双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法。本发明专利技术的目的是解决现有汽车悬架存在的舒适性差和汽车行驶的平顺性不好的技术问题。本发明专利技术的技术方案是：首先依据袋鼠腿部结构，构造出双菱形仿袋鼠腿车用悬架，其悬架垂向性能参数的设计步骤为：1)、建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型；2)、确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架的状态空间模型；3)、确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架的气动人工肌肉收缩力方程；将上述空间模型、输出模型和模型参数代入步骤1)中，并通过MATLAB/Simulink仿真得出双菱形仿袋鼠腿车用悬架的垂向性能参数图即双菱形仿袋鼠腿车用悬架的车身垂直加速度、悬架的动挠度和轮胎动变形图来描述该悬架的垂向性能。

Design Method of Vertical Performance Parameters of Double Diamond Kangaroo Leg-like Vehicle Suspension

The invention relates to a design method of vertical performance parameters of double rhombic kangaroo leg vehicle suspension. The object of the present invention is to solve the technical problems of poor comfort and poor ride comfort of the existing automobile suspension. The technical scheme of the invention is as follows: firstly, according to the structure of kangaroo leg, a double rhombus kangaroo leg suspension is constructed, and the design steps of the vertical performance parameters of the suspension are as follows: 1) establishing a 1/4 vehicle vibration model of the double rhombus kangaroo leg suspension; 2) determining the state space model of the double rhombus kangaroo leg suspension; 3) determining the aerodynamic performance of the double rhombus kangaroo leg suspension. The above spatial model, output model and model parameters are substituted into step 1, and the vertical performance parameters of the double rhombic kangaroo-leg suspension, i.e. the vertical acceleration of the body, the dynamic deflection of the suspension and the dynamic deformation of the tire, are obtained through the simulation of MATLAB/Simulink to describe the vertical performance of the double rhombic kangaroo-leg suspension.

【技术实现步骤摘要】
双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法
本专利技术涉及一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法，它属于汽车悬架

