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惯容及其在车辆悬架系统中的应用 版权信息
- ISBN：9787030747648
- 条形码：9787030747648 ; 978-7-03-074764-8
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
惯容及其在车辆悬架系统中的应用 内容简介
本书介绍惯容在车辆悬架系统应用中近期新的理论成果和应用进展，主要分为七个章节。**章介绍惯容的提出背景、物理实现、国内外研究现状以及半主动惯容的概念。第二章和第三章分别介绍给定结构和基于低阶导纳网络的含惯容无源悬架系统设计，属于无源被动悬架设计内容。第四章~第六章介绍半主动悬架系统设计，分别从无源惯容、半主动惯容、天棚惯容三个方面展开。*后在第七章总结惯容在车辆悬架系统中的应用及发展趋势。
惯容及其在车辆悬架系统中的应用 目录
目录
前言
第1章 惯容及车辆模型简介 1
1.1 惯容与无源机械网络概述 1
1.1.1 惯容的概念 1
1.1.2 无源机械网络 3
1.1.3 惯容的物理实现 5
1.1.4 半主动惯容 12
1.1.5 惯容的研究现状 14
1.1.6 一类低复杂度机械网络 21
1.1.7 传递函数H2范数解析计算方法 23
1.2 车辆模型简介 26
1.2.1 四分之一车模型 26
1.2.2 几种常见的性能指标 27
1.3 小结 29
第2章 给定结构的含惯容无源悬架系统设计 30
2.1 性能指标解析表达式 30
2.2 单一性能指标直接对比分析 37
2.3 单一性能指标*优性能分析 41
2.4 多性能指标分析 44
2.5 小结 50
第3章 基于低阶导纳机械网络的无源悬架系统设计 51
3.1 低阶导纳无源悬架性能分析 52
3.1.1 低阶导纳函数正实性判据 52
3.1.2 设计方法 53
3.1.3 仿真结果 54
3.2 一类特殊低阶导纳无源悬架设计 57
3.2.1 一类特殊的低阶正实导纳函数 58
3.2.2 系统建模与问题描述 59
3.2.3 H2优化方法 67
3.2.4 数值仿真 70
3.3 小结 76
第4章 基于惯容的半主动悬架系统设计 77
4.1 问题描述 77
4.1.1 含惯容的半主动悬架结构 77
4.1.2 无源部分设计 79
4.1.3 次优控制律设计 81
4.2 无源部分为给定结构的半主动悬架性能分析 82
4.2.1 基于四分之一车辆模型仿真 82
4.2.2 基于全车模型的仿真 87
4.3 无源部分为低阶导纳机械网络的半主动悬架性能分析 93
4.3.1 基于四分之一车辆模型仿真 93
4.3.2 基于全车模型的仿真 97
4.4 小结 100
第5章 基于半主动惯容的半主动悬架系统设计 101
5.1 面向控制的半主动惯容模型 102
5.2 反状态空间结构和状态导数反馈控制 103
5.3 基于主动力跟踪策略的半主动悬架 104
5.3.1 四分之一车辆模型与目标主动控制律 104
5.3.2 主动力跟踪策略 107
5.3.3 仿真结果 109
5.4 全车模型仿真 115
5.4.1 全车模型 115
5.4.2 半主动悬架主动力跟踪方法 117
5.4.3 仿真结果 118
5.5 小结 122
第6章 基于天棚惯容的悬架系统设计及其半主动实现 124
6.1 问题描述 125
6.2 天棚惯容悬架的性能 126
6.3 天棚惯容的半主动实现 128
6.3.1 通断天棚控制 129
6.3.2 防抖振通断控制 130
6.3.3 连续天棚控制 131
6.4 数值仿真 132
6.4.1 路面模型 132
6.4.2 仿真结果 132
6.5 小结 140
参考文献 141
前言
第1章 惯容及车辆模型简介 1
1.1 惯容与无源机械网络概述 1
1.1.1 惯容的概念 1
1.1.2 无源机械网络 3
1.1.3 惯容的物理实现 5
1.1.4 半主动惯容 12
1.1.5 惯容的研究现状 14
1.1.6 一类低复杂度机械网络 21
1.1.7 传递函数H2范数解析计算方法 23
