空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.012

汽车工程 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (11): 1746-1754.doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.012

所属专题：底盘&动力学&整车性能专题2022年

空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析

陈龙¹,陈明¹,孙晓强¹(),蔡英凤¹,Wong Pak Kin²,吴子强³

^1.江苏大学汽车工程研究院，镇江　212013
^2.澳门大学机电工程系，澳门　999078
^3.扬州市奥特瑞汽车电子科技有限公司，扬州　225299

收稿日期:2022-01-17 修回日期:2022-02-26 出版日期:2022-11-25 发布日期:2022-11-19
通讯作者: 孙晓强 E-mail:sxq@ujs.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52072161);江苏省政策引导类计划港澳台科技合作项目(BZ2020050);江苏省创新支撑计划国际科技合作项目(BZ2022055)

Lateral Dynamics Modeling and Stability Analysis of Bus with Air Suspension System

Long Chen¹,Ming Chen¹,Xiaoqiang Sun¹(),Yingfeng Cai¹,Pak Kin Wong²,Ziqiang Wu³

^1.Automotive Engineering Research Institute，Jiangsu University，Zhenjiang 　212013
^2.Department of Electromechanical Engineering，University of Macau，Macau 　999078
^3.Yangzhou Aoterrui Automobile Electronic Technology Co. ，Ltd. ，Yangzhou 　225299

Received:2022-01-17 Revised:2022-02-26 Online:2022-11-25 Published:2022-11-19
Contact: Xiaoqiang Sun E-mail:sxq@ujs.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对特殊行驶工况下空气悬架客车横向动力学失稳现象的揭示问题，本文中提出一种系统非线性动力学建模和稳定性分析方法。为准确反映空气悬架客车横向动力学演化规律，建立了考虑空气弹簧和轮胎非线性力学特性的系统3自由度动力学模型。为实现复杂高维动力学系统的稳定性分析，首先基于中心流形理论对系统进行降维处理，而后对得到的约化系统进行定性性态分析，确定了系统满足鞍结分岔的充分必要条件。设置4种工况对空气悬架客车横向动力学系统在平衡点处的分岔行为进行了相平面分析，掌握了空气悬架客车在不同路面条件下随车速及前轮转角变化的横向动力学失稳演化规律，最后基于整车动力学进行仿真验证表明解析分析结果与仿真分析结果一致，证明本文提出的非线性稳定性分析方法有效可行。

关键词: 空气悬架客车, 动力学建模, 横向稳定性, 鞍结分岔点

Abstract:

A system nonlinear dynamic modeling and stability analysis method is proposed in this paper to revealing the lateral dynamic instability of air suspension bus under special driving conditions. A three degree of freedom dynamic model of the system considering the nonlinear mechanical characteristics of air spring and tire is established. In order to realize the stability analysis of complex high-dimensional dynamic system， the dimension of the system is reduced based on the central manifold theory firstly， and then the qualitative behavior of the reduced system is analyzed to determine the necessary and sufficient conditions for the system to meet the requirements of saddle node bifurcation. The bifurcation behavior of the system under four working conditions at the equilibrium point is analyzed in the phase plane， and the evolution law of lateral dynamic instability of the air suspension bus with the change of vehicle speed and front wheel angel under different road conditions is mastered. Finally， the system stability analysis results are verified based on the vehicle dynamics simulation. The results show that the analytical analysis results are consistent with the simulation analysis results， which proves that the nonlinear stability analysis method proposed in this paper is effective and practical.

Key words: air suspension bus, dynamics modeling, lateral stability, saddle-node bifurcation point

陈龙,陈明,孙晓强,蔡英凤,Wong Pak Kin,吴子强. 空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析[J]. 汽车工程, 2022, 44(11): 1746-1754.

Long Chen,Ming Chen,Xiaoqiang Sun,Yingfeng Cai,Pak Kin Wong,Ziqiang Wu. Lateral Dynamics Modeling and Stability Analysis of Bus with Air Suspension System[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(11): 1746-1754.

