底盘&动力学&整车性能专题2023年
电子机械制动（EMB）作为真正意义上的线控制动，具有系统结构精简、制动响应迅速等诸多优势。为了对EMB构型的研发现状进行全面梳理，本文在大量专利调研的基础上对各种构型的发展和产业化进程进行了总结，并对滚珠丝杠、楔式自增力、滚珠坡道和凸轮4种基本构型方案进行了分析和对比。针对执行器非线性特性和慢时变参数摄动下的控制难题，本文首先对各种执行器建模方法进行了整理，然后以有无压力传感器为分类依据，从基于夹紧力反馈值的控制和基于夹紧力估计值的控制两大层面分别对国内外的研究进展进行综述。最后，提出了对于执行器构型设计、夹紧力控制以及整车协调冗余控制的发展展望。
为提高四轮转向车辆在低速时的机动性，建立了包括侧向运动、横摆运动的整车2自由度四轮转向车辆动力学模型，总结归纳了四轮转向车辆后轮转角控制方法，搭建了CarSim和Matlab/Simulink联合仿真平台，使CarSim中建立的整车模型的实际转向状态接近预设的2自由度理想转向状态，通过设置包括前轮角阶跃输入在内的3种工况进行了不同控制方法的仿真对比分析。结果表明：文中所提到的几种控制策略均能改善四轮转向车辆在低速时的机动性，使车辆具有更高的机动运动能力，为找到一种四轮转向车辆后轮转角最优控制策略奠定了基础。
主动悬架是智能汽车全线控底盘的重要部件，配合各线控执行系统可实现整车底盘的全矢量控制，极大增强行驶的安全性，而传统控制方法需要标定的整车模型参数过多，降低了控制开发的效率。基于此，本文研究了整车主动悬架免参数H∞控制方法。首先，建立主动悬架的行为依赖近似动态规划模型，将H∞控制问题转化为路面干扰和控制行为的零和博弈过程；其次，使用自适应评判方法整定动作网络与批判网络，通过在线Q学习求解系统的博弈黎卡提方程，给出无须模型参数的控制最优解，稳定性分析表明该方法可收敛到系统的纳什平衡点；最后，搭建硬件在环系统验证该方法的有效性，对包块路面以及不同路面等级下的随机路面进行主动控制仿真。结果表明，基于Q学习的控制方法具有最优控制效果，能够改善低频范围内的整车平顺性和操纵稳定性。
驾驶员坐在驾驶室中感知车辆的运动响应，驾驶室及其悬置机构是影响驾驶员驾乘感觉的重要环节。为实时模拟商用车驾驶室的运动，采用基于特性的建模方法，将驾驶室的运动解耦为低频面内Motion运动和高频面外Ride运动，并考虑驾驶室悬置机构的承载特性、RC/PC导向特性和K&C运动学特性，建立了商用车全浮式驾驶室模型。最后，将驾驶室模型嵌入到89DOF整车模型中，进行某款牵引车的仿真，并与场地试验结果进行对比，验证了模型的有效性。
为实现离轴式拖挂车辆在非结构化道路下的主动避障，提出一种基于拖挂车辆模型预测控制的主动避障控制器，且无须全局路径与路径跟踪器支持。首先，基于刚体运动学和非完整约束建立挂接全挂车的拖挂系统运动学模型，并对其运动特性分析与验证。其次，根据拖挂系统运动学模型建立离轴式拖挂车辆的预测模型。最后，提出一种无须全局路径支持，且满足拖挂车辆转弯避碰的惩罚函数，并针对拖挂系统的安全性与稳定性设计目标函数，采用非线性求解器对目标函数优化，将优化输出离散控制序列作用于拖挂系统。仿真与实车实验表明，离轴式拖挂系统主动避障控制器能使拖挂车辆在满足剪切碰撞约束的前提下安全避障，且全挂车避障路径与非避障最短路径的横向误差及航向误差均能收敛。
