[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

摘要

本发明具体为一种仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的计算方法，属于车辆悬架技术领域。针对一种仿袋鼠腿结构的车用悬架性能参数求解问题，提出一种适用于该类悬架垂向性能参数的计算方法。具体为：以路面不平度为激励，建立仿袋鼠腿车用悬架的1/4车辆振动模型，针对悬架两种工作状态（被动和被‑主动）分别计算出车身的垂向振动加速度、悬架垂向动挠度和车轮、车身动位移等性能参数。通过仿真分析知，该方法可较为准确地计算出仿袋鼠腿车用悬架两种工作状态下的垂向性能参数。本发明为此类悬架垂向性能参数的计算提供了有效途径，还可为其结构优化提供参考。

主权项

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(13)与悬架的仿髋关节(1)，仿大腿骨连杆(2)，控制髋关节角度的大腿气动人工肌肉(3)与大腿肌腱弹簧(4)和大腿肌肉束阻尼器(5)，仿膝关节(6)，仿小腿骨连杆(10)，仿踝关节(12)，控制膝关节与踝关节的小腿气动人工肌肉(7)与小腿肌腱弹簧(9)和小腿肌肉束阻尼器(8)，最后是与车轮(15)相连接的仿足骨连杆(11)；其特征在于采用以下计算方法：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(15)，使其产生振动冲击，由于所述悬架的仿足骨连杆(11)与车轮(15)通过主销(14)进行连接，所以冲击载荷通过车轮(15)经由主销(14)传至悬架，并最终传至车身(13)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：M{x··(t)}+C{x·(t)}+K{x(t)}=F(t)]]>m1x··1+k1(x1-x2)sinθ1+c1(x·1-x·2)sinθ1=F12sinθ2+U1sinθ1]]>m2x··2+k2(x2-x3)sinθ3-k1(x1-x2)sinθ1+c2(x·2-x·3)sinθ3-c1(x·1-x·2)sinθ1=F23sinθ4-F12sinθ2-U1sinθ1+U2sinθ3]]>m3x··3+k3(x3-x4)-k2(x2-x3)sinθ3-c2(x·2-x·3)sinθ3=-F23sinθ4-U2sinθ3]]>其中：M为质量矩阵，m1，m2，m3分别为车身簧载质量，仿大腿骨连杆(2)质量和仿足骨连杆(11)与车轮(15)的总质量；C为阻尼比矩阵，c1，c2分别为大腿肌肉束阻尼器比和小腿肌肉束阻尼器阻尼比；K为刚度矩阵，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；F为外力矩阵，U1，U2分别为大腿气动人工肌肉(3)和小腿气动人工肌肉(7)收缩时产生的收缩力；F12，F23分别为仿大腿骨连杆(2)和仿小腿骨连杆(10)产生的垂向分力；θ1为大腿肌腱弹簧与车身之间的夹角，θ2为仿生悬架髋关节相对地面转角，θ3为仿生悬架踝关节相对地面的负转角，θ4为仿生悬架踝关节相对地面的正转角；2)一种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其具体的状态空间模型；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(2)质心处的垂向运动位移，为仿大腿骨连杆(2)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＝[F12F23U1U2x4]T，进而可得状态空间模型为：X·=DaX+DbW]]>其中，为系统状态向量X的一阶导数；Da为系统矩阵；Db为控制矩阵；Da，Db矩阵具体参数如下:Da=010000d21d22d23d2400000100d31d32d33d34d35d3600000100d63d64d65d66]]>其中：d21=-k1sinθ1m1;d22=-c1sinθ1m1;d23=k1sinθ1m1;d24=c1sinθ1m1]]>d31=k1sinθ1m2;d32=c1sinθ1m2;d33=-k2sinθ3+k1sinθ1m2]]>d34=-c2sinθ3+c1sinθ1m2;d35=k2sinθ3m2;d36=c2sinθ3m2]]>d63=k2sinθ3m3;d64=c2sinθ3m3;d65=-k3+k2sinθ3m3;d66=-c2sinθ3m3]]>Db=00000sinθ2m10sinθ1m10000000-sinθ2m2sinθ4m2-sinθ1m2sinθ3m20000000-sinθ4m30-sinθ3m3-k3m3]]>3)一种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＝DcX+DdW其中，输出矩阵Dc，直接传递矩阵Dd分别为：Dc=-k1sinθ1m1-c1sinθ1m1k1sinθ1m1-c1sinθ1m1001000-10000010]]>Dd=sinθ2m10sinθ1m1000000000001]]>4)一种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(2)、仿小腿骨连杆(10)、仿足骨连杆(11)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∶3CDsinθ1＝ADsinθ2ADsinθ2＝BDADcosθ2+CDcosθ1＝ACDEsinθ2＝DGsinθ5DG+GK＝L(L-DEsinθ2sinθ5)sinθ5+IKsinθ4=EIsinθ3]]>横向运动空间表达式：KIcosθ4+EIcosθ3＝Lcosθ5+DEcosθ2纵向运动空间表达式：AEsinθ2+EIsinθ3+IMsinθ4＝H其中：AE、EI、KG分别为仿大腿骨连杆(2)，仿小腿骨连杆(10)和仿足骨连杆(11)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；α、β、η、ξ、分别为各个角度偏转量θ2、θ1、θ5、θ3、θ4，其中θ5为小腿肌腱弹簧与地面之间的夹角，其余角度与前述角度含义相同；BD、DG、GK分别为角度计算中间量；5)一种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；本设计中将气动人工肌肉等效为变刚度的作动器，其轴向输出力的函数关系式为：Fe＝k(p,ls)lsk=a3p2+a2pls+a1ls2+a0]]>式中，k为气动人工肌肉的刚度；p为充气压力；ls为伸长量；a0,a1,a2,a3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：Fs=πED0l0t(1-ϵ)2(1sinθ0-1sinθ)cosθ0]]>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；6)一种仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数计算方法的具体步骤一种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；因此，一种仿袋鼠腿车用悬架垂向性能参数的具体计算步骤如下：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；当悬架为主‑被动工作状态时，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；悬架主‑被动工作时，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，上述两种悬架工作状态完全相同；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。