底盘&动力学&整车性能专题2024年
悬架系统作为调控车辆平顺性的核心组件，其性能直接决定了车辆行驶的优劣。针对目前车辆在复杂路面行驶过程中平顺性较差的问题，本文构建了不同于传统悬架的复合型悬架结构，并搭建该悬架的整体系统构架。首先为了探究整车复合型悬架的振动机理，构建整车复合型悬架动力学模型；其次结合驾驶员复杂的行驶需求，构建基于多工况的复合悬架系统控制策略，通过车辆行驶中不同的加权加速度均方根值验证其优化效果，并结合反空气弹簧模型证明了该系统可以减少空气弹簧的磨损；最后，在VI-Grade紧凑型驾驶模拟器中根据所构建的复杂工况进行试验验证，对比有无控制时的车身垂向加速度、侧倾角加速度和俯仰角加速度试验结果。试验结果表明，通过复杂工况中的车辆性能测试，所提出的复合型悬架系统在直线、弯道和制动3种工况下改善性能分别达到了32.26%、23.77%和7.38%，可以有效改善车辆行驶时的平顺性性能，解决了正常行驶下空气弹簧的损耗问题。
纯电动汽车的振动特性与传统内燃机汽车存在较大差异，本文针对纯电动汽车悬置隔振率不足的问题，提出了一种适用于悬置系统隔振率优化的研究方法。分析悬置系统各方向隔振率以及影响悬置隔振率的主要因素，确定了后悬置隔振率作为优化对象，提出通过优化悬置被动侧支架安装点动刚度来提升隔振率。采用第二代非劣排序遗传多目标寻优算法，以隔振率最优、质量比变化最小为寻优目标，对支架安装点动刚度目标值进行寻优，根据寻优结果对被动侧支架结构进行调整。试验结果表明，优化后的后悬置Y向隔振率从5.61提升至18.13 dB，驾驶员右耳旁噪声在24、48阶次下降9.76和5.03 dB（A），驾驶舒适性有明显改善。
浮动式配流盘设计从根本上解决了轴向柱塞泵/马达高转速下缸体倾覆的难题，契合了其高速化的发展趋势，在近年来得到重视。然而，针对浮动式配流盘柱塞泵马达系统所特有的结构，仍然缺乏系统级的动力学建模及动态特性研究，限制了浮动式配流盘柱塞泵马达产品的设计。本文针对浮动式配流盘柱塞泵马达系统，建立了考虑其详细结构特征的完全参数化描述的系统动力学模型，着重研究了其高压油路以及辅助液压腔油液压力的动态变化规律，并通过台架试验验证了模型的正确性。研究结果表明，高压油路表现出“瞬降缓升”的“锯齿形”压力脉动特征，且脉动剧烈。在泵转速1 000 r/min，高压油路平均压力20、40 MPa两个压力等级下，脉动幅值分别高达±1.5和±3 MPa。辅助液压腔油液压力呈现“快速跟随、缓慢下降”的动态变化规律，即辅助液压腔一旦与高速旋转的柱塞腔接通，其油液压力几乎立即无衰减、无滞后地跟随柱塞腔压力变化。而当与柱塞腔脱离之后，其还能很好地维持住腔内压力。
由于车载平台计算能力的限制，长控制/预测时域和短控制步长之间存在难以调和的矛盾。本文基于时标分离思想推导了车辆平移运动与平面姿态运动解耦的必要条件，使得车辆的平移运动控制器可以获得更长的控制/预测时域，以便于生成类人跟踪轨迹。车辆的平面姿态调整则基于更为精确的动力学模型和更短的控制周期来调节。此外，利用基于并行采样及优化的模型预测路径积分策略来减轻非线性运动规划的计算负担。最后，提出了一种模型预测输出调节器来解决车辆横向动力学中的欠驱动控制问题，并抑制偏航角的稳态误差。理论分析和试验结果表明，所提出方法能够极大地提升计算效率、参数适应性和转向平顺性，在所有验证工况中将横向冲击度平均降低了50%。
受轮胎侧偏、载荷横移等因素的影响，汽车在转向制动工况下的动力学行为比直线制动更复杂。深入探究该工况下改善汽车循迹能力的制动力分配策略，对于保障行车安全具有重要意义。对此，本文以电子机械制动为载体，进一步研究转向制动工况下的制动力分配策略。首先，以2自由度汽车动力学模型为参考，基于模型预测控制算法求解汽车保持稳定行驶时前和后轴车轮所需的最低侧向力。然后，通过在线求解附着椭圆得出可供各车轮制动的最大纵向力。在此基础上，以最大纵向力为依据进一步计算制动力分配系数，实现制动力优化分配。仿真和试验结果表明：所提出的制动力分配策略能够根据汽车行驶工况、载荷状态和路面附着条件动态调节制动力分配比例，提升了转向制动工况汽车的循迹能力。