为改善高速低附着路面上的车辆动力学性能，本文针对分布式驱动电动汽车提出一种基于多参数控制的操纵稳定性控制策略，包括上层轨迹跟踪控制和下层转矩分配控制。上层控制器设计基于2自由度车辆模型和驾驶员预瞄偏差模型，提出了MPC轨迹跟踪控制策略，实现对侧向偏差、横摆角偏差、质心侧偏角、横摆角速度的多参数控制。下层控制器以轮胎负荷率最小为优化目标，获得4个车轮电机转矩的最优分配量，借助于7自由度动力学模型，在双移线、蛇行工况下完成了CarSim-Simulink联合仿真。结果表明：提出的控制策略改善了高速、低附着工况下的操纵稳定性和轨迹跟踪精度。
制动器的散热能力与乘用车的行车制动性能关联紧密，其中高性能车型在激烈驾驶过程中对制动器的散热能力有更高的需求。本文针对某型碳陶通风盘式制动器总成开展台架实验，并通过对制动盘降温工况中冷却系数的计算，提出了一种表示对流及辐射综合换热的通用拟合关系式，对定量描述制动器的散热性能具有重要参考价值。随后，对该制动器模型进行计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）仿真，探讨了不同变量对该型制动器散热特性的影响，揭示了防尘罩对制动器散热的影响机制。结果表明：对于制动盘初始表面平均温度500 ℃且无防尘罩遮挡的降温工况，对流换热占总换热量的75%以上，其中制动盘外表面的对流换热起主导作用；此外，当制动盘受防尘罩遮挡时，贴近防尘罩一侧制动盘表面空气温度升高以及制动盘通风道内质量流率的下降使其散热能力显著降低。本文分析结果对制动器散热导流通道的优化设计具有重要指导意义。
为解决车辆售后维修过程中由于车辆部件的关联故障而产生大量杂乱故障码，导致通过分析故障码进行源头故障部件定位困难的问题，本文提出一种基于模糊BN和改进证据理论的车辆故障定位方法。首先，根据历史数据及专家经验构建模糊BN模型并得到其后验概率。其次，将后验概率作为改进证据理论的基本概率赋值输入，提出融合邓熵和Pignistic概率距离的修正系数对证据修正，解决证据不确定性及证据间冲突问题。然后，采用基于矩阵分析的证据合成规则，避免大量证据合成失败情况的同时减少计算量，得到故障定位结果。最后，以ABS系统为例，验证该方法的可行性。本文所提出的方法可为维修人员提供指导进行快速定位故障。
声源声功率的获取是机械产品声学性能开发的重要组成部分，而采用试验测试获取声功率需要耗费不菲的时间和成本。本文提出了一种基于声学传递函数和正则化方法的高频声功率载荷反求方法。建立了高频声学传递问题模型，推导了单声源和多声源状态下的声源声功率、ATF和接受体声压级之间的关系；引入了正则化方法避免矩阵奇异值放大测试误差；采用L曲线准则计算正则化参数，实现了高频的声功率载荷反求。采用该方法对某挖掘机两种工况下发动机、风扇和进、排气口的声功率进行了反求，并将结果与试验测试得到的结果进行了对比，结果显示，本文提出的方法具有较高的精度，可以实现高频声学载荷的高精度反求。
随着车辆齿轮传动系统向着高速、重载和大功率的方向发展，结构日趋复杂，运行工况多变，极易发生零部件损伤故障，影响系统运行可靠性。建立准确的齿轮传动系统模型，研究系统典型界面传递特性变化规律，是系统故障检测和定位的关键技术基础。本文综合考虑齿轮时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙及轴承支承刚度等关键影响因素，建立定轴齿轮传动系统非线性动力学模型，结合振动特性试验测试，有效验证齿轮传动动力学建模的准确性；然后针对齿轮啮合界面和轴承界面，构建典型界面力模型，以振动信号传递的衰减系数量化表征传递特性，开展典型界面振动传递的仿真和试验研究，揭示振动信号在齿轮传动系统传递的本质规律，为车辆齿轮传动系统故障检测中传感器测点布置提供有力的理论和技术支撑。
