CN107563001B - 一种车辆isd悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法 - Google Patents

一种车辆isd悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法 Download PDF

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CN107563001B CN201710645867.6A CN201710645867A CN107563001B CN 107563001 B CN107563001 B CN 107563001B CN 201710645867 A CN201710645867 A CN 201710645867A CN 107563001 B CN107563001 B CN 107563001B
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Abstract

本发明属于车辆被动悬架隔振领域，涉及一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法。其主要内容包括：步骤一：确定车辆悬架振动的动力学模型及其性能评价指标；步骤二：构建车辆ISD悬架机电网络系统；步骤三：根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应的阻抗传递函数系数；步骤四：对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合；步骤五：基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现。本发明可有效解决车辆ISD悬架结构型设计方法的局限性与阻抗型设计方法难以实现的难题，为悬架的结构设计与实现提供新方法。

Description

一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法
技术领域
本发明涉及车辆悬架被动隔振领域，特别是涉及一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法。
背景技术
应用惯容器装置的车辆被动ISD(Inerter-Spring-Damper)悬架由于其成本低、隔振性能优良，从而得到了广泛的关注。目前而言，车辆ISD悬架的结构设计问题始终是研究其性能优劣的首要问题。综观现有研究成果，其结构设计可分为两类：一类是结构型设计方法。此类方法通过利用惯容器装置对机械原型进行改进设计，或提取结构设计的共同特征，从而获取新型ISD悬架的结构；此类方法得到的结构无法覆盖全部的悬架阻抗形式，具有局限性的缺点。另一类是阻抗型设计方法，此类方法用阻抗形式表示悬架结构，通过将其转化为正实控制器求解，进而通过解析阻抗形式的方法对其进行机械网络实现，其缺点是得到的网络元件数众多，实际应用中难以实现。
因此，如何克服上述两种方法的缺点，提出一种完善的车辆ISD悬架结构设计与实现方法，是进行其性能分析前迫切需要解决的难题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提出一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，使得悬架的隔振性能能够得到有效提升，且悬架的结构易于工程实现。
为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，主要包含如下步骤：
步骤一：确定车辆悬架振动的动力学模型及其性能评价指标；
步骤二：构建车辆ISD悬架机电网络系统；
步骤三：根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应的阻抗传递函数系数；
步骤四：对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合；
步骤五：基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现。
所述步骤一中的车辆悬架振动动力学模型主要考虑路面不平度位移输入、线性轮胎模型、非簧载质量、悬架系统与簧载质量；所述步骤一车辆悬架振动的动力学模型的性能评价指标为：
Figure BDA0001366825790000021
其中，J1表示车身加速度的均方根值，J2表示路面输入速度到悬架动行程传递函数的最大增益值，J3表示轮胎动载荷均方根值，G表示路面不平度系数，v表示行驶车速，
