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。
传统车辆经济性对比分析方法受车辆配置、大小、质量等因素影响，容易得出普通车辆经济性远高于豪华车辆的结论。为了对新能源汽车和传统燃油汽车的综合经济性进行深入客观的对比分析研究，本文中建立了一套搭载不同动力系统车辆的综合经济性预测模型，并基于该模型进行了新能源汽车（纯电动和燃料电池商用车）与传统燃油汽车的综合经济性对比分析及预测研究，从车辆的不同续驶里程和质量两个维度要求考虑，建立了搭载不同动力系统车辆的成本预测模型，并对纯电动汽车、燃料电池汽车、传统燃油汽车在当下、2025年、2030年、2035年的动力系统成本和全生命周期使用成本进行数据计算和经济性预测。预测结果表明：未来纯电动汽车和燃料电池汽车动力系统成本和全生命周期成本将会进一步下降，甚至会逐步优于传统燃油汽车；燃料电池汽车成本下降速度更快，在长续驶里程和高重载条件要求下，燃料电池商用车的全生命周期成本将逐步低于同类型传统燃油汽车和纯电动汽车，建议我国优先发展对续驶里程要求较长的重型商用车。
为了优化纵置混动车型平衡轴齿轮敲击噪声，对比横置车型结构差异，识别出飞轮惯量变大，曲轴模态降低，平衡轴驱动齿圈角加速度变大，导致平衡轴齿轮敲击，而常规单级减振器匹配呈现“此消彼长”规律，无法覆盖发动机全转速段角加速度优化目标，因此开发出双级扭转减振器，降低平衡轴驱动齿圈角加速度，可解决齿轮敲击问题；使用Simpack软件搭建了齿轮敲击多体动力学模型，研究了平衡轴齿轮敲击产生和传播机理，进而开发出双消隙平衡轴，通过减小啮合过程中轮齿双侧受力冲击， 进一步优化了齿轮敲击噪声。结果表明，综合使用双级减振器和双消隙平衡轴可解决齿轮敲击问题，对平衡轴齿轮设计和敲击问题优化具有重要的工程意义。
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。
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。
为提高8轮分布式电驱动车辆动力学综合控制性能，提出一种主动前轮转向系统（AFS）和直接横摆力矩系统（DYC）协同控制方法。首先，基于车辆模型求得考虑垂直载荷转移和侧倾稳定性的期望横摆角速度和质心侧偏角。其次，提出一种联合双线法和横摆角速度法的β-β˙相平面区域划分方法，将车辆状态划分为稳定域、临界稳定域和非稳定域。然后，设计包含决策层、协调控层和转矩分配层的控制器。在决策层，采用改进滑模函数设计附加横摆力矩滑模控制器和附加转角滑模控制器。在协调控制层，根据车辆状态所处的相平面区域设计3种控制策略。在转矩分配层，根据各轴的垂直载荷比例分配各轮转矩。最后，基于MATLAB/Simulink和Trucksim联合仿真平台，进行双移线跟踪试验验证。结果表明，所提控制方法具有较好的轨迹保持精度和车身姿态修正能力，能有效提高车辆的行驶稳定性。
针对基于LMS算法道路噪声主动控制在面对冲击性噪声时性能骤降的问题，建立了基于滤波-x最小平均绝对偏差（FxLMAD）算法的道路噪声主动控制系统，以控制路面冲击输入下的车内噪声。首先对路面冲击输入下车内噪声特性进行了分析，发现其噪声是非高斯的，且更符合α稳定分布。接着对基于FxLMAD算法的噪声主动控制进行仿真，结果表明该算法在达到良好降噪效果的前提下还拥有结构简单、计算量小的优点。最后，搭建了车内噪声主动控制系统并在某燃油车上完成了冲击路面的实车道路试验。结果显示，基于FxLMAD算法的车内道路噪声主动控制系统在50~500 Hz范围内的总声压级降噪量可达约2 dB（A），明显优于普通的LMS算法。
重型商用车存在转动惯量大、控制响应慢等特点。针对重型商用车，基于质心侧偏角、横摆角速度、垂向载荷转移系数设计了三维相空间分析方法，从而判断车辆的实时稳定状态。针对不同的车辆行驶状态，采用AFS控制和AFS/DYC分级控制，并基于利用附着系数设计了可拓控制方法，从而补偿前轮转角和横摆力矩的控制输出，以保证控制器在不同工况下的鲁棒性。通过TruckSim/Simulink联合仿真和硬件在环实验验证了该方法的有效性，并在仿真中通过β-ψ˙-LTR判断和β-ψ˙判断对比证明了相空间动态稳定域的优越性。仿真和实验结果表明：相比单纯以驾驶员意图操纵车辆，所设计的基于可拓H∞的AFS/DYC分级控制策略可以保证车辆在不同工况下的稳定性，尤其在低附着路面上表现出更好的稳定性，可有效降低车辆在极端工况下发生交通事故的概率。
