基于负刚度和空气弹簧并联的车辆悬架动力学分析

来源 :石家庄铁道大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:juyuyong
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随着人类社会经济水平的不断提升以及科学技术的迅猛发展,人们对车辆的性能要求越来越高,对车辆的乘坐舒适性要求也越来越高。空气弹簧是一种非金属弹簧,它既包含刚度特性又包含阻尼特性,被广泛地应用于车辆悬架系统当中。另外,在实践过程中,人们发现含有负刚度的减振系统具有固有频率低、承载能力大等优点。为了利用负刚度在降低机构的固有频率方面的优点,在实际中大多数情况是通过并联负刚度机构的方式来实现降低原系统固有频率的目的。因此,本文研究了基于负刚度和空气弹簧并联的车辆悬架的动力学特性。基于单自由度1/4车辆非线性空气弹簧悬架模型,研究了负刚度和空气弹簧并联的悬架系统在外部激励下的动力学响应。建模的时候考虑空气弹簧的非线性刚度特性和阻尼等特性因素,利用平均法理论求解该悬架系统的近似解析解,并且利用龙格库塔法验证近似解析解的正确性,得到了空气弹簧和负刚度并联悬架系统的主共振幅频影响曲线。并详细分析了负刚度以及空气弹簧非线性刚度对悬架系统主共振响应的影响。通过数值解发现系统存在1/3次亚谐共振的情况,因此对悬架系统的1/3次亚谐共振进行了解析研究,得到了稳态定常解的存在条件。通过近似解析解分析了负刚度、空气弹簧的非线性刚度以及阻尼对悬架系统亚谐共振响应的影响。基于非线性动力学理论的相关知识,研究了二自由度负刚度与空气弹簧并联的非线性车辆悬架的动力学响应。建立了1/4车辆悬架系统的非线性模型,考虑了空气弹簧的刚度特性和阻尼等特性因素以及负刚度弹簧的刚度因素对悬架系统的影响。基于平均法理论求出二自由度车辆悬架模型的近似解析解,并和数值解做了对比,通过对比验证了计算结果的正确性。分析了负刚度和空气弹簧以及轮胎刚度对悬架变形和车体位移的影响。以二自由度车辆悬架作为控制对象,基于悬架速度差反馈,进行分数阶PID控制,研究了车辆悬架系统的非线性动力学响应。在动力学模型中加入分数阶PID控制项,用平均法求得该系统的近似解析解,并用幂级数法进行数值验证。将分数阶PID控制器与整数阶PID控制器的控制性能进行对比,发现在系数相同的情况下分数阶PID控制器的控制性能优于整数阶PID的控制性能。分析了分数阶PID控制器的参数、负刚度和空气弹簧参数对悬架系统响应的影响。
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