1.2 车辆模型简介 26
1.2.1 四分之一车模型 26
1.2.2 几种常见的性能指标 27
1.3 小结 29
第2章 给定结构的含惯容无源悬架系统设计 30
2.1 性能指标解析表达式 30
2.2 单一性能指标直接对比分析 37
2.3 单一性能指标*优性能分析 41
2.4 多性能指标分析 44
2.5 小结 50
第3章 基于低阶导纳机械网络的无源悬架系统设计 51
3.1 低阶导纳无源悬架性能分析 52
3.1.1 低阶导纳函数正实性判据 52
3.1.2 设计方法 53
3.1.3 仿真结果 54
3.2 一类特殊低阶导纳无源悬架设计 57
3.2.1 一类特殊的低阶正实导纳函数 58
3.2.2 系统建模与问题描述 59
3.2.3 H2优化方法 67
3.2.4 数值仿真 70
3.3 小结 76
第4章 基于惯容的半主动悬架系统设计 77
4.1 问题描述 77
4.1.1 含惯容的半主动悬架结构 77
4.1.2 无源部分设计 79
4.1.3 次优控制律设计 81
4.2 无源部分为给定结构的半主动悬架性能分析 82
4.2.1 基于四分之一车辆模型仿真 82
4.2.2 基于全车模型的仿真 87
4.3 无源部分为低阶导纳机械网络的半主动悬架性能分析 93
4.3.1 基于四分之一车辆模型仿真 93
4.3.2 基于全车模型的仿真 97
4.4 小结 100
第5章 基于半主动惯容的半主动悬架系统设计 101
5.1 面向控制的半主动惯容模型 102
5.2 反状态空间结构和状态导数反馈控制 103
5.3 基于主动力跟踪策略的半主动悬架 104
5.3.1 四分之一车辆模型与目标主动控制律 104
5.3.2 主动力跟踪策略 107
5.3.3 仿真结果 109
5.4 全车模型仿真 115
5.4.1 全车模型 115
5.4.2 半主动悬架主动力跟踪方法 117
5.4.3 仿真结果 118
5.5 小结 122
第6章 基于天棚惯容的悬架系统设计及其半主动实现 124
6.1 问题描述 125
6.2 天棚惯容悬架的性能 126
6.3 天棚惯容的半主动实现 128
6.3.1 通断天棚控制 129
6.3.2 防抖振通断控制 130
6.3.3 连续天棚控制 131
6.4 数值仿真 132
6.4.1 路面模型 132
6.4.2 仿真结果 132
6.5 小结 140
参考文献 141
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惯容及其在车辆悬架系统中的应用 节选
第1章惯容及车辆模型简介 1.1惯容与无源机械网络概述 1.1.1惯容的概念 惯容（inerter）是剑桥大学Smith教授[1]在2002年提出的一种双端点机械储能元件。其特性是作用在两个端点的大小相等、方向相反的力正比于两个端点间的相对加速度。惯容的符号表示如图1.1所示。其端口特性表示为 （1.1） 其中，比例系数b称为惯容量（inertance），单位为kg;v1和v2为两端点的速度。 惯容*典型的应用案例当属其在一级方程式赛车悬架系统中的成功应用。Smith教授在发明惯容后，分析证实了惯容可有效提升车辆悬架系统的性能。因此，在申请专利后，Smith与迈凯伦车队展开合作，签署了一份在一级方程式赛车中有限时间内使用惯容专有权的协议[2]。在研发过程中，迈凯伦车队为迷惑竞争对手，保持其在惯容技术上的优势，为惯容创造了一个极具误导性的名字一J-阻尼器（J-damper）。事实上，J-阻尼器并非真正的阻尼器，J字也没有任何实际意义。这一策略起到了效果，竞争对手并未发现J-阻尼器与Smith教授团队惯容技术的关系，使Smith教授团队可以持续公开发表惯容的相关研究进展。2005年，著名车手Raikkonen驾驶首次在悬架系统中安装了惯容的F1赛车迈凯伦MP4~20以绝对优势获得西班牙大奖赛的冠军。由此各车队对J-阻尼器产生极大的兴趣。之后，经历2007年迈凯伦车队与雷诺车队的“间谍门”的发酵，2008年Autosport公开了J-阻尼器的真面目，揭示了J-阻尼器与Smith教授团队的关系－J-阻尼器就是惯容[3]。