针对汽车操纵稳定性试验评价指标自动化处理需要自动识别试验类型的需求，提出一种基于卷积神经网络的汽车操纵稳定性试验类型自动分类方法。在分析汽车操纵稳定性试验类型数据图像特征的基础上，建立了由1个输入层、3个卷积层、3个批归一化层、2个最大池化（Max-pooling）层、5个线性整流函数（ReLU）层、3个全连接层、2个活化（Dropout）层、1个激活函数（Softmax）层和1个分类输出层组成的汽车操纵稳定性试验类型分类卷积神经网络模型。利用2 250组试验采集的数据对模型进行了训练和验证。经验证，类型分类准确率为99.33%，平均识别时间为0.05 s。结果表明，本文提出的基于卷积神经网络的汽车操纵稳定性试验类型自动识别方法可有效区分不同试验类型，可用于汽车操纵稳定性试验结果的自动处理，显著提升汽车操纵稳定性试验自动化处理水平。
汽车风振噪声是衡量其舒适性的重要指标之一。本文首先用道路试验验证了风振流场仿真方法的有效性。接着解释了风振噪声是由周期性脱落的湍流涡与车内空腔共振导致的，并提出了风振噪声的降噪策略。随后探究B柱扰流器对风振噪声的影响及其机理，发现减小自由剪切层偏离B柱外表面的最大距离可以减小湍流涡的强度，进而减小风振噪声。所设计的扰流器最大降噪效果可达12.8 dB。最后用试验验证了B柱扰流器方案的有效性。该研究结论对于进一步理解和控制风振噪声具有一定理论意义和工程应用价值。
针对固定状态观测器难以保证路面自适应悬架状态观测精度的问题，本文中在交互式多模型卡尔曼滤波（IMMKF）的基础上，建立了悬架状态观测器与控制器。首先基于LQG算法与模糊控制算法建立了路面自适应主动悬架系统。结合谐波叠加法，生成A-B-D-C级空间域路面不平度模型，作为仿真系统的输入。其次以各级路面的最优LQG模型为子模型建立了3种IMMKF悬架状态观测器与控制器。仿真对比表明：14模型的IMMKF悬架状态观测器相对于普通卡尔曼滤波观测器的观测精度最大可提升98.17%，并可用于识别路面等级，并且基于14模型IMMKF的自适应主动悬架控制器的车身加速度相对于被动悬架降低了75.99%、相对于普通LQG主动悬架降低了47.16%，验证了模型的优越性。
以车辆横向运动过程中的行驶状态精确估计为目标，提出了一种考虑轮胎非线性侧偏力学特性的行驶状态估计算法。为准确反映特殊行驶工况下车辆横向动力学行为演化规律，采用分段仿射辨识方法建立了轮胎非线性侧偏力学特性模型，进而实现整车横向动力学分段仿射模型的构建。在此基础上，基于强跟踪平方根容积卡尔曼滤波算法设计了针对系统分段仿射模型的“多模切换”行驶状态估计策略，以期当系统状态发生突变时依然能够保持良好的状态估计精度。基于CarSim和Matlab/Simulink建立了车辆行驶状态估计性能联合仿真验证平台，通过设置两种典型工况，对车辆横摆角速度和质心侧偏角的状态估计效果进行了验证。结果表明，所提出的估计算法能够实现特殊行驶工况下车辆行驶状态的高精度估计。
车用电机为满足不同驱动结构的需求，通常会在高转速和高转矩之间做出选择。为实现车用电机的高效区优化，多样化的电枢结构被应用于各类电机。相对于静态电器中使用的电枢，车用电机电枢最显著的特征在于其普遍需要使用非金属材料进行封装。但目前对于具有封装工艺的各类电枢，鲜有模型能够对其轴向热导率进行合理的预测。本文选取包括发卡绕组、圆形漆包线、换位漆包线、圆形利兹线和矩形利兹线在内的9款车用电机常见的电枢结构进行了研究。首先设计了一款用于测量电枢轴向热导率的实验台架，并提出一种补偿实验台架误差的数学方法。之后测量了9款电枢在封装前后的轴向热导率差异。最后基于各类电枢的加工方法和实验结果，分别对“平行电枢”和“绞合电枢”提出了考虑封装工艺对其影响的轴向热导率数学模型和经验公式。
