忆惯容器非线性悬架的网络综合设计方法

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.210677

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (9): 78-89.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.210677

所属专题： 2022年交通运输工程

忆惯容器非线性悬架的网络综合设计方法

聂佳梅¹ 黄小荣¹ 张孝良² 韦颢¹

^1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013
^2.江苏大学汽车工程研究院，江苏镇江 212013

收稿日期:2021-10-25 出版日期:2022-09-25 发布日期:2022-02-11
通信作者: 聂佳梅（1981-），女，博士，副教授，主要从事车辆动态性能模拟与控制研究。 E-mail:niejm@ujs.edu.cn
作者简介:聂佳梅（1981-），女，博士，副教授，主要从事车辆动态性能模拟与控制研究。E-mail:niejm@ujs.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金青年项目(51805223)

Network Synthesis Design Method of Nonlinear Mem-inerter Suspension System

NIE Jiamei¹ HUANG Xiaorong¹ ZHANG Xiaoliang² WEI Hao¹

^1.School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China
^2.Automotive Engineering Research Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China

Received:2021-10-25 Online:2022-09-25 Published:2022-02-11
Contact: 聂佳梅（1981-），女，博士，副教授，主要从事车辆动态性能模拟与控制研究。 E-mail:niejm@ujs.edu.cn
About author:聂佳梅（1981-），女，博士，副教授，主要从事车辆动态性能模拟与控制研究。E-mail:niejm@ujs.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51805223)

摘要/Abstract

摘要：

忆惯容器与电学中的忆容器对应，是一种具有记忆特性和自适应性的非线性被动元件。目前，非线性的阻尼与弹簧元件已有广泛研究，而非线性的忆惯容器及其在悬架上的应用却鲜有报道，忆惯容器悬架的结构与参数设计仍是一个难题。为此，本研究根据能量方法证明了忆惯容器的等效惯质定理，基于该定理提出一种忆惯容器非线性悬架的网络综合设计方法，包括结构综合与参数综合。结构综合将悬架网络看作一个鲁棒控制器，通过求解控制器的方法获得忆惯容器悬架结构。参数综合运用多目标参数优化方法确定悬架的系统参数，并根据实际工程情况计算得到悬架的装配参数。在此基础上设计了一阶及高阶忆惯容器悬架网络系统，并给出了1/4车辆模型的动力学方程。对悬架模型进行仿真分析，在正弦激励输入下的传递特性表明，各阶忆惯容器悬架都具有良好的载荷适应性。随机路面输入下的响应特性显示，与对应的线性悬架相比，采用网络综合方法设计的各阶忆惯容器非线性悬架的车身加速度出现了明显的降低，轮胎动载荷得到了改善，表现出了更好的行驶平顺性和操纵稳定性，表明悬架网络综合设计方法是可行的。

关键词: 忆惯容器, 网络综合, 等效惯质定理, 参数优化, 载荷适应性

Abstract:

Mem-inerter, corresponding to the memcapacitor in electricity, is a nonlinear passive element with memory characteristics and adaptability. At present, nonlinear damper and spring have been widely studied, but there are few reports on nonlinear mem-inerter and its application in suspension. The structure and parameter design of mem-inerter suspension is still a difficult problem. Under this background, this study proved the equivalent inertance theorem of the mem-inerter according to the energy method. Based on this theorem, it proposed a network synthesis design method for the nonlinear suspension system of the mem-inerter, including structure synthesis and parameter synthesis. The structure synthesis regards the suspension network as a robust controller and obtains the mem-inerter suspension structure by solving the controller. The multi-objective parameter optimization method was used to determine the system parameters of the suspension, and the assembly parameters of the suspension were calculated based on the actual engineering situation. On this basis, the first-order and high-order mem-inerter suspension network system were designed, and the dynamic equations of 1/4 vehicle model was given. The simulation analysis of the suspension model was carried out. The transmission characteristics under sinusoidal excitation input show that each order of mem-inerter suspension has good load adaptability. The response characteristics under random road input show that compared with the corresponding linear suspension, the body acceleration of each order of nonlinear mem-inerter suspension designed by the network synthesis method is significantly reduced, and the dynamic tire load is improved, showing better driving comfort and handling stability and indicating the feasiblity of the suspension network synthesis design method.

Key words: mem-inerter, network synthesis, equivalent inertance theorem, parameter optimization, load adaptability

中图分类号:

U463.33

聂佳梅, 黄小荣, 张孝良, 等. 忆惯容器非线性悬架的网络综合设计方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(9): 78-89.

NIE Jiamei, HUANG Xiaorong, ZHANG Xiaoliang, et al. Network Synthesis Design Method of Nonlinear Mem-inerter Suspension System[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(9): 78-89.

