值积分方法求解了大规模非线性耦合动力方程. 利用计算结果分析了 随机不平顺对系统动力学指标影响规律，并采用功率谱密度曲线进行了谱分析，得到了高速 磁浮交通车梁耦合系统随机振动的基本规律.     

Mechanism analysis and optimum control of negative airgap eccentricity effect for in-wheel switched reluctance motor driving system

In this paper, the generation mechanism of the negative airgap eccentricity effect for the in-wheel switched reluctance motor (SRM) driving system is analyzed. An independent current chopping control strategy is proposed to achieve optimum control between the response characteristic of the in-wheel motor driving system and the dynamic performance of electric vehicle (EV). Firstly, the electromagnetic characteristic of the studied SRM under airgap eccentricity is studied based on electromagnetic coupling model and circuit driving equation, and the radial electromagnetic force under different airgap eccentricity is verified by adopting the built experiment device. Then, combined with the excitation characteristics of the radial electromagnetic force, the negative dynamic effect of the in-wheel motor driving system is analyzed in the time–frequency domain. Finally, an independent current chopping control strategy for the in-wheel SRM driving system based on vehicle vibration feedback is proposed. The controller parameters including the turn-off angle and chopping current threshold are optimized by data interpolation. Results show that the proposed control strategy can achieve the optimum control between the response characteristics of the in-wheel motor driving system and the vehicle dynamic performance, especially to suppress the vehicle sprung mass acceleration and tire bounce while starting EV.

     

基于DRBF-EKF算法的车辆质心侧偏角与路面附着系数动态联合估计

车辆质心侧偏角和路面附着系数是实现车辆底盘智能化所需要的关键参数. 车辆质心侧偏角对于提高车辆安全性和操控性至关重要, 轮胎-路面附着系数决定轮胎力的峰值, 进而确定汽车的动力学稳定性边界. 本文针对四轮独立驱动电动汽车提出了一种基于惯性测量单元、轮毂电机内置转速/转角传感器的车辆质心侧偏角和路面附着系数动态联合估计方法. 对四轮独立驱动电动汽车进行车辆动力学分析, 结合Dugoff轮胎计算模型得到车辆质心侧偏角估计器; 利用机器学习中高维数据降维PCA多元分析方法, 提取主元特征参数, 建立路面附着系数估计器. 采用可自适应调节网络结构的双径向基神经网络和扩展卡尔曼滤波DRBF-EKF方法, 通过K-means算法改进RBF神经网络结构, 扩展卡尔曼滤波进行噪声滤波提高估计精度, 实现车辆质心侧偏角和路面附着系数的动态联合估计. 通过仿真和实车实验表明, 所设计的DRBF-EKF动态联合估计器实时性和估计精度均优于扩展卡尔曼滤波算法, 可以适应车辆行驶过程中路面附着特性与车速的变化, 表现出较强的鲁棒性; 与DRBF方法相比, 显著提高了估计精度; 并且分析了可以同时满足估计精度和实时性要求的最佳隐含层神经元个数.      

基于数据驱动的全线控底盘纵臂式悬架系统研究

汽车在越野类极限路况下行驶,对车身高度有一定范围的调节需求,传统悬架方案与全线控底盘进行技术融合时,存在机构运动干涉、底盘升降过程中车轮外倾程度过大、车轮发生侧向位移等现象,易导致轮胎过度磨损,致使行驶失稳.将车身高度变化对轮胎侧向参数的影响转化为车轮纵向滚动,进而实现稳定的大行程车身高度调节,是解决上述问题的关键.本研究建立整车七自由度动力学模型,对悬架系统导向机构展开力学分析,集两者作为系统研究的输入信息;通过正弦波激振台对弹性元件、减振器进行相关特性参数获取,基于数据驱动开展一体化电动轮的运动学仿真测试,包括对悬架系统关键铰接位置进行力学性能分析、对电动轮整体结构进行运动学特性研究,以此定义系统关键性能指标,结合理论研究与仿真测试,确定双纵臂式主动悬架系统方案.仿真结果与实车验证综合表明,搭载本研究系统方案的全线控平台,进行大行程高度调节过程中,车轮外倾问题得到有效解决,一体化电动轮具备良好的独立运行能力,本研究对提高车辆在极限路况下的通过性具有重要意义.     

发动机空间6DOF动力隔振拓扑模型仿真研究

汽车发动机悬置是典型的6DOF动力隔振系统,传统的动力隔振模型将动力机械整体视为刚体,而本文考虑运动零部件的影响,为汽车发动机悬置的结构设计带来了一种全新的视角。通过对发动机上运动零部件进行受力分析,找到引起发动机振动的最主要内在激励源;建立6DOF动力隔振空间拓扑模型,利用Simscape/Multibody仿真研究,验证了传统的动力隔振模型与空间拓扑模型之间存在理论误差;动力隔振拓扑模型更能准确描述6DOF动力隔振系统特性,所建立的汽车6DOF发动机Simscape/Multibody仿真模型可为后续的主动悬置设计提供重要基础。