Figure BDA0001366825790000022
表示路面输入位移到车身加速度的传递函数，
Figure BDA0001366825790000023
表示路面输入速度到悬架动行程的传递函数，
Figure BDA0001366825790000024
表示路面输入位移到轮胎动载荷的传递函数。
所述步骤二中的车辆ISD悬架机电网络系统，通过耦合装置将机械网络系统与电网络系统耦合作用而成，机械网络系统与电网络系统相互并联连接，其特征在于，所述机械网络系统由惯容器、弹簧、阻尼器三类机械元件组成，不包含杠杆类元件，其中，弹簧、阻尼器与惯容器相互并联连接；所述电网络系统仅由电容、电感、电阻三类元件组成，不包含变压器类元件，电容等效于惯容器，电感等效于弹簧，电阻等效于阻尼器；所述耦合装置为单独的电机装置或惯容器与电机耦合装置。
所述电网络系统，其速度型阻抗表达式Z(tf)为双二次型，
Figure BDA0001366825790000025
其中，A、B、C、D、E、F为优化变量。
所述步骤三，根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用多种群交叉粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应阻抗传递函数系数；所述性能优化目标，其目标函数为单目标或多目标；
当目标函数为单目标J1时，
if(J2＞J2pas)||(J3＞J3pas)
f＝J1+105×|J2-J2pas|+105×|J3-J3pas|
else
f＝J1
当目标函数为单目标J2时，
if(J1＞J1pas)||(J3＞J3pas)
f＝J2+105×|J1-J1pas|+105×|J3-J3pas|
else
f＝J2
当目标函数为单目标J3时，
if(J1＞J1pas)||(J2＞J2pas)
f＝J3+105×|J1-J1pas|+105×|J2-J2pas|
else
f＝J3
当目标函数为多目标时，
if(J1＞J1pas)||(J2＞J2pas)||(J3＞J3pas)
Figure BDA0001366825790000031
else
Figure BDA0001366825790000032
其中，J1pas表示传统被动悬架车身加速度的均方根值，J2pas表示传统被动悬架路面输入速度到悬架动行程传递函数的最大增益值，J3pas表示传统被动悬架轮胎动载荷均方根值；
所述利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解中，其中采用的改进的多种群粒子群算法中同时包含多个种群，每个种群中的粒子位置与速度的更新规则为：
Xk+1＝Xk+Vk+1
其中，ω为权重，r1与r2均为区间为[0,1]的随机数，k为当前迭代次数，
Figure BDA0001366825790000034
为个体最优粒子位置，
Figure BDA0001366825790000035
为全局最优粒子位置，c1与c2均为常数，V为粒子速度，X为粒子位置；
所述改进的多种群粒子群算法，各种群间的进化过程相对独立，包括交叉操作与变异操作；
所述交叉操作的位置产生规则为：
a1＝rand(n),a2＝rand(n)
其中，a1与a 2均为选择的交叉个体位置；
所述交叉操作的实现条件为：
Figure BDA0001366825790000036
其中，fa1为a1的适应度值，fa2为a2的适应度值，fbest为最优个体的适应度值；
所述变异操作的实现条件为：fn＞fn+1，其中，fn为变异之前的适应度函数值，fn+1为变异之后的适应度函数值；
所述改进的多种群粒子群算法的约束不等式为：
Figure BDA0001366825790000041
其中，A、B、C、D、E、F为优化变量，取值范围均为[10-3,1010]。
所述步骤四对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合，其具体实施方法为：
令：K＝(A·F-C·D)2-(A·E-B·D)(B·F-C·E)，
Y＝A·F-C·D，
H＝B·F-C·E，
W＝A·E-B·D，
λ1＝E(B·F-C·E)-F(A·F-C·D)，
λ2＝B(A·E-B·D)-A(A·F-C·D)，
λ3＝D(A·F-C·D)-E(A·E-B·D)，
λ4＝C(A·F-C·D)-B(B·F-C·E)；
若Y＜0,λ4＞0，则，
h1＝1/R1，h2＝1/R2，h3＝1/R3，k＝1/L1，b＝C1
R1＝(A(C·Y-B·X))/K
