[发明专利]一种仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的计算方法

权利要求书

1.一种仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的计算方法，所述仿袋鼠腿车用悬架结构的连接形式为：依次布置连接车身与悬架的仿髋关节，仿大腿骨连杆，控制髋关节角度的大腿气动人工肌肉与大腿肌腱弹簧和大腿肌肉束阻尼器，仿膝关节，仿小腿骨连杆，仿踝关节，控制膝关节与踝关节的小腿气动人工肌肉与小腿肌腱弹簧和小腿肌肉束阻尼器，最后是与车轮相连接的仿足骨连杆；

其特征在于采用以下计算步骤：

1)建立仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型

当车辆行驶在不同路面时，路面不平度激励作用于车轮，使其产生振动冲击，由于所述悬架的仿足骨连杆与车轮通过主销进行连接，所以冲击载荷通过车轮经由主销传至悬架，并最终传至车身引起整车振动；该振动可通过如下方法进行建模，坐标原点取在各自质心的平衡位置，其振动系统的动力学微分方程为：

其中：m₁，m₂，m₃分别为车身簧载质量，仿大腿骨连杆质量和仿足骨连杆与车轮的总质量；c₁，c₂分别为大腿肌肉束阻尼器阻尼比和小腿肌肉束阻尼器阻尼比；k₁，k₂，k₃分别为大腿肌腱弹簧刚度、小腿肌腱弹簧刚度及车轮刚度；U₁，U₂分别为大腿气动人工肌肉和小腿气动人工肌肉收缩时产生的收缩力；F₁₂，F₂₃分别为仿大腿骨连杆和仿小腿骨连杆产生的垂向分力；θ₁为大腿肌腱弹簧与车身之间的夹角，θ₂为仿髋关节相对地面转角，θ₃为仿踝关节相对地面的负转角，θ₄为仿踝关节相对地面的正转角；

2)仿袋鼠腿车用悬架的状态空间模型的确定

具体如下：对1)所述的模型经整理可确定出仿袋鼠腿车用悬架的状态空间模型；取系统状态向量为：式中x₁为车身簧载质量质心处的垂向运动位移，为簧载质量质心处的垂向速度，x₂为仿大腿骨连杆质心处的垂向运动位移，为仿大腿骨连杆质心处的垂向速度，x₃为非簧载质量质心处的垂向运动位移，为非簧载质量质心处的垂向速度；取系统的输入量为：W＝[F₁₂ F₂₃ U₁ U₂ x₄]^T，x₄为路面谱激励，进而可得状态空间模型为：

其中，为系统状态向量X的一阶导数；D_a为系统矩阵；D_b为控制矩阵；D_a，D_b矩阵具体参数如下:

其中：

3)仿袋鼠腿车用悬架的状态输出模型的确定

具体如下：对1)所述的模型经整理可确定仿袋鼠腿车用悬架的输出空间模型；取系统的输出向量为：Y＝[y₁ y₂ y₃ y₄]^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-x₄，为车轮动位移，x₄为路面谱激励，进而可得状态输出模型为：

Y＝D_cX+D_dW

其中，输出矩阵D_c，直接传递矩阵D_d分别为：

4)仿袋鼠腿车用悬架各仿生关节转角关联方程的确定

具体如下：仿袋鼠腿车用悬架结构中各个仿生连杆的比例均与袋鼠腿部的比例结构一致；仿大腿骨连杆、仿小腿骨连杆、仿足骨连杆长度比例为2:5:3；其中仿生连杆的长度与悬架横向与纵向运动空间及偏转角度关系可由下列方程联立计算得出：

AE∶EI∶KG＝2∶5∶3

CD sinθ₁＝AD sinθ₂

AD sinθ₂＝BD

AD cosθ₂+CD cosθ₁＝AC

DE sinθ₂＝DG sinθ₅

DG+GK＝L

横向运动空间表达式：IK cosθ₄+EI cosθ₃＝L cosθ₅+DE cosθ₂

纵向运动空间表达式：AE sinθ₂+EI sinθ₃+IM sinθ₄＝H

其中：AE、EI、KG分别为仿大腿骨连杆，仿小腿骨连杆和仿足骨连杆的长度；

L、CD分别为小腿气动人工肌肉和大腿气动人工肌肉的长度，其长度可主动控制；

AD、AC、DE、IK、IM分别为各已知固定铰点之间的距离；其中θ₅为小腿肌腱弹簧与地面之间的夹角，θ₁～θ₄与前述角度含义相同；BD、DG、GK分别为角度计算中间量，H为垂向距离；

5)仿袋鼠腿车用悬架气动人工肌肉收缩力方程的确定

气动人工肌肉是一种新型的仿生气动执行机构，该机构由一根包裹着特殊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；将气动人工肌肉等效为变刚度作动器，其轴向输出力的函数关系式为：

F_e＝k(p,l_s)l_s

式中，k为气动人工肌肉的刚度；p为充气压力；l_s为伸长量；a₀,a₁,a₂,a₃,分别为k、p和l_s之间函数关系的系数；考虑橡胶套筒的弹性力作用，弹性力F_s为：

式中：为气动人工肌肉的收缩率；D₀,θ₀,l₀分别为充气前气动人工肌肉的初始直径、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＝F_e-F_s

通常情况U₁＞U₂；

6)仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数计算方法

仿袋鼠腿车用悬架设有两种工作状态，它们分别是被动工作状态和被-主动工作状态；悬架被动工作时，大、小腿气动人工肌肉不工作，对外无输出力；悬架被-主动工作时，大、小腿气动人工肌肉工作，对外输出收缩力U₁和U₂；

首先，参考步骤1)建立仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型，其中当悬架为被动工作状态时，大、小腿气动人工肌肉不工作，对外无输出力，即U₁＝0、U₂＝0；当悬架为被-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，其计算方法参考步骤5)；

其次，参照步骤2)确定的空间模型，悬架被动工作时其系统输入量中的U₁＝0、U₂＝0，其余参数不变；悬架被-主动工作时，大、小腿气动人工肌肉，对外输出收缩力U₁和U₂，其余参数不变；

参考步骤3)确定输出模型；

参考步骤4)计算仿生关节偏转角度，两种状态计算方法相同；

最后，将上述空间模型、输出模型和模型参数代入仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型，求解输出参数，并通过MATLAB/Simulink仿真得出仿袋鼠腿车用悬架的垂向性能参数图。