技术介绍
随着汽车工业的发展，人们对汽车舒适性的要求越来越高，研究发现，自然进化而来的袋鼠腿部结构能使其跳跃行走于复杂地形时，具有奔跑速度快、越障能力强、运动稳健等特点，因此设计一种仿袋鼠腿的菱形车用悬架可以充分利用生物的优良减振性能，改善汽车行驶的平顺性。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有汽车悬架存在的舒适性差和汽车行驶的平顺性不好的技术问题，提供一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法，首先依据袋鼠腿部结构，构造出大腿骨连杆、小腿骨连杆和足骨连杆的比例为1:2:1的三连杆连接结构，然后按悬架稳定性的要求，将两个三连杆结构交叉设置成双菱形仿袋鼠腿车用悬架，在大腿骨连杆与小腿骨连杆纵向之间设置大腿气动人工肌肉，在大腿骨连杆与小腿骨连杆横向之间设置第一弹簧阻尼器，在小腿骨连杆与足骨连杆纵向之间设置第二弹簧阻尼器，在小腿骨连杆与足骨连杆横向之间设置小腿气动人工肌肉，其双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计步骤为：1)、建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型：通过拉格朗日第二类方程从能量的观点建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的物理模型，从而得到系统的运动微分方程，所述系统的运动微分方程为：式中：H为系统总动能；xi为系统广义坐标；V为系统总势能；D为能量耗散函数；Qi为对应于广义坐标xi的广义力。设系统的广义坐标分别为x1、x2和x3，则系统的总动能为：系统的总势能为：系统的能量耗散函数为：将上述各式带入拉格朗日方程，则双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的振动模型的微分方程表达式为：式中：m1为车身和大腿骨连杆的总质量，m2为小腿骨连杆的总质量，m3为足骨连杆与车轮的总质量；k1为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间第一弹簧阻尼器的减振弹簧刚度，k2为小腿骨连杆与足骨连杆之间第二弹簧阻尼器的减振弹簧刚度，kt为轮胎刚度；c1为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间第一弹簧阻尼器的阻尼系数，c2为小腿骨连杆与足骨连杆之间第二弹簧阻尼器的阻尼系数；U1为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间大腿气动人工肌肉收缩时产生的收缩力，U2为小腿骨连杆与足骨连杆之间小腿气动人工肌肉收缩时产生的收缩力；θ为足骨连杆相对地面的角度；2)、确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架的状态空间模型采用步骤1)所述的振动模型确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架具体的状态空间模型；取系统状态向量为：式中x1为簧载质量与大腿骨连杆质心处的垂向运动位移，为簧载质量与大腿骨连杆质心处的垂向速度，x2为小腿骨连杆质心处的垂向运动位移，为小腿骨连杆质心处的垂向速度，x3为足骨连杆与车轮质心处的垂向运动位移，为足骨连杆与车轮质心处的垂向速度；取系统的输入量为：W＝[U1U2q]T，进而可得系统的状态空间方程为：其中，为系统状态向量X的一阶导；Da为系统矩阵；Db为控制矩阵；Da，Db矩阵具体参数如下:其中：其中：取系统的输出向量为：Y＝[y1y2y3y4]T；式中为簧载质量质心处的垂直振动加速度；y2＝x1-x3为悬架动挠度；y3＝x3-q为车轮动位移；y4＝q为路面输入的不平度；进而可得双菱形仿袋鼠腿车用悬架输出模型为：Y＝DcX+DdW输出矩阵Dc、直接传递矩阵Dd分别为：其中：其中：3)、确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架的气动人工肌肉收缩力方程气动人工肌肉是仿生气动执行机构，该机构由一根包裹着纤维格栅网的橡胶套筒与两端连接接头组成；充气后其橡胶管产生径向膨胀并轴向收缩，从而产生轴向拉力，而放气时则无轴向力的产生，该机构是一种单向主动力输出机构，其轴向输出力Fe的函数关系式为：Fe＝k(p,ls)lsk＝b4p2+b3pls+b2ls2+b1式中：k为气动人工肌肉的刚度；p为充气压力；ls为伸长量；b1,b2,b3,b4分别为k、p和ls之间函数关系的系数；考虑橡胶套筒的弹性力作用，弹性力Fs为：式中：为气动人工肌肉的的收缩率；D0,θ0,l0分别为充气前气动人工肌肉的的初始直径、初始纤维角度和初始长度；l为其自由长度；E为橡胶筒的弹性模量；t为气动人工肌肉橡胶筒的厚度；单个气动人工肌肉的收缩力方程为：U＝Fe-Fs通常情况U1＞U2其中当双菱形仿袋鼠腿车用悬架为被动工作状态时，大、小腿气动人工肌肉不工作，对外无收缩力，即U1＝0、U2＝0；当双菱形仿袋鼠腿车用悬架为主动工作状态时，大、小腿气动人工肌肉工作，对外输出收缩力U1和U2，将上述空间模型、输出模型和模型参数代入双菱形仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型，并通过MATLAB/Simulink仿真得出双菱形仿袋鼠腿车用悬架的垂向性能参数图即双菱形仿袋鼠腿车用悬架的车身垂直加速度、悬架的动挠度和轮胎动变形图来描述该悬架的垂向性能。本专利技术的有益效果为：本专利技术通过拉格朗日方程从能量的观点建立双菱形悬架系统的物理模型，列式简洁，考虑全面，建模容易。然后建立其状态空间方程，再通过MATLAB进行悬架参数特性(车身垂直加速度，悬架动挠度，轮胎动变形)来描述该悬架的垂向性能。本专利技术以路面不平度为激励，采用PID控制策略，优化悬架垂向参数特性，解决了现有汽车悬架存在的舒适性差和汽车行驶的平顺性不好的技术问题。因此，与
技术介绍
相比，本专利技术具有建模容易、选择悬架参数特性好的优点。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术B级路面车身加速度对比图；图3是本专利技术B级路面悬架动挠度对比图；图4是本专利技术B级路面轮胎动位移对比图；图5是本专利技术C级路面车身加速度对比图；图6是本专利技术C级路面悬架动挠度对比图；图7是本专利技术C级路面轮胎动位移对比图；图8是本专利技术D级路面车身加速度对比图；图9是本专利技术D级路面悬架动挠度对比图；图10是本专利技术D级路面轮胎动位移对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。如图1所示，本实施例中的一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法，首先依据袋鼠腿部结构，构造出大腿骨连杆3、小腿骨连杆5和足骨连杆7的比例为1:2:1的三连杆连接结构，然后按悬架稳定性的要求，将两个三连杆结构交叉设置成双菱形仿袋鼠腿车用悬架，在大腿骨连杆3与小腿骨连杆5纵向之间设置大腿气动人工肌肉1，在大腿骨连杆3与小腿骨连杆5横向之间设置第一弹簧阻尼器4，在小腿骨连杆5与足骨连杆7纵向之间设置第二弹簧阻尼器8，在小腿骨连杆5与足骨连杆7横向之间设置小腿气动人工肌肉6，其双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计步骤为：1)、建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型：通过拉格朗日第二类方程从能量的观点建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的物理模型，从而得到系统的运动微分方程，所述系统的运动微分方程为：式中：H为系统总动能；xi为系统广义坐标；V为系统总势能；D为能量耗散函数；Qi为对应于广义坐标xi的广义力。设系统的广义坐标分别为x1、x2和x3，则系统的总动能为：系统的总势能为：系统的能量耗散函数为：将上述各式带入拉格朗日方程，则双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的振动模型的微分方程表达式为：式中：m1为车身和大腿骨连杆的总本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法，首先依据袋鼠腿部结构，构造出大腿骨连杆(3)、小腿骨连杆(5)和足骨连杆(7)的比例为1:2:1的三连杆连接结构，然后按悬架稳定性的要求，将两个三连杆结构交叉设置成双菱形仿袋鼠腿车用悬架，在大腿骨连杆(3)与小腿骨连杆(5)纵向之间设置大腿气动人工肌肉(1)，在大腿骨连杆(3)与小腿骨连杆(5)横向之间设置第一弹簧阻尼器(4)，在小腿骨连杆(5)与足骨连杆(7)纵向之间设置第二弹簧阻尼器(8)，在小腿骨连杆(5)与足骨连杆(7)横向之间设置小腿气动人工肌肉(6)，其特征在于，双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计步骤为：1)、建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型：通过拉格朗日第二类方程从能量的观点建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的物理模型，从而得到系统的运动微分方程，所述系统的运动微分方程为：