随着惯容技术的公开，目前惯容已经被其他一级方程式车队相继采用。 提出惯容的主要原因之一是，解决机械系统与电气系统之间的力-电流类比关系中质量与电容类比不完善的问题。在力-电流类比关系中，机械系统的力、速度、惯性参考系固定点、动能和势能可分别类比于电气系统中的电流、电压、电气接地、电能和磁能。从元件的动态特性看，机械网络中的弹賛和阻尼器可以完美地类比于电气系统中的电感和电阻，但是质量和电容之间的相似性却存在缺陷，即与质量元件类比的电气元件应该是一端接地的电容。牛顿第二定律表明，质量元件所承受的力与其相对于惯性参考系中固定点的加速度有关。这意味着，质量元件的一个端点是惯性参考系中的固定点，即机械地，另一个端点是它本身的质心。众所周知，在电气系统中，电容不是必须接地的。考虑与质量元件相似的电气元件是接地的电容，机械网络中找不到与不接地电容相似的机械元件。这就意味着，对于一个含有不接地电容的电路，无法找到一个由弹簧、阻尼器、质量构成的机械网络与之类比。反过来讲，与弹簧、阻尼器和质量构成的机械网络类比的电路网络中所有的电容必须接地。若把全部电阻、电感、电容构成的电路网络看作大的网络空间，弹簧、阻尼器、质量构成的机械网络类比的电路网络空间仅是该空间的一个子空间。从性能角度来看，这从理论上限制了无源机械网络的*佳性能。 提出惯容的另一重要原因是解决质量元件在机械阻抗综合中存在的一个无法避免的缺点，即在采用机械阻抗综合的方法设计机械装置时，常常将满足机械阻抗函数的装置视为“黑箱”，并且认为这个“黑箱”的质量相对于整个系统的其他部分质量来讲可以忽略不计。这样设计的机械装置特性才接近于设定的机械阻抗“黑箱”。然而，当采用质量元件实现机械阻抗时，有时难免需要很大的质量才使整个装置动态接近设定的机械阻抗，但大的质量必然违反“黒箱”，具有可忽略的质量这一前提条件。因此，以质量为基础的机械阻抗综合方法存在明显的不足。 惯容的提出可以有效地解决以上两个问题。从惯容的定义可以看出，它是一种具有与电容相似的外部特性的二端点机械元件。随着惯容的提出，机电类比关系中质量和电容的对应关系不完美的问题得到了解决，一个含有不接地电容的电路可以直接类比于一个由弹簧、阻尼器、惯容构成的机械网络。反过来，机械网络设计可直接借鉴电路网络综合方法，为机械系统设计提供系统有效的方法。惯容提出后得到的机械元件和电路元件之间的对应关系如图1.2所示。由于惯容的等效质量（即惯容量）远大于其本身实际质量，因此机械阻抗综合中的要求质量可忽略的问题也得到了很好地解决。 值得注意的是，除了力-电流类比关系外，机电系统类比中还存在力-电压等类 1.1惯容与无源机械网络概述 比关系。虽然惯容的提出解决了力-电流类比关系不完善的问题，但就其作为一类标准机械元件来看，惯容的特性与使用何种类比关系无关。惯容在机械系统中存在一些独*的性质，如可以实现巨大的“虚拟”质量（等效质量）、与同为机械储能元件的弹簧对偶等。这些机械上的独有性质使惯容在各类机械系统中存在可以利用的一些天然优势。 1.1.2无源机械网络 惯容的提出使机械网络和电路网络建立了一一对应的关系，因此可以借鉴电路网络综合中成熟丰富的理论结果来设计机械网络。参照电路网络的定义方法，对于一个机械系统，一个机械网络的终点称为节点或端点。一端口定义为一对端点，有两个等大反向的力F施加在这对端点上，其中这对端点的相对速度为V。在已经建立的机械网络和电路网络之间的力-电流类比W中，力是一个穿越变量（through variables），速度是一个横跨变量（across variables）。机械导纳y（s）定义为穿越变量与横跨变量之比，即力与速度之比。 用力-速度对（F，v）表示的机械单端口网络，如果所有容许的v和F在的时间内都满足平方可积的条件，即 那么该机械单端口网络是无源的。 根据这个定义，无源网络不能向外部环境提供能量。将表示为线性时，不变双端点网络的实有理阻抗或导纳函数，当且仅当其导纳函数为正实（positive real）时，该机械网络是无源的。实有理函数的正实性定义为，设Y（s）是实有理函数，如果在复平面的右半开平面，即对所有的s满足Reh），有Re（F（s）），那么Y（s）被定义为正实的。 正实性的其他判断方法如下。