图/表 17

图1

图2

图3

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表1

表2

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表4

图5

图6

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图9

图10

表5

表6

表7

参考文献 23

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悬架类别	元件参数	下限值	上限值
一阶	阻尼系数c/（N·s·m^-1）	500	5 000
一阶	惯质系数b/kg	50	2 000
二阶	阻尼系数c/（N·s·m^-1）	500	5 000
	惯质系数b/kg	50	2 000
	弹簧刚度k/（N·m^-1）	5 000	20 000
三阶	阻尼系数c₁/（N·s·m^-1）	500	5 000
	阻尼系数c₂/（N·s·m^-1）	100	2 000
	惯质系数b/kg	50	2 000
	弹簧刚度k₁/（N·m^-1）	1 000	20 000
	弹簧刚度k₂/（N·m^-1）	1 000	20 000

悬架类别	元件参数	数值
一阶	阻尼系数c/（N·s·m^-1）	1 901
一阶	惯质系数b/kg	1 275
二阶	阻尼系数c/（N·s·m^-1）	1 208
	惯质系数b/kg	360
	弹簧刚度k/（N·m^-1）	9 680
三阶	阻尼系数c₁/（N·s·m^-1）	1 633
	阻尼系数c₂/（N·s·m^-1）	503
	惯质系数b/kg	1 075
	弹簧刚度k₁/（N·m^-1）	2 099
	弹簧刚度k₂/（N·m^-1）	2 027

工作点	悬架类别	惯质系数b/kg
半载	一阶	944
	二阶	266
	三阶	890
空载	一阶	606
	二阶	175
	三阶	696

悬架类别	参数种类	参数名称	数值
一阶	结构参数	惯质常数b₀/（kg·m^-1）	8 362.5
	结构参数	活塞宽度w/m	0.14
	装配参数	满载静平衡位置L_f/m	0.152
	装配参数	空载静平衡位置L_n/m	0.072
二阶	结构参数	惯质常数b₀/（kg·m^-1）	3 304
	结构参数	活塞宽度w/m	0.10
	装配参数	满载静平衡位置L_f/m	0.109
	装配参数	空载静平衡位置L_n/m	0.053
三阶	结构参数	惯质常数b₀/（kg·m^-1）	9 718
	结构参数	活塞宽度w/m	0.14
	装配参数	满载静平衡位置L_f/m	0.110
	装配参数	空载静平衡位置L_n/m	0.071

车辆载荷	车辆响应	线性惯容器悬架	忆惯容器悬架	降幅/%
满载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	0.916 6	0.917 5	-0.1
	悬架动行程/m	0.011 0	0.010 4	5.5
	车轮动载荷/kN	0.739 0	0.735 9	0.4
半载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	1.100 0	0.995 3	9.5
	悬架动行程/m	0.009 5	0.009 3	2.1
	车轮动载荷/kN	0.737 0	0.661 7	10.2
空载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	1.412 7	1.204 3	14.8
	悬架动行程/m	0.008 4	0.008 4	0.0
	车轮动载荷/kN	0.741 0	0.629 5	15.0

忆惯容器非线性悬架的网络综合设计方法

Network Synthesis Design Method of Nonlinear Mem-inerter Suspension System

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车辆载荷	车辆响应	线性惯容器悬架	忆惯容器悬架	降幅/%
满载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	0.899 3	0.898 4	0.1
	悬架动行程/m	0.011 8	0.011 1	5.9
	轮胎相对动载荷/kN	0.745 4	0.735 8	1.3
半载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	1.080 4	0.976 6	9.6
	悬架动行程/m	0.010 1	0.009 3	7.9
	轮胎相对动载荷/kN	0.743 7	0.664 5	10.6
空载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	1.383 1	1.109 2	19.8
	悬架动行程/m	0.008 7	0.008 6	1.1
	轮胎相对动载荷/kN	0.746 3	0.632 9	15.2

车辆载荷	车辆响应	线性惯容器悬架	忆惯容器悬架	降幅/%
满载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	0.895 1	0.896 2	-0.1
	悬架动行程/m	0.010 7	0.010 4	2.8
	车轮动载荷/kN	0.754 9	0.752 7	0.3
半载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	1.072 6	0.945 6	11.8
	悬架动行程/m	0.009 5	0.009 4	1.1
	车轮动载荷/kN	0.751 5	0.675 5	10.1
空载	车身垂向加速度/（m·s^-2）	1.372 6	1.068 7	22.1
	悬架动行程/m	0.008 6	0.008 6	0.0
	车轮动载荷/kN	0.753 8	0.616 9	18.2

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