R2＝A·C/(-Y)
R3＝C/F
L1＝A2·H/(-K)
C1＝-H/C2；
若Y＞0,λ2＞0，则，h1＝1/R1，h2＝1/R2，h3＝1/R3，k＝1/L1，b＝C1；
R1＝(C(B·W-A·Y))/K
R2＝A·C/Y
R3＝A/D
L1＝A2/W
C1＝K/(C2·W)；
上式中，R1、R2、R3为不同的电阻参数，C1为电容参数，L1为电感参数，若正实综合过程中，若出现机械网络系统的元件参数过大或过小，可通过对元件进行短路或断路进行结构简化。结构简化的规则为：若得到的机械网络系统元件的元件参数过大，将其进行短路处理；若得到的机械网络系统元件的元件参数过小，可对其进行断路处理；简化后的结构性能影响不超过1％。
所述步骤五中的基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现，其具体实施方法为：
电网络系统的元件与机械网络系统的元件间的转化规则为：
Figure BDA0001366825790000051
其中，λ为机械网络系统与电网络系统的耦合系数，当耦合装置为单独的电机装置，单独的电机装置为直线电机装置时，λ＝(Bl)2，Bl为电机常数；当耦合装置为惯容器与电机耦合装置时，λ的值取决于惯容器的比例系数，C′为电容参数，R′为电阻参数，L′为电感参数；
当耦合装置为惯容器与电机耦合装置，且电机为直线电机，惯容器为平动式惯容器时，
λ＝α2(Bl)2
其中，α为平动式惯容器的运动转化系数，Bl为直线电机的电机常数；
当耦合装置为惯容器与电机耦合装置，且电机为旋转电机，惯容器为滚珠丝杠惯容器时，
Figure BDA0001366825790000052
其中，P为滚珠丝杠副的导程，ke为电机的反电动势系数，kt为电机的力矩系数。
本发明的有益效果在于：
1.一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其将悬架的结构设计问题转化为阻抗型传递函数的优化匹配，通过优化阻抗型传递函数的相关参数，优化求解悬架隔振性能优越的车辆ISD悬架结构，最后通过机电网络系统正实综合得到具体结构，并利用耦合装置进行被动实现。
2、相较于传统结构性设计方法，本发明所提出的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法可有效覆盖更为丰富的阻抗特性，有效避免结构型设计方法的局限性，使得悬架性能提升更为显著。
3、相较于阻抗型结构设计方法，本发明所提出的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法解决了其难以工程实现的问题，其结构具有较高的稳定性，隔振性能优良的优点。
附图说明
图1是一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法流程图。
图2是四分之一车辆悬架动力学模型图。
图3是机械网络系统正实网络图。
图4是简化后的机械网络系统图。
图5是直线电机与平动式惯容器耦合装置示意图。
图6是旋转电机与滚珠丝杠惯容器耦合装置示意图。
图7是机电系统网络对照图。
附图标记说明如下：
MS表示簧载质量块，MU表示非簧载质量块，KT表示轮胎，KM表示悬架弹簧，BM表示机电惯容器，TF表示待设计的隔振系统；H1表示阻尼器Ⅰ，H2表示阻尼器Ⅱ，H3表示阻尼器Ⅲ，K表示弹簧，B表示惯容器；1-上吊耳，2-电机缸筒，3-绕组，4-动子磁极，5-内缸筒工作腔，6-内缸筒皮碗，7-外缸筒端面，8-下吊耳，9-外缸筒工作腔，10-内缸筒端面，11-外缸筒皮碗，12-支撑端面，13-动子磁轭，14-电机定子，15-电机工作腔，16-动子轴，17-上吊环，18-旋转电机，19-飞轮，20-丝杠螺母，21-下吊环，22-缸筒，23-滚珠丝杆，24-电机缸筒。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，主要包含如下步骤：
步骤一：确定车辆悬架振动的动力学模型及其性能评价指标；
步骤二：构建车辆ISD悬架机电网络系统；
步骤三：根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应的阻抗传递函数系数；
步骤四：对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合；
步骤五：基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现。