【技术特征摘要】
1.一种双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计方法，首先依据袋鼠腿部结构，构造出大腿骨连杆(3)、小腿骨连杆(5)和足骨连杆(7)的比例为1:2:1的三连杆连接结构，然后按悬架稳定性的要求，将两个三连杆结构交叉设置成双菱形仿袋鼠腿车用悬架，在大腿骨连杆(3)与小腿骨连杆(5)纵向之间设置大腿气动人工肌肉(1)，在大腿骨连杆(3)与小腿骨连杆(5)横向之间设置第一弹簧阻尼器(4)，在小腿骨连杆(5)与足骨连杆(7)纵向之间设置第二弹簧阻尼器(8)，在小腿骨连杆(5)与足骨连杆(7)横向之间设置小腿气动人工肌肉(6)，其特征在于，双菱形仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的设计步骤为：1)、建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型：通过拉格朗日第二类方程从能量的观点建立双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的物理模型，从而得到系统的运动微分方程，所述系统的运动微分方程为：式中：H为系统总动能；xi为系统广义坐标；V为系统总势能；D为能量耗散函数；Qi为对应于广义坐标xi的广义力；设系统的广义坐标分别为x1、x2和x3，则系统的总动能为：系统的总势能为：系统的能量耗散函数为：将上述各式带入拉格朗日方程，则双菱形仿袋鼠腿车用悬架系统的振动模型的微分方程表达式为：式中：m1为车身和大腿骨连杆的总质量，m2为小腿骨连杆的总质量，m3为足骨连杆与车轮的总质量；k1为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间第一弹簧阻尼器的减振弹簧刚度，k2为小腿骨连杆与足骨连杆之间第二弹簧阻尼器的减振弹簧刚度，kt为轮胎刚度；c1为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间第一弹簧阻尼器的阻尼系数，c2为小腿骨连杆与足骨连杆之间第二弹簧阻尼器的阻尼系数；U1为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间大腿气动人工肌肉收缩时产生的收缩力，U2为小腿骨连杆与足骨连杆之间小腿气动人工肌肉收缩时产生的收缩力；θ为足骨连杆相对地面的角度；2)、确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架的状态空间模型采用步骤1)所述的振动模型确定双菱形仿袋鼠腿车用悬架具体的状态空间模型；取系统状态向量为：式中x1为簧载质量与大腿骨连杆质心处的垂向运动位移，为簧载质量与大腿骨连杆质心处的垂向速度，x2为小腿骨...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋勇，杜锐，王瑶，刘世闯，张小伟，史佳豪，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西,14