对于一个实有理函数G（s），若满足下述条件。 ①G（s）在Re（s）>0域内是解析的。 ②对所有jw不是Z（s）极点的u满足，其中j2=-1。 ③虚轴及无穷大处的极点全是单极点，并且其留数非负。那么实有理函数G（s）是正实的。 Chen等[6]给出一种新的等价正实判据方法。该方法无须计算留数，从而进一步简化了一般正实函数的正实性判别。 定理1.1考虑实有理函数Z（s）=p（S）/g（S），多项式p（s）和q（s）在Re（s）>0处无公共根，则Z⑷为正实函数的充分必要条件如下[6U ①P（s）+g（s）在Re（s）>0处无根。 ②Z（s）在虚轴上满足。 定理1.1为网络综合与应用结合打开了空间。 下面的定理是正实阻抗和导纳电路综合中的一个基本结果。 定理1.2考虑任意实有理正实函数F⑷[或么⑷]，必存在一个由电感、电阻、电容的有限互连组成的单端口电路网络。其网络阻抗（或导纳）等于WsM或Z（s）。 根据定理1.2，以及机械网络与电路网络之间的力-电流类比关系，任意实数有理正实函数均可实现为由弹簧、阻尼器、惯容的有限互连构成的机械网络。近年来，始于Chen等的研究工作一系列机械网络综合的成果都采用文献問，[10]中设定的低复杂度网络综合元件提取方法的框架。其综合方法的思想可概括如下（提取原件的类型可视具体问题而调整）。 算法1.1步骤1，提取m个阻尼器及I个惯容形成仅含弹簧的（m+Z+1）端口网络X。假定网络X的阻抗（或导纳）矩阵存在，记为sL，其中为半正定矩阵。 步骤2，一端口机械网络的导纳函数可表示为，其中的系数可由矩阵的元素、阻尼器和惯容的元件值和，表示。 步骤3， 步骤4，利用半正定矩阵对于端口纯电阻网络的实现，推得任意正实导纳函数对于含m个阻尼器、I个惯容及任意数量弹簧的一端口机械网络的实现条件。 步骤5，给出可实现所有情形的一组网络结构，其中每个网络含尽可能少的弹賛。 关于含惯容的机械网络综合参见文献。 1.1.3惯容的物理实现 从惯容的概念被提出到现在，已经出现多种惯容的实现方式，主要有齿轮齿条惯容、滚珠丝杠惯容、液压惯容、液体惯容和气体惯容。此外，根据实现中是否使用飞轮，可以分为基于飞轮的惯容和无飞轮惯容这两类。 图1.3（a）展示了齿轮齿条惯容的示意图，它采用齿轮-齿条啮合机构作为传动机构。其工作原理为，当大小相等、方向相反的力F作用在惯容的两个端点时，端点2相对于端点1发生位移，经过齿条与小齿轮、大齿轮和飞轮之间的啮合传动，将两个端点的相对直线运动转化为飞轮的旋转运动。 设齿条小齿轮的半径为r1大齿轮的半径为r2，飞轮小齿轮的半径为r3，飞轮的半径、质量、线速度、动能分别为r、m、vf、E，端点1和端点2的相对速度为％其他元件的质量可以忽略，那么 （1.2） 其中，因此有 （1.3） 忽略损耗，根据能量守恒定律可知，力F做的功等于飞轮的动能E’因此力F的功率等于飞轮的动能随时间t的变化率，即 （1.4） （1.5） 根据惯容的定义可知，齿轮齿条惯容的惯容量为 （1.6） 显然，如果a1和a2大于1，那么惯容量就大于飞轮的质量m。这意味着，惯容有放大飞轮质量的功能。例如，如果，这两个值在实际中是很容易实现的，那么惯容量将是飞轮质量的256倍。图1.3（b）显示了剑桥大学工程学院制造的一个齿轮齿条惯容。这个结构的总质量大约是3.5kg，实现的惯容量*大可达到725kg。 齿轮齿条惯容可以承受较大的负载并实现较大的惯性，但是齿轮之间无法消除的摩擦和背隙会增加齿轮齿条惯容的非线性。针对齿轮齿条惯容的这一缺陷进行改进，惯容的第二种实现，即滚珠丝杠惯容被提出。与齿轮齿条惯容相比，滚珠丝杠惯容的摩擦极少，背隙可以通过预紧消除。图1.4（a）展示了滚珠丝杠惯容的示意图，图1.4（b）展示了剑桥大学工程学院制造的一个样机。其真实质量大约是1kg，实现的惯容量*大可达到180kg。 以图1.4(a)为例，设飞轮的能量、角速度、转动惯量为E、w、J，端点1和端点2的相对速度为％丝杠的螺距为P。为方便推导，丝杠绕其轴旋转一周时刚好在轴向前进或后退一个螺距P的距离，所以由 （1.7） 可得 （1.8）
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