所述步骤一中的车辆悬架振动动力学模型，主要考虑路面不平度位移输入、线性轮胎模型、非簧载质量、悬架系统与簧载质量；如图2所示，四分之一车辆悬架动力学模型，其悬架系统由机械网络系统与电网络系统两部分组成，在悬架模型构建中，主要考虑悬架弹性支撑弹簧与机电惯容器两部分；其中，所述机电惯容器BM与待设计的隔振系统TF相互并联连接后，再整体与悬架弹簧KM并联连接构成四分之一车辆隔振系统，四分之一车辆隔振系统的一端与簧载质量块MS相连接，另一端与非簧载质量块MU的一端相连接，非簧载质量块MU的另一端与轮胎KT的一端连接，轮胎KT的另一端与地面接触；
用ms表示簧载质量，mu表示非簧载质量，kt表示轮胎等效弹簧刚度，Km表示悬架弹簧刚度，bm表示机电惯容器的惯质系数，bm的范围设为[0,1000]，zr表示路面不平度垂向位移输入，zu表示非簧载质量垂向位移，zs表示簧载质量的垂向位移；则四分之一车辆悬架动力学模型的动力学方程为：
mss2Zs+sT(s)(Zs-Zu)＝0
mus2Zu-sT(s)(Zs-Zu)+kt(Zu-Zr)＝0
Zr、Zu、Zs分别为zr、zu、zs的拉普拉斯形式，s为拉式变量，T(s)为悬架的速度型阻抗表达式，具体取值为：ms＝320kg,mu＝45kg,kt＝190kN/m,Km＝22kN/m。
悬架的性能主要决定了车辆的乘坐舒适性与操纵稳定性。一方面要使车身振动满足人体舒适性要求，另一方面要使轮胎与地面接触良好，提供稳定的抓地性能，与此同时，悬架的动行程应控制在一定范围内，防止悬架撞击车身影响乘坐舒适性。车辆悬架振动的动力学模型的性能对悬架的性能有着重要的参考意义，为考察悬架的性能，本发明选取车辆悬架振动的动力学模型的性能评价指标为：
其中，J1表示车身加速度的均方根值，J2表示路面输入速度到悬架动行程传递函数的最大增益值，J3表示轮胎动载荷均方根值，G表示路面不平度系数，v表示行驶车速，
Figure BDA0001366825790000072
表示路面输入位移到车身加速度的传递函数，
Figure BDA0001366825790000073
表示路面输入速度到悬架动行程的传递函数，
Figure BDA0001366825790000074
表示路面输入位移到轮胎动载荷的传递函数。
所述步骤二中的车辆ISD悬架机电网络系统，通过耦合装置将机械网络系统与电网络系统耦合作用而成，机械网络系统与电网络系统相互并联连接，其特征在于，所述机械网络系统由惯容器、弹簧、阻尼器三类机械元件组成，不包含杠杆类元件，其中，弹簧、阻尼器与惯容器相互并联连接；所述电网络系统仅由电容、电感、电阻三类元件组成，不包含变压器类元件，电容等效于惯容器，电感等效于弹簧，电阻等效于阻尼器；为实现理想的阻抗特性，所述耦合装置为单独的电机装置或惯容器与电机耦合装置。根据以“力-电流”为基础的机电相似性原理，悬架的速度型阻抗表达式T(s)为：
Figure BDA0001366825790000081
Z(tf)为电网络系统的速度型阻抗表达式，为双二次型传递函数，
Figure BDA0001366825790000082
其中，A、B、C、D、E、F为优化变量，D＝1。
所述步骤三，根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用多种群交叉粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应阻抗传递函数系数；所述性能优化目标，其目标函数为单目标或多目标；
当目标函数为单目标J1时，
if(J2＞J2pas)||(J3＞J3pas)
f＝J1+105×|J2-J2pas|+105×|J3-J3pas|
else
f＝J1
当目标函数为单目标J2时，
if(J1＞J1pas)||(J3＞J3pas)
f＝J2+105×|J1-J1pas|+105×|J3-J3pas|
else
f＝J2
当目标函数为单目标J3时，
if(J1＞J1pas)||(J2＞J2pas)
f＝J3+105×|J1-J1pas|+105×|J2-J2pas|
else
f＝J3
当目标函数为多目标时，
if(J1＞J1pas)||(J2＞J2pas)||(J3＞J3pas)
Figure BDA0001366825790000083
else
Figure BDA0001366825790000084
其中，J1pas表示传统被动悬架车身加速度的均方根值，J2pas表示传统被动悬架路面输入速度到悬架动行程传递函数的最大增益值，J3pas表示传统被动悬架轮胎动载荷均方根值，J1pas＝2.6586m·s-2,J2pas＝0.3632,J3pas＝1816.9N；