为解决中重型车辆长下坡时因主制动器频繁工作导致其制动效能严重衰退问题，提出一种四凸极液冷电磁缓速器结构。建立车辆下坡动力学模型分析制动需求，采用等效磁路法对其制动力矩进行计算，使用有限元法对其制动特性进行数值分析。利用分级变论域模糊控制策略结合缓速器进行车辆下坡时的制动控制，使用MATLAB/Simulink建立控制器和整车长下坡制动模型并进行联合仿真。设计了2 100 N·m样机，通过台架实验和车载道路实验对样机制动特性进行测试，实际测量值与分析计算值基本一致，平均误差在5%内，在转速为1 250 r/min时制动力矩可达2 200 N·m，满足中重型车辆制动需求。
车桥及悬架是汽车的重要部件，为了实时模拟商用车的整体式车桥及多种结构类型的悬架，本文采用基于总成特性的建模技术路线，将车桥的运动解耦为Motion运动学和Ride动力学，将悬架特性划分为耦合承载特性、RC/PC导向特性和耦合K&C运动学特性，创新性地考虑了车桥的俯仰动态效应、桥间承载非线性动态耦合关系、桥间K&C运动学耦合关系，建立了能够激发出商用车制动抖振负面现象的动力学模型，并提出了针对耦合悬架的K&C试验方案和模型参数辨识方法。最后，通过对比K&C试验数据，并与TruckSim模型作对比，系统层级上验证了本模型的精准性；通过将车辆参数填入UniTruck软件，对某款商用车进行了仿真，并与TruckSim仿真结果作对比，整车层级上验证了本模型的有效性。
悬架控制需要实现乘坐舒适性和操纵稳定性之间的良好折中，此外还需要考虑系统的不确定性，是一项复杂的任务。本文以兼顾悬架的动力学性能指标、算法鲁棒性与成本因素为出发点，提出了一种基于扰动观测器的次优-非奇异终端滑模切换控制算法（DOB-SNTSM）。首先，以簧载质量加速度信息为输入，通过卡尔曼滤波器设计，实现了悬架动挠度和簧载质量速度的有效估计。然后，针对悬架系统中的不确定项估计，设计了一种扰动观测器，并将扰动估计值作为前馈补偿。接下来，以滑模面函数为依据，提出了一种次优-非奇异终端滑模切换控制算法，并与扰动观测器的前馈补偿相结合，共同构成一种新的主动悬架控制策略。最后，分别进行了凸包路面和平稳随机路面下的仿真和台架试验验证，结果表明，扰动观测器的引入能显著提升悬架的乘坐舒适性指标，相比经典的天棚控制、理想状态LQR方法、不带有扰动观测器的SNTSM算法，新算法不仅很好地实现各项悬架性能指标的均衡，而且能够仅利用簧载质量加速度信息就可以达到接近理想状态LQR的控制效果，同时，控制器切换方案可以显著提升算法鲁棒性。
为了改善四轮轮毂驱动车辆的横向稳定性，本文提出一种综合转矩协调和主动后轮转向的底盘协同控制策略。该策略旨在跟踪期望的车辆横摆角速度和质心侧偏角的同时，有效抑制车身侧倾。基于轮毂电机驱动产生的垂向反力特性，设计了车辆纵向、横摆和侧倾运动的转矩协调解耦控制策略。为降低车辆横向动力学建模时忽略的非线性因素及模型不确定性对控制性能的影响，面向底盘协同控制设计了一种基于扰动观测器的模型预测控制方法，对非线性特性和不确定性进行估计和补偿。同时开展了硬件在环测试，通过双移线工况验证了所提出方法的有效性。结果表明，所提出的底盘协同控制策略能够有效提升车辆的横向稳定性，并减小车身侧倾运动；包含扰动观测的控制策略相比于无扰动观测补偿，对期望横摆角速度和质心侧偏角的跟踪误差分别降低了56.9%和27.3%，而车身侧倾角和侧倾角速度分别降低了8.9%和12.5%。
为使纯电动汽车具有更好的经济性，同时保持较好的动力性，针对自主研发的纯电动汽车两挡干式双离合变速器（2DCT），提出一种基于工况识别的实时换挡策略。通过径向基神经网络预测车速，利用动态规划提取 7种循环工况的最优换挡点，并搭建基于相似度比对的工况识别模型，对车辆行驶工况进行识别，实现实时换挡。基于MATLAB/Simulink进行仿真并完成2DCT台架实验。结果表明，提出的基于工况识别的实时换挡策略能同时兼顾车辆的经济性和换挡频率。
