高速客车悬挂系统静挠度分配对运行平稳性的影响

为提高高速客车乘坐的舒适性,以悬挂系统静挠度为研究对象,讨论了二系和一系悬挂静挠度比与总静挠度的关系.根据振动理论及多体系统动力学原理,研究了不同静挠度比下二自由度车轮荷重系统受迫振动的特点,建立了高速客车分析模型,分析了不同速度下一系和二系静挠度分配对高速车辆运行平稳性的影响.研究结果表明:对于车轮荷重系统,在低于4 Hz的频段中,车体加速度随挠度比的增大而减小,在高于4 Hz的频段,挠度比为1.0和2.0时,车体加速度较小;随着静挠度比增大,构架振动加剧,车体横向平稳性略有降低,频率在2～10 Hz之间车体垂向振动明显变大,静挠度比为0.5和8.0时的垂向平稳性指标比静挠度比为2.0时的计算结果分别高出1.5%和6.0%.      

单轴转向架跨座式单轨车辆的主动控制研究

为提高单轴转向架跨座式单轨车辆的运行品质,以某型单轴转向架跨座式单轨车辆为研究对象,建立了15自由度单轴单轨车辆的主动控制动力学模型.在此基础上,设计了一种自适应神经模糊推理系统PID(ANFIS-PID)控制器,以抑制车体的横向振动和垂向振动,并与原始单轨和PID控制单轨进行了对比.研究结果表明:相比于原始单轨,PID控制单轨和ANFIS-PID控制单轨的横向加速度均方根值分别降低了48.37％和89.06％,垂向加速度均方根值分别降低了19.41％和34.32％;横向加速度峰值分别降低了53.00％和90.30％,垂向加速度峰值分别降低了21.72％和37.60％.ANFIS-PID控制单轨优于PID控制单轨,能显著提高单轨车辆的运行品质.     

高速列车横向半主动悬挂系统模糊控制

为了抑制由高速车体摇头引起的车体横向振动,构造了高速列车横向半主动悬挂系统模糊控制结构,采用模糊控制策略,以减振器的实际阻尼力和车体、构架的横向振动加速度为反馈输入,对车体前后横向悬挂系统的可调减振器进行双闭环反馈独立控制.以美国六级轨道谱为输入,在列车运行速度为270 km·h-1时,结合表征列车悬挂系统横向振动特征的17自由度动力学模型,对半主动悬挂机车和被动悬挂机车的横向振动、摇头振动进行计算.计算结果表明:采用半主动悬挂的高速车体平稳性改善了12.54%,摇头振动幅值减少了35.00%,横向振动幅值减少了48.45%,在车体固有频率(1～6 Hz)附近,车体横向振动、摇头振动抑制达到50%.可见,该控制结构和控制策略能够明显抑制车体横向振动.     

车下设备对车体振动的影响

为了考虑车体的弹性振动,将车体等效成欧拉伯努利梁,建立了车体与设备垂向耦合振动模型,研究了车下设备刚性悬挂与弹性悬挂对车体振动幅频特性的影响。基于模态叠加法原理建立了考虑车体弹性振动和车下设备的高速动车组三维刚柔耦合动力学模型,分析了车下设备悬挂方式、重心偏载与弹性悬挂参数对车体振动响应的影响规律。采用欧拉伯努利梁模型的数值分析结果表明：基于动力吸振器原理,当车下设备采用合理的弹性悬挂参数时能够有效抑制车体的弹性振动,并提高车体的垂向弯曲频率。采用三维刚柔耦合动力学模型仿真结果表明：车辆运行速度越高弹性悬挂的优点越明显,车下设备横向偏载主要影响车体的横向振动特性,纵向偏载主要影响车体的垂向振动特性;当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时能够降低车体的整体振动水平,当车下设备的悬挂频率低于车体的垂向弯曲频率时,提高车下设备弹性悬挂系统的阻尼能够在一定程度上抑制车体的弹性振动。     

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题,提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理,研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施;根据某动力车结构参数,建立车辆横向动力学模型,结合半经验非线性涡激振子模型,实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明:单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因;减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施;针对该动力车,需避免较低等效锥度的轮轨接触,以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧;当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m-1减小到400 kN·s·m-1,涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%;车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时,可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值,并能兼顾车体前后端横向平稳性。      

