随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法，包括S1：建立含负刚度的惯容减振悬架系统的动力学模型；S2：基于步骤S1中的动力学模型，求解运动控制方程得到传递函数，推导簧载质量位移均方值的解析表达式；S3：以簧载质量位移均方值的H2范数为优化目标，优化设计悬架减振系统的参数。其中，惯容元件解决了传统动力吸振器中质量块质量过大的缺陷且便于在结构中安装，含惯容的悬架减振结构不仅降低了整车整备质量，也提高了车辆工作性能；负刚度元件的引入能够有效减少悬架系统对外部激振力的传递，减轻主结构振动烈度，含负刚度的惯容减振悬架系统能够实现更优良的减振效果。够实现更优良的减振效果。够实现更优良的减振效果。

【技术实现步骤摘要】
随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法


[0001]本专利技术属于减振悬架系统
，具体涉及一种随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法。

技术介绍

[0002]悬架系统是车架(或车身)与车桥(或车轮)之间弹性连接的机构，其主要功能是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，削弱由此引起的承载系统的振动，提高汽车行驶中的舒适性。主动和半主动减振的悬架可以显著提升行车舒适性，但由于成本高、控制时滞、结构复杂等问题，其发展和应用受到限制。被动式减振悬架具有可靠性高、成本低、结构简单等优点，广泛应用于汽车悬架减振系统中。
[0003]路面不平顺引起的车辆振动通过悬架系统传递给座椅上的驾驶员及乘客，从而对车辆的行驶平顺性、操纵稳定性、行驶系统零部件的可靠度以及驾乘人员的乘坐舒适性产生负面影响。因此，分析悬架系统的动力学特性，对被动式汽车悬架减振系统进行优化设计可以改善其传递特性，减少车辆振动和车内噪声，提高车辆行驶安全性和舒适性。
[0004]动力吸振器是通过弹性元件把辅助质量连接到振动系统上的一种减振装置，可以通过大量消耗由路面不平引起的底部随机位移激励作用在结构上产生的能量，从而实现对主结构的被动减振控制。由质量
‑
弹簧
‑
阻尼元件组成的经典Voigt型动力吸振器可通过调整附加体系的周期使之与主系统的基本周期相近，从而有效地削弱主系统的振动，降低子系统振动噪音。但是，要想达到较好的减振效果，动力吸振器中的质量块通常也将取较大的值，这不仅增加了汽车的整备质量和制造成本，也与汽车轻量化的发展趋势背道而驰。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法，解决现有技术中Voigt型动力吸振器中的质量块重量较大，增加了汽车的整备质量和制造成本，且减振效果不良的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案实现：
[0007]随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法，包括如下步骤：
[0008]S1：建立含负刚度的惯容减振悬架系统的动力学模型：
[0009]将悬架结构中弹性元件所承载的质量简化为用m表示的集中质量块，将弹性元件简化为用刚度k表示的第一弹簧，增加减振结构Y(k
n
,m
d
,k
d
,c
d
)，该减振系统与第一弹簧并联后位于车架和车桥之间，所述减振系统包括负刚度元件、惯容元件、第二弹簧和阻尼元件，其中，为惯容元件的质量为m
d
，第二弹簧的刚度为k
d
，阻尼元件的阻尼系数为c
d
、负刚度元件的刚度为k
n
；
[0010]S2：基于步骤S1中的动力学模型，求解运动控制方程得到传递函数，推导簧载质量
位移均方值的解析表达式；
[0011]S3：以簧载质量位移均方值的H2范数为优化目标，优化设计悬架减振系统的参数。
[0012]惯容器作为一种双端点机械元件，能将对质量块的直线运动转化为惯容器中飞轮的旋转运动，从而用很小的物理质量实现了千倍级参振质量的动力特性，很好地解决了传统质量块质量过大的缺陷。除惯容元件外，负刚度元件也因变形小、具有较大的承载能力、能在一定条件下降低系统的固有频率、荷载变化量与变形量方向相反从而辅助系统运动等特点而被广泛应用于减振结构。因此本专利技术将惯容元件和负刚度元件引入被动式悬架系统的减振设计，建立含负刚度的惯容减振悬架系统动力学模型，并在此基础上以随机位移激励下簧载质量位移均方值的H2范数为优化目标，得出减振系统的最优设计参数。本专利技术可在保证汽车整备质量和可移动性的基础上，有效提高车辆行驶安全性和舒适性。
