基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架拓扑优化与性能研究

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由“惯容-弹簧-阻尼”构成的新型动惯性悬架系统依靠三种基础元件,衍生出了丰富的悬架拓扑结构特性,形成了满足各种性能指标的理想悬架隔振结构,有效改善了车辆的乘适性、操稳性和道路友好性。但在被动式动惯性悬架系统中,悬架拓扑结构和阻抗阶次研究仍多集中于串并联连接以及低阶阻抗中,简单结构对应“低阶阻抗”和悬架性能需要“高阶阻抗”这一矛盾仍然突出,悬架元件之间的非串并联连接以及高阶阻抗悬架的隔振性能有待更多研究。为进一步提升应用惯容器的车辆动惯性悬架系统隔振潜能,本文以机电惯容器的外端电网络为研究对象,基于新机电相似性理论,以电学网络模拟实现等效的机械网络,构建非串并联连接,实现高阶悬架阻抗。作为经典的非串并联网络,桥式网络的研究对更复杂非串并联网络研究有着重要的指导意义,基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架隔振效果的研究能为应用机电惯容器的车辆悬架系统设计提供新的方法指导。首先,通过研究桥式网络的拓扑结构,提出了一种基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架优化设计方法。建立整车机电动惯性悬架模型,以桥式网络作为机电动惯性悬架外端网络,利用星三角变换实现桥式网络等效阻抗求解,形成基于桥式网络的机电动惯性悬架系统的设计方法,其优势在于同等元件数量下桥式网络能够实现更高阶阻抗。以车身质心加速度、悬架动行程和轮胎动载荷为优化目标,建立目标优化函数,采用模式搜索法对桥式网络与串并联网络元件进行参数优化,为研究基于桥式网络的机电动惯性悬架隔振潜能奠定基础。其次,对机电动惯性悬架性能进行分析,得出桥式网络最优结构。对比分析不同结构下桥式网络与串并联网络的性能优劣,结果表明等阶次下同类网络的元件位置差异,会导致网络性能的改变。从时域和频域的角度,仿真分析基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架对车辆乘适性的作用规律。仿真结果显示:相比于传统被动悬架与串并联网络,基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架具有更好的隔振潜能,桥式网络所实现的高阶阻抗能够有效提升悬架动行程与轮胎动载荷,对车身质心加速度也有5.1%的提升效果,有效改善了车辆平顺性。最后,研制并搭载基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架系统样机,在随机路面和脉冲路面下进行实车道路试验。试验结果显示,基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架能够有效提升整车的乘适性,抑制车身振动。试验结果与仿真结果基本一致。基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架对后轮悬架动行程均方根值的改善最为显著,改善效果在21%左右,对后轮轮胎动载荷也有较好的提升,均方根值降低6%左右。综上所述,基于桥式网络的车辆机电动惯性悬架进一步提升了车辆悬架的隔振效果。机电动惯性悬架外端电网络模拟等效机械网络,实现了复杂机械阻抗的实际应用。本文研制的机电惯容器利用桥式网络实现高阶悬架阻抗,为应用机电惯容器的车辆悬架系统设计提供新的方法指导。
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