基于二系垂向作动器与压电作动器的动车组车体振动控制

为了减小高速动车组车体刚性与弹性振动, 提出了一种基于二系垂向作动器与车体压电作动器的高速动车组车体振动主动控制方法; 基于某型高速动车组, 设计了一种在车辆二系安装垂向作动器, 在车体底架布置压电作动器, 运用H_∞鲁棒最优控制器进行车辆协调控制的主动减振方法; 建立了基于车辆动力学参数的刚柔耦合减振力学模型, 采用H₂及H_∞准则优化压电作动器与压电传感器布置位置, 运用鲁棒最优控制方法设计了H_∞反馈控制器; 利用MATLAB仿真了减振装置与主动控制方法对车辆动力学性能的影响, 比较了被动悬挂车辆、仅安装二系垂向作动器车辆与采用主动控制车辆的动力学性能差异。研究结果表明: 压电作动器与压电传感器布置在距车体左端距离为7.15、12.25、17.35m处车体一阶及二阶弹性模态归一化H₂及H_∞范数最大, 可以作为压电作动器与传感器的布置位置; 基于二系垂向作动器与车体压电作动器的鲁棒最优控制方法能够有效地抑制车体的振动, 一阶垂弯振动频率处车体中部和转向架上方的加速度功率谱分别减小为被动悬挂车辆的5%、10%;速度越大, 振动加速度抑制效果越明显, 当车辆的运行速度为200km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小10%, 当车辆的运行速度为350km·h-1时, 车体振动加速度均方根减小18%;相对于被动悬挂, 二系垂向作动器输出力功率谱在车体浮沉与点头振动频率处的量级为106 N2·Hz-1, 对车体刚性振动有较大抑制作用, 压电作动器电压功率谱在车体一阶垂弯振动频率处达到峰值4 000V2·Hz-1, 对车体弹性振动有较大抑制作用。      

基于磁流变阻尼器的铁道车辆模糊半主动控制

研究了基于磁流变阻尼器的铁道车辆半主动悬挂系统的控制方法,建立了50自由度的车辆多体动力学模型和磁流变阻尼器的Spencer模型。运用模糊控制方法设计了基于车体加速度和速度反馈的模糊控制器,利用电压控制函数和滞回特性分离法建立了磁流变阻尼器的逆模型,用于预测控制电流。采用数值仿真方法研究了基于磁流变阻尼器的模糊半主动悬挂系统的特性,分析了装用半主动悬挂系统车辆的动力学性能。仿真结果表明：采用基于逆模型的模糊控制方法,阻尼器实际阻尼力能有效跟踪控制系统的期望阻尼力。相对于被动悬挂,基于磁流变阻尼器的模糊半主动悬挂系统能够有效地减小车体1～10 Hz范围内的振动,改善车辆的运行平稳性。当车辆运行速度为250 km·h-1时,振动加速度减小53．3％。当车辆运行速度为100～300 km·h-1时,车辆运行平稳性指标改善率为6％～9％。     

牵引杆附加刚度效应对地铁车辆垂向动力学性能的影响

为了解决地铁车辆踏面过度磨耗、剥离、失圆及产生的车体垂向动力学性能超标问题,通过车辆结构理论分析及动力学仿真,研究了牵引杆的附加刚度效应.结果表明:车辆制动系统不是导致上述问题发生的主要原因,短牵引杆及其两端大的连接刚度引起的附加刚度效应是导致车体对垂向振动冲击敏感的根源;在车辆制动或通过曲线轨道时,牵引杆装置的附加刚度效应可降低二系悬挂系统的隔振能力;考虑牵引杆的附加刚度效应时,车辆对垂向振动的冲击响应显著增大;将牵引杆的连接刚度减小到现有刚度的25％时,可以降低车体对垂向冲击的响应,改善车辆的垂向动力学性能.     

