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摘 要

本文进行了理论研究，提出了一种新型的客车悬架系统，该系统在前后减震器之间采用液压连接，并在前轴处采用主动悬架执行器。基于公共汽车悬架系统的半车模型的理论研究包括发动机安装系统。前减震器和后减震器之间的液压连接是根据毛细管理论建立的。此外，推导了基于最优控制理论的主动悬架系统控制算法。应用遗传算法优化例程生成主动悬架控制算法参数。在恒定的悬架工作空间下的行驶舒适性和道路保持性方面，对连接的减震器悬架系统，主动悬架系统，主动连接的减振器悬架系统和被动悬架系统进行了比较。结果表明，所提出的主动连接式减震器悬架系统和主动悬架系统在乘坐舒适性和抓地力方面均提供了显着改善。此外，连接的减震器悬挂系统对后部行驶质量具有预见控制效果。

介绍

车辆悬架在提高乘坐舒适性和抓地力方面起着重要作用。通常，无源悬架结构简单且成本合理，但是它们具有不能同时改善包含共振频率的低频区域和高频率区域的行驶质量的缺点。[1, 2, 3].常规车辆悬架

设计通常需要在操纵稳定性和乘坐舒适性之间进行权衡。具有相对较硬的悬架的车辆可能具有良好的操纵稳定性，但乘坐舒适性较差，而对于柔软，柔顺的悬架而言，情况则相反[4, 5].因此，以前的一些研究表明，悬架系统部件的特性对乘坐舒适性有重要影响[6, 7].除了正确选择悬架设计和悬架元件的最佳特性外，悬架的控制系统也很重要。因此，在另一项研究中分析了主动和半主动悬架控制规律对车辆行驶舒适性和操纵性能的影响[8,9,10].Kaldas等。[11]使用自适应模糊逻辑控制理论和卡尔曼滤波器开发了一种用于状态估计的半主动悬架系统控制器。通过在液压四杆振动筛上进行的实验室测试，构建并验证了四分之一车辆行驶动力学模型。构造了用于反弹速度估计的卡尔曼滤波器算法，并通过使用外部位移传感器进行的测量来验证其准确性。卡尔曼滤波器在估算控制器输入中的准确性提高了将自适应控制与模糊逻辑配合使用以在各种道路输入上保持最佳性能的优势。应用基于梯度的优化算法来改进模糊逻辑控制器参数。使用开发的半主动悬架控制器在不同的道路轮廓上模拟车辆模型。在行驶舒适性和抓地力方面，对自适应模糊半主动控制器，最佳LQR半主动控制器和最佳被动悬架系统进行了比较。结果表明，所提出的半主动悬架系统控制器提供了

在不同道路状况下，车辆的乘坐舒适性和道路抓地力都得到了显着改善。另一方面，Soliman等人提出了用于主动悬架系统的Fuzzy-Skyhook控制理论，以提高车辆的行驶性能。[12].理论上已经通过使用7自由度全车辆数学模型对主动悬架系统的乘坐舒适性进行了评估。仿真结果显示在时域，频域和RMS值上，表明所提出的带有Fuzzy-Skyhook控制的主动悬架系统与车身加速度，悬架工作空间和动态轮胎负载相比，改善了车辆行驶质量。被动悬挂系统，它非常接近理想的天钩悬挂系统的性能。

索利曼[13］使用卡车全挂车悬架系统的半数学模型研究了卡车全挂车的乘坐舒适性。已经提出了混合控制策略以改善行驶性能。评估了车速和路面不平度对行驶性能的影响。获得的结果表明，带有混合控制系统的垂直驾驶室悬架相对于被动系统具有明显的改进。此外，路面不平度和卡车速度对卡车行驶性能有重要影响。另一方面，Soliman等人研究了卡车半挂车驾驶室，座椅和前悬架的主动悬架系统的模糊逻辑控制。[14].提出了基于14自由度半挂车模型和三种模糊逻辑控制策略的理论研究。所得结果表明，模糊逻辑控制是半挂车主动悬挂系统的鲁棒控制方法。

克服乘坐舒适性和抓地力之间折衷的一种方法是通过在各个轮站（弹簧减振器元件）之间使用液压或机械互连，可以将其定义为悬架系统，该系统可在一个轮站产生位移的力在其他轮站上[15,16].通常通过机械或液压装置来实现在每个车轮站处的阻尼器之间的两轮或四轮互连。车轮站互连的最普遍要求的优点是，悬架设计人员可以更好地控制每种悬架模式的刚度和阻尼，而不必完全依靠单轮刚度和阻尼来隐式定义悬架的特性。此外，连接的减震器悬挂系统对后部行驶质量具有预见控制效果[17, 18].气动节距平面互连对车辆行驶性能影响的参数研究由[19].此外，还进行了敏感性分析，考虑了流量损耗系数，空气弹簧体积与面积之比，车辆质量和质量分布等几个参数对道路中道路输入的传递性的影响。

弹跳和俯仰模式已由Smith等人完成。[20].