针对分布式四轮驱动电动车辆在极限工况下稳定性控制难题，考虑了横摆角速度、横纵向加速度等传感器噪声以及质心侧偏角估计误差的影响，提出了基于可拓理论的相平面稳定域划分方法以及自适应管道模型预测控制 （ATMPC）算法，以快速量化车辆稳定性程度，并在满足跟踪精度的前提下保证车辆行驶的稳定性。所设计的车辆横摆稳定性控制系统采用分层设计架构，其中上层基于可拓理论，将车辆质心侧偏角-橫摆角速度相平面与可拓控制域相关联，并根据车辆实际状态判断可拓控制域并计算关联函数，实现了下层的管道模型预测控制（Tube-MPC）控制目标权重与控制模式的决策；下层基于Tube-MPC对期望横摆角速度和质心侧偏角进行跟踪，实现附加横摆力矩的精准决策，之后采用轮胎负荷率优化方法进行横摆力矩的分配。通过CarSim与Simulink软件联合仿真，对所设计的控制策略进行仿真验证。结果表明，相较于常规MPC算法，所提出的控制架构与ATMPC控制策略能够有效提升车辆在极限工况下的行驶稳定性以及噪声干扰环境下的鲁棒性。
空调作为整车系统中环境调控的关键子系统，其全生命周期的碳排放对于电动汽车的环保和排放要求至关重要。本文结合汽车空调系统全生命周期气候性能LCCP模型及相关数据，对全国各省份电动汽车空调系统的LCCP情况进行分析，同时对两种不同制热方案以及不同电力碳强度下的LCCP进行了比较分析。结果表明，RE170/R134a低GWP混合工质（二甲醚与R134a质量分数比90∶10）替换后电动汽车空调LCCP值降低了11.2%～28.1%，而采用热泵替换PTC电加热器后电动汽车空调LCCP值降低了0～33.1%，此外，随着未来我国电力碳强度与电动汽车保有量的变化，至2035年单辆车的LCCP值将会下降31.7%～39.3%，而全国整体电动汽车LCCP值将大幅上升。
路面附着系数对车辆动力学控制性能有重要影响，为准确实时估计路面附着系数，提高算法在不同路面及工况下的估计精度与收敛速度，本文针对分布式四轮驱动车辆，结合7自由度车辆动力学模型和Dugoff轮胎模型，提出了一种基于交互式多模型的自适应无迹卡尔曼滤波（IMM-AUKF）路面附着系数估计方法，首先将改进的Sage-Husa噪声估计器引入到无迹卡尔曼滤波（UKF）算法中，构建了自适应无迹卡尔曼滤波（AUKF）观测器，以对测量噪声进行实时更新并保证其协方差矩阵的正定性，同时提高新观测数据的权重，并增强算法的实时跟踪精度和稳定性；然后通过选择不同的观测变量，分别构建了车辆纵向行驶工况AUKF观测器和横纵向耦合工况AUKF观测器，并利用交互式多模型（IMM）算法进行观测器模型的切换，进而实现算法在车辆不同行驶工况下路面附着系数的准确估计。高附、低附、对接以及对开等路面仿真试验及实车道路试验结果表明，所提出的IMM-AUKF算法相比于传统的UKF算法，具有更高的估计精度与更快的收敛速度，能够适应不同工况下路面附着系数的实时准确估计。
针对集成双电机主动横向稳定杆车辆的车身姿态控制方法进行研究。首先建立了双电机主动横向稳定杆动力学模型以及包含侧倾、横向、横摆、俯仰、悬架垂向位移的车辆8自由度模型，其次针对复杂工况下控制算法参数难整定问题，提出了基于悬架高度信号、路面坡度信号等车辆状态信息的实际俯仰角估计方法、理想俯仰角标定方法以及俯仰工况辨识方法，以双电机主动横向稳定杆为作动器设计了基于PID控制算法的俯仰子控制算法和侧倾子控制算法，采用遗传算法对各子控制算法参数进行整定，最后结合位姿控制矩阵设计了车辆位姿联合控制算法并进行试验验证。MATLAB/Simulink、CarSimRT与华海控制器进行的控制器算法在环测试结果表明，在不同复杂工况下搭载双电机主动横向稳定杆车辆的侧倾角、侧倾角速度以及俯仰角的改善幅度均在10%以上，证明了该控制算法的可行性及普适性。
商用车驾驶室总成载荷谱是影响虚拟疲劳预测精度与计算效率的关键。本文探究了道路载荷谱采集与编辑、高保真动力学建模以及虚拟迭代等重点环节，以期从工程应用角度获取准确、高效的外联点时域载荷。首先，在试验场实车采集了驾驶室总成全路径道路载荷谱，考虑随机误差对原始数据进行归一化拆分并重组，得到统计性较强的试验场总损伤目标；然后，利用等效损伤原则优选出9段工况及其循环数，不仅将误差控制在10%以内，同时时效提高了75%；随后，结合实测减振元件的性能参数，建立了高保真驾驶室刚柔耦合动力学模型，并通过驾驶室7通道道路模拟台架验证了模型精度；最后，通过虚拟迭代完成了优选工况的载荷分解，迭代误差小于10%。基于上述优选并分解得到的外联点载荷，高效完成了驾驶室本体虚拟疲劳计算，并准确预测了驾驶室焊点失效情况，与道路模拟台架耐久试验结果有较高的吻合度，为商用车驾驶室的设计和优化提供了有力的技术支撑。