图/表 9

图1

表1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表2

参考文献 20

1	TIAN S， WEI L， SCHWARZ C， et al. An earlier predictive rollover index designed for bus rollover detection and prevention ［J］. Journal of Advanced Transportation， 2018.
2	BAI J， MENG G， ZUO W. Rollover crashworthiness analysis and optimization of bus frame for conceptual design［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2019，33 （7）：3363-3373.
3	唐传茵，张义民，李公允，等. 单气室变截面空气弹簧刚度特性及影响因素分析［J］，机械工程学报，2014，50（24）：137-144.
	TANG C Y， ZHANG Y M， LI G Y， et al. Stiffness characteristics and influencing factors of single air chamber variable section air spring ［J］. Journal of Mechanical Engineering，2014，50（24）：137-144.
4	GAUCHIA A， OLMEDA E， APARICIO F， et al. Bus mathematical model of acceleration threshold limit estimation in lateral rollover test［J］. Vehicle System Dynamics，2011，49（10）： 1695-1707.
5	ALTORK B， YAZICI H. Robust static output feedback H-infinity-controller design for three degree of freedom integrated bus lateral yaw roll dynamics mode［J］. Transactions of the Institute of Measurement and Control， 2019， 41（16）：4545-4568.
6	付翔，杨凤举，黄斌，等. 主动后轮转向四轮独立驱动车辆的协调控制［J］. 江苏大学学报（自然科学版），2021，42（5）：497-505.
	FU X， YANG F J， HUANG B， et al. Coordinated control of active rear wheel steering and four wheel independent driving vehicle［J］. Journal of Jiangsu University （Nature Science Edition）， 2021，42（5）：497-505.
7	王睿，李显生，任园园，等.基于横向载荷转移量的客车侧倾稳定性分析［J］.湖南大学学报（自然科学版），2013，40（5）：49-54.
	WANG R， LI X S， REN Y Y， et al. Analysis of bus roll stability based on lateral load transfer ［J］. Journal of Hunan University （Nature Science Edition）， 2013，40（5）：49-54.
8	LAPAPONG S， BRENNAN S. Terrain-aware rollover prediction for ground vehicles using the zero-moment point method ［C］. Proceedings of the 2010 American Control Conference， Baltimore USA， 2010： 1501-1507.
9	ZHANG X， YANG Y， GUO K， et al. Contour line of load transfer ratio for vehicle rollover prediction ［J］. Vehicle System Dynamics， 2017， 55（11）： 1748-1763.
10	黄明亮，郑敏毅，张邦基，等. 基于能量法的车辆侧翻稳定性动力学研究［J］. 振动与冲击，2016， 36（24）： 164-174.
	HUANG M L， ZHENG M Y， ZHANG B J， et al. Study on vehicle rollover stability dynamics based on energy method［J］. Vibration and Shock， 2016， 36（24）： 164-174.
11	叶慧，李国政，丁世宏，等. 基于非光滑技术的电动汽车直接横摆力矩控制［J］. 江苏大学学报（自然科学版），2018，39（6）：640-646.
	YE H， LI G Z， DING S H， et al. Direct yaw moment control of electric vehicle based on non-smooth control technique［J］. Journal of Jiangsu University （Nature Science Edition）， 2018，39（6）：640-646.
12	李胜琴，杜鹏，冯新园. 微型客车防侧翻底盘集成控制策略［J］. 江苏大学学报（自然科学版），2022，43（2）：131-138.
	LI S Q， DU P， FENG X Y. Integrated inti-rollover control strategy of minibus［J］. Journal of Jiangsu University （Nature Science Edition）， 2022，43（2）：131-138.
13	李仲兴，陈鑫，宋鑫炎，等. 轮毂直驱空气悬架系统垂向动力学特性分析［J］.江苏大学学报（自然科学版），2022，43（1）：8-14，44.
	LI Z X， CHEN X， SONG X Y， et al. Analysis of vertical dynamic characteristics of hub direct drive air suspension system［J］. Journal of Jiangsu University （Nature Science Edition）， 2022，43（1）：8-14，44.
14	孙晓强，陈龙，汪少华，等. 半主动空气悬架阻尼多模型自适应控制研究［J］. 农业机械学报，2015，46（3）：351-357.
	SUN X Q， CHEN L， WANG S H， et al. Research on damping muti-model adaptive control of semi-active air suspension［J］. Journal of Agricultural Machinery， 2015，46（3）： 351-357.
15	何仁，李梦琪. 基于路面识别的复合制动与ABS集成控制策略［J］. 江苏大学学报（自然科学版），2020，41（1）：20-26.
	HE R， LI M Q. Integrated control strategy of combined braking system and ABS based on road identification［J］. Journal of Jiangsu University （Nature Science Edition）， 2020，41（1）：20-26.
16	WANG J M， LONGORIA R G. Coordinated vehicle dynamics control distribution［C］. Proceeding of American Control Conference， 2006.
17	GILLESPIE T D. Fundamentals of vehicle dynamics［M］. SAE，1992.
18	LIU Z H， PAYRE G. Global bifurcation analysis of a nonlinear road vehicle system［J］. ASME Journal of Computational and Nonlinear Dynamics， 2007，2（4）： 308-315.
19	HASSAN K， KHAIL. 非线性系统［M］. 朱义胜，董辉，李作舟，译. 北京：电子工业出版社，2011：205-211.
	HASSAN K， KHAIL. Nonlinear system［M］. ZHU Y S， DONG H， LI Z Z， Translate. Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2011：205-211.
20	符文彬. 非线性动力系统的分岔控制研究［D］.长沙：湖南大学，2004：18-22.
	FU W B. Bifurcation control of nonlinear dynamical systems［D］. Changsha： Hunan University， 2004：18-22.

参数	数值
整车质量m/kg	13 380
悬挂质量m_s/kg	9 360
轴距L/m	7.5
前轮到质心距离a/m	4.79
后轮到质心距离b/m	2.71
轮距d/m	2.1
质心到侧倾中心高度h_s/m	0.9
质心到地面高度h₀ /m	1.25
重力加速度g/（m·s^-2）	9.81
侧倾转动惯量I_x /（kg·m²）	23 113
横摆转动惯量I_z /（kg·m²）	114 006
前悬减振阻尼c_f/（N·m·s·rad^-1）	12 500
后悬减振阻尼c_r/（N·m·s·rad^-1）	28 000

工况	临界转角/rad		相对误差/%
工况	解析值	仿真值	相对误差/%
工况1	0.098	0.096	2.1
工况2	0.052	0.053	1.8
工况3	0.059	0.057	3.5
工况4	0.035	0.034	2.9

[1]	李斯旭,徐彪,胡满江,边有钢,陈晓龙,孙宁. 基于动力学模型预测控制的铰接车辆多点预瞄路径跟踪方法[J]. 汽车工程, 2021, 43(8): 1187-1194.
[2]	黄彩霞, 雷飞, 胡林, 张志勇. 轮毂电机驱动汽车区域极点配置横向稳定性控制^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(8): 905-914.
[3]	张亮修,吴光强,郭晓晓. 车辆自适应巡航控制系统的建模与分层控制[J]. 汽车工程, 2018, 40(5): 547-553.

空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析

Lateral Dynamics Modeling and Stability Analysis of Bus with Air Suspension System

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 20

相关文章 3

Metrics

本文评价

推荐阅读 10