尽管全主动悬架用于改善车辆的行驶性能，而连接的减震器悬架系统已用于改善后桥车辆的行驶舒适性，但它们的三个主要缺点是：主动悬架所需的能量输入水平和高昂的零件成本，以及所连接的减震器悬架系统在前轴处的乘坐舒适性改善程度较小。因此，在本研究中，建议在前轴上与连接的减震器悬架系统一起使用主动悬架执行器，以减小前轴的车身加速度，同时保持连接的减震器悬架系统的预览效果，以改善前悬架。后桥的车辆乘坐舒适性解决了这三个缺点。

道路轮廓

在这项研究中，考虑到道路的不平整度和公交车速度的变化，生成了时域随机道路轮廓作为经过滤波的白噪声信号[21].研究中使用的生成的道路轮廓显示在图1.

(1)

其中Xo是道路输入位移，Go是道路粗糙度系数，v是公交车速度，w（t）是强度为1的零均值高斯白噪声，fo是低截止频率，在本研究中假定为0.01 Hz。

图1.随机道路轮廓。

公交数学模型

被动和主动模型

本研究中使用的六自由度公交车垂直动力学模型如图所示。图2.公交车底盘和发动机的被动悬架系统建模为线性弹簧和粘性阻尼器，分别表示为Ks和Cs

图2.被动/主动总线垂直动力学模型。

巴士的每个车轴，以及发动机机身前后的Ke和Ce。另一方面，公交车底盘的主动悬架系统被建模为线性致动器，在公交车的每个车轴上也被简单表示为Us。Mb，Mw1，Mw2和Me分别代表了车身，前轴，后轴和发动机的质量。Xb和Xe代表CG处的车身和发动机垂直位移车身，车轮和道路的垂直位移在每个轴上分别表示为Xb，Xw和Xo分别在发动机前后的发动机垂直位移和客车车身垂直位移分别表示为Xe和X是。theta;b和theta;e是客车车身和发动机车身的俯仰响应。L1和L2是从母线CG到前后轴的距离。L3，L4，Le1和Le2分别是从母线CG和引擎CG到引擎机身前后的距离。

总线垂直和俯仰响应的运动方程可写为：

发动机垂直和俯仰响应的运动方程可写为：

(7)

(8)

(9)

前后轴的运动方程可写为：

(10)

(2)

主动悬架系统算法

(11)

(3)

(4)

(5)

(6)

主动悬架系统控制算法是通过最优控制理论推导出来的。总线模型的输出状态用作控制算法的反馈信号。使用的状态是车身和车轮的垂直位移和速度，如图所示。式12和13.遗传算法（GA）优化例程用于优化主动控制算法的增益。优化目标是最大程度地减少客车和发动机悬挂质量的垂直加速度和俯仰加速度以及轮胎动态负荷，同时将悬架工作空间保持在允许的范围内。优化过程中使用的性能指标在等式14.

图3.连接的阻尼器/主动连接的阻尼器总线垂直动力学模型。

(12)

(13)

(16)

(17)

(14)

其中K11，K12..... K24是控制算法增益，而q1，q2.... q8，rho;1和rho;2是优化过程中使用的性能指标的权重参数。

连通阻尼器模型

图3显示了带有连接的减震器悬挂系统和组合的主动连接的减震器悬挂系统的六自由度半母线模型。前后阻尼器之间的液压连接是根据毛细管理论[18].在这种类型的悬架系统中应注意的一点是，当连接前后减震器时，后桥处的车身会在后悬架通过道路扰动之前做出反应。这样，所连接的减震器可以根据前悬架所经过的干扰，通过预先举起车辆的后部来抑制后悬架处的振动峰值；这种类型的悬挂具有与预览悬挂系统相同的效果。当转换为具有时变阻尼特性的独立阻尼器时，具有连接阻尼器等效阻尼系数的悬架力可以表示为：

(15)

(18)

其中Cs12是液压连接的阻尼系数。使用毛细管理论对连接的阻尼器悬挂系统的详细描述在[18].

从文献中显而易见的是，已连接的减震器悬架系统已被用于改善车辆在后轴处的乘坐舒适性，而前桥处的乘坐舒适性无法得到改善。因此，建议在前轴上与连接的减震器悬架系统一起实施主动悬架系统致动器，以减小前桥的车身加速度，同时保持连接的减震器悬架系统的预览效果以改善车辆行驶后桥的舒适性。GA优化例程用于优化前主动悬挂系统的控制算法的增益，并使用与主动悬挂系统相同的性能指标。在这种情况下，总的前后悬架力可以公式如下：

(19)

(20)

(21)

其中US1con是前悬架主动致动器产生的力。

绩效标准

每个悬挂系统的性能（行驶性能）可以根据三个性能标准进行定量评估[2]，如下所示：

不适感（Acc。）：乘坐舒适性评估的主要性能标准是垂直加速度。因此，已将总线垂直加速度选为主要性能指标，并以所提出的悬架系统的功率谱密度（PSD）表示。

悬架工作空间：可以将母线悬架工作空间视为位移围绕静态位置变化的量度。因此，建议的悬架系统之间的比较是在恒定的悬架工作空间下进行的。

动态轮胎负载：动态轮胎负载可以被视为衡量路况的能力，因为轮胎负载的变化会导致接触长度变化以及侧向力或制动力的下降。因此，通过动态轮胎负载的PSD曲线评估了拟议的悬架系统对道路保持性能的影响。

计算机实施和总线数据

前述总线模型已在MATLAB

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