所述利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解中，其中采用的改进的多种群粒子群算法中同时包含多个种群，种群数量设为10，每个种群包含个体数为200，进化代数为100，每个种群中的粒子位置与速度的更新规则为：
Figure BDA0001366825790000091
Xk+1＝Xk+Vk+1
其中，ω为权重，r1与r2均为区间为[0,1]的随机数，k为当前迭代次数，
Figure BDA0001366825790000092
为个体最优粒子位置，
Figure BDA0001366825790000093
为全局最优粒子位置，c1与c2均为常数，V为粒子速度，X为粒子位置，ω＝0.6，c1＝c2＝2；
所述改进的多种群粒子群算法，各种群间的进化过程相对独立，包括交叉操作与变异操作；
所述交叉操作的位置产生规则为：
a1＝rand(n),a2＝rand(n)
其中，a1与a 2均为选择的交叉个体位置；
所述交叉操作的实现条件为：
其中，fa1为a1的适应度值，fa2为a2的适应度值，fbest为最优个体的适应度值；
所述变异操作的实现条件为：fn＞fn+1，其中，fn为变异之前的适应度函数值，fn+1为变异之后的适应度函数值；
所述改进的多种群粒子群算法的约束不等式为：
其中，A、B、C、D、E、F为优化变量，取值范围均为[10-3,1010]。
对车辆ISD悬架机电网络系统对系统进行单目标优化求解，得到如下表所示的优化变量与性能评价指标：
f b<sub>m</sub> A B C E F J<sub>1</sub> J<sub>2</sub> J<sub>3</sub>
J<sub>1</sub> 5.28 1093.5 8628.5385 44962.4727 5.5745 65.6386 2.47 0.3056 1816.9
J<sub>2</sub> 12.17 1000 49470 130300 23.05 88.73 2.6586 0.1689 1817.2
J<sub>3</sub> 2.46 1291 23530 177500 12.53 154.3 2.6586 0.2481 1660.0
所述步骤四对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合，其具体实施方法为：
令：K＝(A·F-C·D)2-(A·E-B·D)(B·F-C·E)，
Y＝A·F-C·D，
H＝B·F-C·E，
W＝A·E-B·D，
λ1＝E(B·F-C·E)-F(A·F-C·D)，
λ2＝B(A·E-B·D)-A(A·F-C·D)，
λ3＝D(A·F-C·D)-E(A·E-B·D)，
λ4＝C(A·F-C·D)-B(B·F-C·E)；
若Y＜0,λ4＞0，可由图3中的网络1对应实现，弹簧K与阻尼器ⅠH1串联后整体与阻尼器ⅡH2并联，构成ZT1，ZT1的一端与惯容器B的一端相连，ZT1的另一端与阻尼器ⅢH3的一端相连，阻尼器ⅢH3的另一端与惯容器B的另一端相连，其中，k为弹簧系数，h1、h2、h3分为阻尼器ⅠH1、阻尼器ⅡH2、阻尼器ⅢH3的系数，b为惯容器B的系数，此时，
h1＝1/R1，h2＝1/R2，h3＝1/R3，k＝1/L1，b＝C1
R1＝(A(C·Y-B·X))/K
R2＝A·C/(-Y)
R3＝C/F
L1＝A2·H/(-K)
C1＝-H/C2；
若Y＞0,λ2＞0，可由图3中的网络2对应实现；惯容器B与阻尼器ⅠH1串联后整体与阻尼器ⅡH2并联，构成ZT2，ZT2的一端与弹簧K的一端相连，ZT2的另一端与阻尼器ⅢH3的一端相连，阻尼器ⅢH3的另一端与弹簧K的另一端相连，
此时，h1＝1/R1，h2＝1/R2，h3＝1/R3，k＝1/L1，b＝C1；
R1＝(C(B·W-A·Y))/K
R2＝A·C/Y
R3＝A/D
L1＝A2/W
C1＝K/(C2·W)；
上式中，R1、R2、R3为不同的电阻参数，C1为电容参数，L1为电感参数，
由此得到具体的元件参数及对应网络为：
优化目标 h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> k b 对应网络
J<sub>1</sub> 8.5565*10<sup>8</sup> 408.5 685 4810 73.28 1
J<sub>2</sub> 761.7 468.5 1000 26420 184.4 2
J<sub>3</sub> 757.5 140.7 1150.4 7688 59.1 1
若正实综合过程中，若机械网络系统的元件参数过大或过小，均属于冗余参数，可通过对元件进行短路或断路进行结构简化。结构简化的规则为：若得到的机械网络系统元件的元件参数过大，将其进行短路处理；若得到的机械网络系统元件的元件参数过小，可对其进行断路处理；简化后的结构性能影响不超过1％。