针对集成式电液制动系统（integrated electro-hydraulic brake system，IEHB）存在的复杂液压非线性特性和时变摩擦干扰，提出一种自适应压力控制策略。外环压力控制器引入液压特性的动态线性化模型并基于滑模观测器对模型参数实时辨识实现对非线性液压特性的自适应。内环伺服控制器采用基于压力的连续摩擦补偿和反步动态面控制应对传动机构摩擦阻碍。硬件在环实验结果表明，与现有的先进级联压力控制相比，设计的压力控制策略在多种工况下均表现出更高的控制精度和鲁棒性，并显著提升了IEHB在不同液压回路结构下的压力控制效果。
目前，空气悬架在不同的车型上的装配比例越来越高，然而，整车性能的空气悬架匹配主要基于定常温下开展，很少考虑宽温域下空气悬架的控制性能。针对宽温域服役范围下乘用车的空气悬架高度控制问题，本文从空气弹簧的静态特性入手，提出了一种宽温域空气弹簧的表征模型，并模拟乘用车在非运动状态下悬架系统高度控制进行了仿真与试验，实现了车辆在宽温域下的服役性能提升。首先，通过不同温度的试验数据建立了宽温域空气弹簧模型，充分考虑了温度对橡胶以及气体的影响。其次，提出了一种基于在线线性二次调节器法（LQR）的空气悬架控制算法，该模型考虑了温度对气囊参数的影响规律。最后，在宽温域条件下验证控制器的鲁棒性。仿真与试验结果表明，考虑宽温域服役的新型控制器能实现车身高度达到目标高度并且避免出现振荡，具有良好的稳定性和鲁棒性。
为全面梳理电动汽车车内声品质评价的发展现状，明确未来趋势，本文首先介绍了电动汽车车内声品质的研究进展和特点；然后详细介绍A声级对于电动汽车车内声品质评价的局限性、心理声学参量以及一些非传统参量客观评价方法；接着归纳了电动汽车车内声品质主观评价方法及其优缺点；之后重点分类总结了国内外电动汽车车内声品质客观量化模型；最后对电动汽车声品质评价进行了总结和展望，认为在未来以高精度客观评价模型代替传统主观评价方法，缩短评价时间与成本，提高评价准确性将是电动汽车车内声品质评价发展的重要方向。
电控空气悬架系统（electrically controlled air suspension， ECAS）具有调节悬架刚度和车身高度的功能，可有效改善车辆乘坐舒适性和操纵稳定性。以某乘用车ECAS为对象，利用分数阶理论描述橡胶气囊的黏弹性阻尼特性，考虑等效阻尼及滞回特性对其热力学模型进行了优化，结果与实验数据吻合良好，验证了优化后的空气弹簧模型的精确性。在此基础上，考虑车辆纵横向动力学特性与Dugoff轮胎模型，建立14自由度整车ECAS动力学模型，提出模型预测（model predictive control， MPC）主动悬架控制方法，以可测变量为控制器输入，实现直线及转向行驶工况下的主动控制。仿真与整车台架实验研究表明，分数阶修正模型可以很好地反映ECAS变刚度特性，基于MPC的主动悬架控制策略能实时调整空气弹簧刚度，控制车身姿态，有效改善电动汽车行驶时的平顺性与稳定性。论文的研究方法为车辆悬架系统建模及主动控制提供了一种新思路。
空气弹簧内部压缩空气的热交换效应导致其力学特性具有较强的热迟滞性和频率相关性。本文建立了一种热迟滞等效力学模型来描述空气弹簧内部压缩气体的能量交换过程。结合橡胶气囊模型，构建了涵盖橡胶气囊迟滞和压缩空气热迟滞的空气弹簧迟滞力学特性模型，并给出了模型关键参数的辨识方法。实验表明空气弹簧力学迟滞环和动刚度最大误差分别小于3.3%和6.7%，验证了迟滞力学特性模型的准确性。最后，揭示了压缩空气热迟滞随频率变化的内在规律。研究结果为查明空气弹簧的迟滞非线性机理及其有效利用提供了理论支撑。
底盘&动力学&整车性能专题2024年