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。
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。
针对长下坡路段行驶的重型载货汽车因驾驶人路况不熟悉而行车制动系统使用不当引发制动器热衰退风险的问题，本文提出了基于道路行驶工况辨识的重型载货汽车排气制动系统主动控制策略。考虑到山区路段道路纵向坡度信息难准确获取，且制动踏板动作特征与其他路段存在显著的差异，文中选取时间窗内制动踏板平均开度、持续作用时间和制动踏板作用时间比例分别建立了下坡路段行驶制动工况和其他路面制动工况，利用制动踏板动作与开启排气制动系统的因果关系建立了具有连续时间序列特性隐马尔可夫模型。考虑到时间窗长度对控制效果的影响，文中建立时间窗长度为30、60、90和120 s的4种模型，利用京昆高速雅安-西昌段K25-K174左线和右线试验数据进行离线训练和在线辨识验证。道路试验和仿真结果表明：文中提出的控制策略能够准确辨识车辆行驶工况，能够实现排气制动系统主动控制，降低了对驾驶人的高度依赖，从而提高了重型载货汽车下坡路段行驶安全性。
为解决惯性质量带来的馈能式悬架性能恶化的问题，研究了减振器串联缓冲器的解决方案。建立了带缓冲器的2自由度馈能式悬架模型，理论研究表明增加缓冲器利于改善簧载质量加速度、悬架动挠度，同时降低惯性力；通过传递特性分析，揭示了缓冲器对减振器速度幅值通低频阻高频的作用。对比有无缓冲器时悬架耗散功率，结果表明缓冲器降低了悬架耗散功率。通过台架对比测试，验证了增加缓冲器能够有效提升馈能式悬架性能，簧载质量加速度均方根值降低58.0%，车轮相对动载荷均方根值降低33.3%，悬架动挠度均方根值降低27.6%。
为了研究行驶速度对路噪的影响，详细解析了滚动速度与柔性环轮胎模型的模态固有频率及振动响应之间的关系。建立了某款SUV轮胎的CDtire模型，通过模态测试验证了模型准确性；然后分析了不同滚动速度中，CDtire在主要方向的轮心振动频响。结果表明：对比该款轮胎以40和60 km/h的速度滚动，轮胎面内径向2阶模态对应的振动响应前者更大，前者对应频率的路噪水平也更高，并在实车路噪测试中得到了验证。
窄体车辆有助于解决常规乘用车的道路占用、空间浪费、能源危机和环境污染等问题，应用主动侧倾技术解决窄体车易侧翻的安全性问题。根据窄体车主动侧倾运动的特点，建立窄体车车身动力学模型，考虑主动侧倾特性及车辆侧向与纵向运动引起的车轮载荷变化，结合UniTire统一轮胎模型，进行主动侧倾窄体车极限态工况状态参数相平面分析，探明窄体车运动机理，获得窄体车极限态运动规律及运动特性，为提高窄体车稳定性研究奠定基础。
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。
本文中基于车载诊断原理，将车载自诊断过程产生和保存的故障码（diagnostic trouble codes， DTC）分析与关联规则挖掘相结合，提出适用于挖掘故障码数据关联的改进FP-Tree算法，并根据得到的关联规则建立整车故障码关联图，将其应用于历史数据分析流程与车辆维修流程。挖掘数据中有趣关联规则，提供关联可视化结果；对维修过程读取的驳杂故障码进行分析，减小故障码复杂性，分析主要故障码，缩短基于故障码的检修时间，协助维修人员定位故障。
为研究后视镜镜臂对其产生的气动噪声的影响，针对某SUV后视镜采用脱体涡（detached eddy simulation）方法分析其流场和近场噪声特性。通过改变镜臂外形设计了两种降噪模型，在航空工业气动院FL-53风洞开展了3个后视镜模型的气动噪声风洞试验。结果显示：通过改变镜臂周围曲率，能够减小涡的尺度，改变涡脱落的方向，降低后视镜尾流区域近场噪声，且风速会影响部分频段的降噪效果；从远场指向性看，3个后视镜在尾流区声压级较大，降噪模型没有改变远场指向性。
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。
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。
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。
底盘&动力学&整车性能专题2023年