[0013]进一步优化，所述步骤S1中，该减振系统包括如下两种形式：
[0014]第一种形式为：惯容元件和负刚度元件并联，第二弹簧和阻尼元件并联，两个并联组件串联，记为含负刚度的混联型惯容减振悬架系统(N
‑
SPIS
‑
I)；
[0015]第二种形式为：惯容元件和负刚度元件并联后与阻尼c
d
和惯容m
i
并联后与弹簧k
d
串联，记为含负刚度的串联型惯容减振悬架系统(N
‑
SIS)。
[0016]进一步优化，所述步骤S2中，根据达朗贝尔原理，两种惯容减振悬架系统的动力学模型的运动控制方程如下：
[0017]含负刚度的混联型惯容减振悬架系统的运动控制方程：
[0018][0019]含负刚度的串联型惯容减振悬架系统的运动控制方程：
[0020][0021]其中，各元件之间连接节点的位移用x
n
表示，n＝1,2,3；u为悬架系统底部受到由路面不平引起的垂向位移激励u(t)，其中t为时间，该位移激励的频率为ω。
[0022]进一步优化，所述步骤S2中，推导簧载质量位移均方值的解析表达式的过程如下：
[0023]引入如下参数：质量比刚度比负刚度比固有频率阻尼比频率比
[0024]将其代入上述运动控制方程中，进行拉普拉斯变换后得到簧载质量的传递函数：
[0025][0026]其中，X1‑
i
表示不同形式减振系统主结构的振幅，U表示地面位移激励的振幅，s＝jλ，为复数单位。i＝1、2，分别对应含负刚度的混联型惯容减振结构(N
‑
SPIS
‑
I)和含
负刚度的串联型惯容减振结构(N
‑
SIS)；
[0027]含负刚度的混联型惯容减振结构中传递函数的系数表达式如下：
[0028][0029]含负刚度的串联型惯容减振结构中传递函数的系数表达式如下：
[0030][0031]进一步优化，所述步骤S3中，以功率谱密度为S(ω)＝S0的随机白噪声激励模拟路面的不平度，则含负刚度的不同惯容减振模型簧载质量的位移均方值可表示为：
[0032][0033]无量纲化位移均方值响应，令：
[0034][0035]由留数定理可以得到各减振系统簧载质量的无量纲化位移均方值解析解，其中，含负刚度的混联型惯容减振结构的无量纲化位移均方值解析解如下：
[0036][0037]含负刚度的串联型惯容减振结构的无量纲化位移均方值解析解如下：
[0038][0039]随机激励下基于主结构位移均方值H2范数的优化目标是主结构响应曲线下的面积最小化，即簧载质量的位移均方值最小。
[0040]下面以含负刚度的混联型惯容减振结构为例，简述其参数优化过程。含负刚度的混联型惯容减振模型的位移均方表达式可整理成如下形式：
[0041][0042]其中，
[0043]根据数学原理，可得N
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立含负刚度的惯容减振悬架系统的动力学模型：将悬架结构中弹性元件所承载的质量简化为用m表示的集中质量块，将弹性元件简化为用刚度k表示的第一弹簧，增加减振结构Y(k
n
,m
d
,k
d
,c
d
)，该减振系统与第一弹簧并联后位于车架和车桥之间，所述减振系统包括负刚度元件、惯容元件、第二弹簧和阻尼元件，其中，为惯容元件的质量为m
d
，第二弹簧的刚度为k
d
，阻尼元件的阻尼系数为c
d
、负刚度元件的刚度为k
n
；S2：基于步骤S1中的动力学模型，求解运动控制方程得到传递函数，推导簧载质量位移均方值的解析表达式；S3：以簧载质量位移均方值的H2范数为优化目标，优化设计悬架减振系统的参数。2.根据权利要求1所述的随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，该减振系统包括如下两种形式：第一种形式为：惯容元件和负刚度元件并联，第二弹簧和阻尼元件并联，两个并联组件串联，记为含负刚度的混联型惯容减振悬架系统；第二种形式为：惯容元件和负刚度元件并联后与阻尼c
d
和惯容m
i
并联后与弹簧k
d
串联，记为含负刚度的串联型惯容减振悬架系统。3.根据权利要求2所述的随机位移激励下含有负刚度和惯容器协作的悬架系统减振设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据达朗贝尔原理，两种惯容减振悬架系统的动力学模型的运动控制方程如下：含负刚度的混联型惯容减振悬架系统的运动控制方程：含负刚度的串联型惯容减振悬架系统的运动控制方程：其中，各元件之间连接节点的位移用x
n

【专利技术属性】
技术研发人员：王珏，张莹，项颖，单柯，张玉全，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：