基于目标级联分析法的车下设备悬挂参数优化设计

为改善高速列车运行舒适度和车下悬挂设备的振动水平,建立了车辆-设备系统垂向动力学模型,推导了车辆系统振动加速度频率响应函数;结合轨道不平顺激励谱函数计算了车下悬挂设备振动加速度均方根,联合人体舒适度加权滤波函数计算了车体振动参考点的垂向舒适度指标;引入目标级联分析(ATC)法逐层分解车辆-设备系统振动指标,构建了车辆-设备系统两层指标分解数学模型,采用指数罚函数策略协调两层振动指标之间的耦合问题;提出了以车辆运行舒适度和车下悬挂设备振动加速度为指标的多目标优化方法,建立了以车下设备悬挂刚度和阻尼为设计变量的优化模型;联合车下设备悬挂参数动力吸振器(DVA)设计法对比探讨了ATC法在复杂车辆系统参数优化设计中的应用效果。分析结果表明:与DVA设计法相比,ATC法优化后车辆中部舒适度在300 km·h-1工况下提高了8.5%,设备振动水平减小了约20%;在全速域区间,ATC法对车体中部的振动衰减是DVA设计法的2倍,且对设备的振动衰减比DVA设计法大4.5 dB;与优化前相比,ATC法优化后车辆中部舒适度指标最大提升了15%,设备振动加速度减小了0.18 m·s-2。由此可见,ATC法可以运用于复杂轨道车辆结构参数优化设计中,能有效改善车辆系统的振动水平,也可为车下设备悬挂参数优化设计提供指导。      

钢轨轧制不平顺激扰下的动车组动力响应特性

以某有砟客运专线中出现波长为3.2 m的轨道周期性高低不平顺、继而引起“抖车”现象的线路区段为对象,基于同步压缩小波变换提取了轨道几何动、静态检测数据在大机捣固前后的时频分布特征,并结合钢轨轧制流程的梳理分析,明确了轨道周期性高低不平顺的成因,即可能由钢轨轧制过程中复合矫直工艺不良引起. 在此基础上,探究了钢轨轧制不平顺与车辆各部件振动加速度以及轮轨接触力的关联关系,获取了钢轨轧制不平顺对车辆动力响应的影响规律. 结果表明:轧制不平顺使得轴箱、转向架、车体垂向加速度的相干函数分别达到0.97、0.96和0.76,较正常区段分别增长了5%、25%和300%;轮轨垂向力相干函数增长42%,达到0.94,说明轧制不平顺与车辆各部件的振动响应和轮轨接触力密切相关;轧制不平顺将轴箱和车体垂向加速度均方根（root mean square,RMS）值分别放大1.00 m/s2和0.05 m/s2左右;轧制不平顺与轴箱垂向加速度和轮轨垂向力RMS值线性相关性最强,相关系数分别达到0.9和0.8.      

变刚度和阻尼半主动悬架的模糊控制研究

为提高车辆的乘坐舒适性,建立了一种新型的四自由度的变刚度和阻尼半主动悬架模型。根据模糊控制理论,设计了两种适用于此模型的模糊控制器:常规模糊控制器和变论域模糊控制器。在MATLAB/SIMULINK仿真软件中建模,以积分白噪声随机路面输入作为激励,对被动悬架模型、常规模糊控制和变论域模糊控制的半主动悬架模型进行了仿真。仿真结果表明,与被动悬架相比,变刚度和阻尼半主动悬架能够有效降低车身垂直加速度和车身俯仰角加速度,有效地提高了车辆的乘坐舒适性。同时还表明,悬架的变论域模糊控制的减振效果优于常规模糊控制的。     

中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统动力性能试验

为探究中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的振动特性,对其在上海临港中低速磁浮试验基地开展了现场动力学试验,研究了车速和桥梁结构形式对耦合系统动力响应的影响;试验车辆采用(悬挂)中置式悬浮架,试验桥梁为25 m混凝土简支梁和25 m钢结构简支梁;为明确2种桥梁的固有振动特性,对其进行了模态测试;提取了不同工况下车辆-桥梁耦合系...     

基于预瞄信息的主动悬架最优控制

在MATLAB／SIMULINK中建立了七自由度车辆主动悬架模型,以提高车辆行驶平顺性为控制目标,主动悬架作动器的输出力为控制对象,根据最优控制原理设计出了基于轴距预瞄信息的主动悬架控制策略．仿真结果表明,与无预瞄系统的控制策略相比,基于预瞄信息的最优控制策略能够有效地降低车身垂直振动加速度、车身侧倾角加速度和俯仰角加速度,车辆行驶平顺性明显提高．     