通过对上述三种结构参数进行冗余判定，得到如下表所示元件参数，其具体结构如图4所示，图4中的网络1′为图3中的网络1省略阻尼器ⅠH1后简化后的机械网络系统图，则，
h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> k b 对应网络
J<sub>1</sub> -- 408.5 685 4810 73.28 1′
J<sub>2</sub> 761.7 468.5 1000 26420 184.4 2′
J<sub>3</sub> 757.5 140.7 1150.4 7688 59.1 1′
所述步骤五中的基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现，其具体实施方法为：
电网络系统的元件与机械网络系统的元件间的转化规则为：
Figure BDA0001366825790000111
其中，λ为机械网络系统与电网络系统的耦合系数，当耦合装置为单独的电机装置，单独的电机装置为直线电机装置时，λ＝(Bl)2，Bl为电机常数；当耦合装置为惯容器与电机耦合装置时，λ的值取决于惯容器的比例系数，C′为电容参数，R′为电阻参数，L′为电感参数；
如图5所示，当耦合装置为惯容器与电机耦合装置，且电机为直线电机，惯容器为平动式惯容器时，此时的耦合装置，包括电机缸筒2、动子轴16、支撑端面12、内缸筒端面10、外缸筒端面7、外缸筒皮碗11；所述支撑端面12上端与电机缸筒2焊接为一体，支撑端面12下端与外缸筒皮碗11的一端相固结，外缸筒皮碗11的另一端由外缸筒端面7密封固定；通过支撑端面12在电机缸筒2内形成电机工作腔15，在外缸筒皮碗11内形成外缸筒工作腔9，外缸筒工作腔9内布满不可压缩油液；所述外缸筒皮碗11内还安装有内缸筒皮碗6，内缸筒皮碗6一端与支撑端面12相固结，另一端由内缸筒端面10密封固定，在内缸筒皮碗6内形成内缸筒工作腔5，内缸筒皮碗6及外缸筒皮碗11均可做径向压缩与拉伸运动，且严格密封；所述动子轴16从电机工作腔15经由支撑端面12穿入内缸筒工作腔5，并与其内部的内缸筒端面10相固结；
此外，电机缸筒2上还焊接有上吊耳1，电机缸筒2的内侧壁沿径向呈圆形矩阵固定有电机定子14，电机定子14内均布有绕组3；所述动子轴16上还固定有动子磁极4与动子磁轭13；外缸筒端面7外表面上还焊接有下吊耳8。所述上吊耳1与车身相铰接，下吊耳8与车轮相铰接。
此时的耦合装置的工作过程为：当上吊耳1与下吊耳8之间产生相对运动时，下吊耳8与外缸筒端面7推压外缸筒皮碗11使之向上或向下运动，由于外缸筒工作腔9内布满的油液不可压缩，因此内缸筒端面10受油液的压力作用推动动子轴16上下运动，固结在动子轴16上的动子磁轭13与动子磁极4在电机工作腔15内与电机定子14中的绕组3产生相对运动，生成感应电动势与外端电路相连。此时的耦合装置的阻抗表达式为：
Figure BDA0001366825790000121
其中，S1为外缸筒端面7的面积，S2为内缸筒端面10的面积，f为施加在上吊耳1与下吊耳8之间的作用力，v为上吊耳1与下吊耳8的相对速度，m为动子轴16的质量，Z(e)为外端电路阻抗，s为拉氏变量。
此时机械网络系统与电网络系统的耦合系数λ，λ＝α2(Bl)2，其中，α为平动式惯容器的运动转化系数，Bl为直线电机的电机常数；
如图6所示，当耦合装置为惯容器与电机耦合装置，且电机为旋转电机，惯容器为滚珠丝杠惯容器时，
此时的耦合装置，包括上吊环17，旋转电机18，飞轮19，丝杠螺母20，下吊环21，缸筒22，滚珠丝杆23，电机缸筒24；其中，电机缸筒24的上端安装有上吊环17，电机缸筒24内安装有旋转电机18，旋转电机18与滚珠丝杆23同轴连接，旋转电机18的动子随滚珠丝杆23的转动一同做旋转运动；滚珠丝杆23向下伸入缸筒22内，缸筒22内的上端固结有丝杠螺母20，缸筒22的下端安装有下吊环21，滚珠丝杆23通过与丝杠螺母20啮合连接，将电机缸筒24与缸筒22衔接在一起。此外，滚珠丝杆23上还固定安装有飞轮19，位于电机缸筒24与缸筒22之间。
此时的耦合装置的工作过程为：当上吊环17与下吊环21之间产生相对运动时，丝杠螺母20的上下平动通过滚珠丝杠副转化为滚珠丝杆23的旋转运动，由此带动固定在滚珠丝杆23上的飞轮19与旋转电机18的动子共同转动，由于旋转电机18的动子在电机内做切割磁感线运动，由此产生相应的感应电动势。此时的耦合装置的阻抗表达式为：
其中，P为滚珠丝杠副的导程，cr为旋转电机的阻尼系数，f为施加在上吊环17与下吊环21之间的作用力，v为上吊环17与下吊环21的相对速度，ke为旋转电机的反电动势系数，kt为旋转电机的力矩系数。