针对紧急工况下车辆纵横向动力学耦合导致传统轨迹跟踪方法精度下降的问题，提出解耦循迹跟踪算法，该算法在利用动力学解耦消减耦合负效应的基础上，通过跟踪车辆目标运动状态实现运动轨迹的间接跟踪。首先，基于理论推导与仿真，探究了车辆纵横向动力学耦合成因及其对循迹跟踪精度的影响；然后，通过修正传统3自由度车辆动力学逆系统构型确定其接口，利用随机数据集训练反馈前向神经网络（BPNN）模型以获取车辆平面运动逆系统；最后，设计基于目标运动轨迹的目标运动状态逆解算模型与基于纯跟踪思想的目标轨迹修正模型，将逆系统解耦方法应用于长航程循迹跟踪任务中。仿真与实验结果说明解耦循迹跟踪作为一种全新的跟踪方法，不仅可以完成跟踪任务，且通过与传统循迹跟踪方法对比，在耦合工况下所提出的方法具备更高的跟踪精度。
针对车辆在高速转向和不同路面附着系数下的轨迹跟踪控制问题，基于模型预测控制理论提出了一种考虑路面附着系数的变侧偏角约束MPC控制策略。根据魔术公式轮胎模型分析轮胎的侧偏特性以及不同附着系数对轮胎侧偏角-侧向力线性区的影响，建立轮胎侧偏角约束与不同路面附着系数的函数关系；采用遗传算法（GA）优化BP神经网络模型设计路面附着系数估计器，将估计结果作为与轮胎侧偏角约束相关的变量传递到MPC控制器中；最后在MPC控制器中建立系统控制量约束、控制增量约束，以及考虑路面附着系数的变侧偏角约束，将不同路面附着系数工况下的轨迹跟踪问题转化为多约束条件下最优值求解问题，实现轨迹跟踪和车辆稳定性控制。仿真和试验结果表明，考虑路面附着系数变化的MPC控制方法相对传统MPC控制方法在各种工况下具有更高的轨迹跟踪精度和更好的车辆稳定性，GA-BP神经网络路面系数估计方法具有很高的估计精度。
针对自动驾驶环境感知中并行大型车辆朝向角预测结果稳定性差的问题，本文中提出一种新的方法进行并行大型车辆朝向角计算。首先，基于相机逆投影模型提出根据轮胎特征点图像位置计算目标车辆朝向角的计算方法。然后，在现有单目3D目标检测模型上增加并训练子分支用于进行大型车辆轮胎特征点的检测。最后，对本文算法进行可视化验证。结果表明，该方法可得到准确的并行大型车辆朝向角，具有比单目3D目标检测模型更好的稳定性。
为实现车辆在非匀速行驶时的悬架相对速度和簧上绝对速度估计，同时减小车载传感器的数量，构造了不考虑车轮动力学、以车轮垂直速度为输入的车辆悬架系统简化模型，设计了一种基于速度自适应轴距预瞄的结合卡尔曼滤波算法估计整车悬架相对速度和簧上绝对速度的方法。仿真结果表明，在车辆非匀速行驶通过低频正弦路面、减速带、凹坑以及典型随机路面时，所提出的方法可以准确估计车辆的悬架相对速度和簧上绝对速度，且速度自适应轴距预瞄的引入减少了传感器的使用数量。
带排转矩会降低湿式离合器的传动效率，缩短其使用寿命和降低其工作可靠性。目前针对湿式离合器带排转矩的研究大多基于平均间隙分布模型，但各摩擦副之间的间隙分布对带排转矩有重要影响，且获取处于工作状态的湿式离合器各摩擦副间隙分布是很困难的。因此，本文提出了一种湿式离合器各摩擦副间隙分布的仿真模拟方法，采用次序统计方法模拟各摩擦片和钢片的位置，获得各摩擦副初始间隙分布规律；在此基础上，通过仿真分析不同工况下欠约束多摩擦副系统的临界碰摩转速及带排转矩，并通过了试验验证。结果表明，在湿式离合器总间隙不变的情况下，欠约束多摩擦副系统的临碰摩转速小于基于平均间隙分布假设下的临界碰摩转速；随着湿式离合器总间隙的增加，临界碰摩转速逐渐下降；欠约束多摩擦副系统的带排转矩明显大于基于平均间隙分布假设下的带排转矩，随着湿式离合器总间隙的增加，带排转矩逐渐下降。
底盘&动力学&整车性能专题2023年