横向互联空气悬架多智能体减振器系统博弈控制

为进一步改善横向互联空气悬架车辆的行驶平顺性和操纵稳定性, 基于多智能体理论和合作博弈Shapley值原理构建多智能体减振器控制系统; 多智能体减振器控制系统由信息发布智能体、平顺性智能体、操稳性智能体和博弈协调智能体组成, 其中信息发布智能体从环境中获取车辆状态信息, 根据下层智能体的信息需求传递信息, 平顺性智能体接收悬架动行程及其变化率信息, 根据平顺性控制要求, 输出自身的阻尼系数意图, 操稳性智能体接收当前互联状态信息触发对应的推理模块, 根据车身侧倾角信息求解需求的阻尼系数, 其中推理模块是通过对遗传算法优化出的阻尼系数进行模糊神经网络自学习形成的, 博弈协调智能体接收平顺性智能体与操稳性智能体的阻尼意图, 根据自身的合作博弈规则, 对阻尼意图进行修正, 输出全局最优阻尼系数; 在不同互联状态、不同激励条件下进行空气悬架静、动态特性试验研究, 并将试验结果与仿真结果进行对比, 验证仿真模型的准确性; 在混合工况下, 利用整车仿真模型验证多智能体减振器控制系统的可行性和有效性。研究结果表明: 和传统减振器阻尼控制系统相比, 多智能体减振器控制系统能有效地使簧载质量加速度均方根值降低14.95%, 悬架动行程均方根值降低10.64%, 车身侧倾角均方根值降低12.33%。提出的多智能体减振器控制系统改善了车辆行驶平顺性和乘坐舒适性, 并且能够抑制车身的侧倾, 提高整车的操纵稳定性。      

基于联合型模糊PID的非线性空气悬架建模与控制

为提高汽车空气悬架的行驶平顺性,针对空气弹簧的非线性特性,建立空气弹簧关于气囊压力、有效面积、垂向变形等因素有关的弹力模型.利用所建立的空气弹簧弹力模型建立单轮1/4车辆动力学模型.以车身加速度最小为控制目标,设计并建立非线性空气悬架的联合型模糊PID控制器.运用MATLAB/Simulink仿真软件,以气囊压力变化所产生的力作为控制输出量,进行计算机动态仿真.仿真结果表明：与被动空气悬架相比,针对非线性空气悬架所设计的联合型模糊PID控制器对车辆平顺性与道路友好性有显著的改善.     

预瞄信息空气悬架汽车在加速/制动工况下的LQG控制

建立了基于空气悬架的1/2车辆加速/制动系统模型,通过轴距预瞄在后轮处提前预测路面不平度;设计了基于轴距预瞄控制算法的加速/制动最优控制器;进行了白噪声仿真分析。仿真结果表明:与被动空气悬架加速/制动系统相比,基于轴距预瞄控制的主动空气悬架加速/制动系统能有效降低车辆振动。与最优控制空气悬架加速/制动系统相比,质心加速度和后轮对应处的车身加速度、悬架动行程、轮胎动载均有显著减小,较好的改善了车辆在加速/制动时的平顺性和操纵稳定性。     

混行环境下CACC系统驾乘舒适性优化控制

为提升协同式自适应巡航（cooperative adaptive cruise control，CACC）系统在由自动网联汽车（connected automated vehicle，CAV）和人工驾驶汽车（manual vehicle，MV）构成的混行交通流下的驾乘舒适性，提出考虑驾乘舒适性的双层控制策略（dual-layer control strategy considering ride comfort，RC-DCS）. 上层控制器从宏观角度出发，采用两状态空间模型调整跟车间距及车速，并利用代价函数改善车队的整体稳定性和舒适性；下层控制器从微观角度出发，优化单车的油门和制动踏板切换逻辑，稳定实际加速度输出，降低车辆频繁加减速引起的自身俯仰. 试验结果表明:RC-DCS在跟随MV工况中跟车间距误差和加速度分别降低了72.44%和24.87%；在MV插入CACC车队工况中通过增大跟车时距0.4 s以减少加速度波动；在跟车、紧急制动、旁车切入3种典型工况中，单车加速度标准差分别降低了9.6%、10.4%、2.9%.      

扭转梁式后悬架结构参数对侧倾振动影响

建立了包含扭转梁式悬架系统的整车8自由度平顺性模型和车辆瞬态侧倾模型,运用MATLAB/Simu-link仿真分析了扭转梁式悬架系统对平顺性和车辆瞬态侧倾的影响,并进行平顺性随机输入行驶试验和稳态回转试验验证。研究表明:在积分白噪声仿真路面,扭转梁式悬架系统对垂向和纵向振动几乎没有影响,但对侧倾振动动态性能具有重要影响,如固有频率、峰值时间、最大超调量等;揭示了扭转梁式悬架的扭转刚度、纵臂长度与车身侧倾角、车身侧倾固有频率、瞬态侧倾特性等之间的关系,为平顺性和操稳性协同优化设计奠定了基础。