此时机械网络系统与电网络系统的耦合系数λ，
Figure BDA0001366825790000131
实施例
当耦合装置选取单独的电机装置，且电机装置为直线电机时，Bl取值41.1NA-1，通过计算分析，所得的车辆ISD悬架机电网络系统如图7所示。其中，Km为机械网络系统中的悬架弹簧，cm′为机械网络系统中的阻尼器，bm′为机械网络系统中的惯容器，FEM为耦合装置，Re为电机线圈绕组，R1、R2为不同的电阻，C1为电容参数，L1为电感参数。其具体计算所得参数如表所示：
K<sub>m</sub> b<sub>m</sub>′ c<sub>m</sub>′ R<sub>1</sub> R<sub>2</sub> C<sub>1</sub> L<sub>1</sub>
J<sub>1</sub> 22000 5.28 685 -- 4.1351 0.0434 0.3512
J<sub>2</sub> 22000 12.17 1000 2.2177 3.606 0.1092 0.0639
J<sub>3</sub> 22000 2.46 1150 2.23 12.006 0.0350 0.2196
通过分析可知，原有的机械网络系统结构相对复杂，难以工程实现，应用本发明提出的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法可对机械网络系统进行有效设计，在性能提升的基础上，通过单独的电机装置或惯容器与电机耦合装置作用，对求解的机械网络系统进行正实综合，并完成被动实现，所得到的对应电网络系统易于工程实现，相较于传统被动悬架，J1改善了7.1％，J2改善了53.5％，J3改善了8.6％，悬架的性能得到显著改善。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，主要包含如下步骤：
步骤一：确定车辆悬架振动的动力学模型及其性能评价指标；
步骤二：构建车辆ISD悬架机电网络系统；
所述车辆ISD悬架机电网络系统，通过耦合装置将机械网络系统与电网络系统耦合作用而成，所述机械网络系统由惯容器、弹簧、阻尼器三类机械元件组成，其中，弹簧、阻尼器与惯容器相互并联连接；所述电网络系统由电容、电感、电阻三类元件组成，电容等效于惯容器，电感等效于弹簧，电阻等效于阻尼器；
所述耦合装置为单独的电机装置或惯容器与电机耦合装置；
步骤三：根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应的阻抗传递函数系数；
所述利用改进的多种群粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解中，其中采用的改进的多种群粒子群算法中同时包含多个种群，每个种群中的粒子位置与速度的更新规则为：
Figure FDA0002226624080000011
Xk+1＝Xk+Vk+1
其中，ω为权重，r1与r2均为区间为[0，1]的随机数，k为当前迭代次数，
Figure FDA0002226624080000012
为个体最优粒子位置，为全局最优粒子位置，c1与c2均为常数，V为粒子速度，X为粒子位置；
所述改进的多种群粒子群算法，包括交叉操作与变异操作；
所述交叉操作的位置产生规则为：
a1＝rand(n)，a2＝rand(n)
其中，a1与a2均为选择的交叉个体位置；
所述交叉操作的实现条件为：
其中，fa1为a1的适应度值，fa2为a2的适应度值，fbest为最优个体的适应度值；
所述变异操作的实现条件为：fn＞fn+1，其中，fn为变异之前的适应度函数值，fn+1为变异之后的适应度函数值；
所述改进的多种群粒子群算法的约束不等式为：
Figure FDA0002226624080000014
其中，A、B、C、D、E、F为优化变量，取值范围均为[10-3，1010]；
步骤四：对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合；
步骤五：基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现；
所述基于机电惯质的车辆ISD悬架机电网络的被动实现，其具体实施方法为：
电网络系统的元件与机械网络系统的元件间的转化规则为：
Figure FDA0002226624080000021
其中，λ为机械网络系统与电网络系统的耦合系数，当耦合装置为单独的电机装置，单独的电机装置为直线电机装置时，λ＝(Bl)2，Bl为电机常数；当耦合装置为惯容器与电机耦合装置时，λ的值取决于惯容器的比例系数，C′为电容参数，R′为电阻参数，L′为电感参数；
