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汽车四轮转向和主动悬架的综合控制研究 Title-题名：汽车四轮转向和主动悬架的综合控制研究 Keyword-关键词：汽车；；四轮转向；；主动悬架；；综合控制；；硬件在环仿真 Summary-摘要： 随着人们对汽车操纵稳定性、安全性、乘坐舒适性等 性能要求的提高,决定这些性能的两个主要的系统--转向系统和悬架系统也取得 了很大的发展,如近几十年出现的四轮转向系统、主动悬架系统等。许多研究表明 ,汽车的转向系统与悬架系统之间存在强耦合,彼此互相影响。对汽车转向系统和 悬架系统的单独控制在理论上忽视其它子系统的存在,也忽视对其它系统性能目标 的影响,其效果并不是两个子系统单独控制效果的简单叠加,往往会出现控制效果 的相互削弱,有必要进行两个子系统的综合控制。针对该领域研究存在的耦合机理 不清晰、协调机制不健全等关键问题开展研究,发展出一种四轮转向和主动悬架的 综合控制新方法,对提高车辆的综合性能具有重要意义。 本文建立了包含 四轮转向和主动悬架的整车统一动力学模型,模型包括了悬挂质量的侧向、横摆、 垂直跳动、俯仰、侧倾和非悬挂质量的垂直跳动,共9个自由度。采用了能够反映 轮胎非线性特性和侧向垂向耦合特性的侧向力半经验模型。对车辆动力学模型进 行了试验验证。在整车9自由度模型的基础上进一步简化,分别建立了2自由度四轮 转向模型和7自由度主动悬架模型,并分别设计了四轮转向和主动悬架最优控制器 。建立了四轮转向系统的硬件在环仿真平台,采用步进电机作为后轮转向的执行机 构,分别安装了两个角位移传感器检测前后轮转角。进行了四轮转向硬件在环仿真 实验,结果表明,后轮转向的响应滞后时间小于30ms,对车辆转向系统响应的影响很 小,在四轮转向的控制算法中可以不用考虑。 通过灵敏度分析,研究了转 向系统和悬架系统的耦合关系。由于簧上质量的耦合作用,车辆转向时簧上质量的 离心力引起车身侧倾角和内外侧车轮垂直载荷的变化。一方面,由于悬架导向系的 耦合作用,车身侧倾引起车轮侧倾转向和车轮外倾,影响车辆稳态转向特性；另一方 面,由于轮胎侧向垂向耦合特性,内外侧车轮垂直载荷发生变化,导致前轴或后轴等 效侧偏刚度减小,影响车辆转向特性。 通过主动悬架的控制,转向时车身侧 倾角明显减小,车轮侧倾转向和车轮外倾产生的侧向力也明显减小,车辆的稳态转 向特性改变。考虑轮胎侧向垂向耦合特性,研究了四轮转向和主动悬架控制对车辆 转向性能的影响。 提出了一种基于车身姿态控制的四轮转向和主动悬架 的协调控制策略。在引入主动悬架控制的同时,引入四轮转向的控制,并且对四轮 转向的控制量进行调整。在此基础上,提出了一种基于前后悬架刚度匹配的协调控 制策略,得到二者综合的协调控制策略。根据车辆横摆角速度响应与参考值的偏差 ,对主动悬架的控制量进行调整。 通过方向盘角阶跃输入仿真,研究了采用不同 控制系统时车辆的极限性能。结果表明,四轮转向系统对提高车辆极限性能几乎没 有任何帮助；主动悬架系统能够有效控制轮胎垂直载荷,提高轮胎侧向力,从而显著 提高车辆的极限性能；四轮转向和主动悬架的协调控制,能够提高内侧车轮垂直载 荷,并合理分配前后轴轮胎侧向力,进一步提高了车辆的极限性能。 Title-题名：基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法 Keyword-关键词：轻量化；；近似模型；；移动最小二乘；；多学科设计优化；；可靠性 优化设计；；多目标遗传算法 Summary-摘要： 随着汽车工业在国内的蓬勃发展,使得能源日趋紧张、 环境压力加剧的问题日益凸显,这必将成为汽车工业可持续发展的绊脚石。作为有 效节能手段的汽车轻量化技术已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题,在不 久的将来,它必将成为汽车公司的核心竞争力之一。近年来国内外很多学者在汽车 轻量化相关方面开展了较为广泛的研究,并已取得诸多成果,但是汽车轻量化的相 关研究仍然存在较多问题,研究方法仍然集中在对汽车车身的一些零部件用低密度 材料进行替换,如铝、镁合金、复合材料等,这些方法大多数仍是凭经验设计。本 文在总结前人的研究基础上,采用了近似模型技术结合数值优化方法对汽车轻量化 设计进行了较为系统和深入的研究,在确保汽车综合性能指标的前提下,尽可能的 降低汽车产品自身重量,达到减重、降耗、安全的综合指标。 围绕汽车轻量化 这一主题,本论文主要开展了以下几方面的研究内容： 1.建立了一种基于移动最 小二乘的汽车正面碰撞响应面近似模型,提出了针对不同的优化设计响应采用不同 的近似模型技术来达到提高优化效率的目的。通过与目前广泛运用的多项式响应 面与Kriging响应面的对比研究可知,多项式响应面只是对空间试验点的逼近,拟合 精度不高,故一般适用于替代非线性程度不高的响应,而Kriging模型准确的通过了 空间拟合的采样点,拟合精度高,但它容易