当耦合装置为惯容器与电机耦合装置，且电机为直线电机，惯容器为平动式惯容器时，
λ＝α2(Bl)2
其中，α为平动式惯容器的运动转化系数，Bl为直线电机的电机常数；
当耦合装置为惯容器与电机耦合装置，且电机为旋转电机，惯容器为滚珠丝杠惯容器时，
Figure FDA0002226624080000022
其中，P为滚珠丝杠副的导程，ke为电机的反电动势系数，kt为电机的力矩系数。
2.根据权利要求1所述的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，所述步骤一中的车辆悬架振动动力学模型主要考虑路面不平度位移输入、线性轮胎模型、非簧载质量、悬架系统与簧载质量。
3.根据权利要求1所述的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，所述步骤一车辆悬架振动的动力学模型的性能评价指标为：
Figure FDA0002226624080000023
其中，J1表示车身加速度的均方根值，J2表示路面输入速度到悬架动行程传递函数的最大增益值，J3表示轮胎动载荷均方根值，G表示路面不平度系数，v表示行驶车速，
Figure FDA0002226624080000024
表示路面输入位移到车身加速度的传递函数，
Figure FDA0002226624080000025
表示路面输入速度到悬架动行程的传递函数，
Figure FDA0002226624080000026
表示路面输入位移到轮胎动载荷的传递函数。
4.根据权利要求1所述的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，所述步骤三，根据性能优化目标，在正实不等式约束下，利用多种群交叉粒子群算法对车辆ISD悬架机电网络系统进行优化求解，得到相应阻抗传递函数系数；所述性能优化目标，其目标函数为单目标或多目标；
当目标函数为单目标J1时，
if(J2＞J2pas)||(J3＞J3pas)
f＝J1+105×|J2-J2pas|+105×|J3-J3pas|
else
f＝J1
当目标函数为单目标J2时，
if(J1＞Jlpas)||(J3＞J3pas)
f＝J2+105×|J1-J1pas|+105×|J3-J3pas|
else
f＝J2
当目标函数为单目标J3时，
if(J1＞J1pas)||(J2＞J2pas)
f＝J3+105×|J1-J1pas|+105×|J2-J2pas|
else
f＝J3
当目标函数为多目标时，
if(J1＞J1pas)||(J2＞J2pas)||(J3＞J3pas)
Figure FDA0002226624080000031
else
Figure FDA0002226624080000032
其中，J1pas表示传统被动悬架车身加速度的均方根值，J2pas表示传统被动悬架路面输入速度到悬架动行程传递函数的最大增益值，J3pas表示传统被动悬架轮胎动载荷均方根值。
5.根据权利要求1所述的一种车辆ISD悬架机电网络系统正实综合与被动实现方法，其特征在于，所述步骤四对车辆ISD悬架机电网络系统中求解得到的阻抗传递函数进行正实综合，其具体实施方法为：
令：K＝(A·F-C·D)2-(A·E-B·D)(B·F-C·E)，
Y＝A·F-C·D，
H＝B·F-C·E，
W＝A·E-B·D，
λ1＝E(B·F-C·E)-F(A·F-C·D)，
λ2＝B(A·E-B·D)-A(A·F-C·D)，
λ3＝D(A·F-C·D)-E(A·E-B·D)，
λ4＝C(A·F-C·D)-B(B·F-C·E)；
若Y＜0，λ4＞0，则，
h1＝1/R1，h2＝1/R2，h3＝1/R3，k＝1/L1，b＝C1
R1＝(A(C·Y-B·X))/K
R2＝A·C/(-Y)
R3＝C/F
L1＝A2·H/(-K)
C1＝-H/C2；
若Y＞0，λ2＞0，则，
h1＝1/R1，h2＝1/R2，h3＝1/R3，k＝1/L1，b＝C1
R1＝(C(B·W-A·Y))/K
R2＝A·C/Y
R3＝A/D
L1＝A2/W
C1＝K/(C2·W)；
其中，h1、h2、h3分为阻尼器I H1、阻尼器II H2、阻尼器III H3的系数，C1为电容参数，R1、R2、R3为不同的电阻参数，L1为电感参数，
若正实综合过程中得到的机械网络系统元件的元件参数过大，将机械网络系统元件进行短路处理；若得到机械网络系统元件的元件参数过小，将机械网络系统元件进行断路处理。
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