Исследование алгоритмов управления упругодемпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания

Проектирование современных систем подрессоривая транспортных средств (ТС) требует от конструкторов согласования противоречивых требований: обеспечения высокой плавности хода ТС и обеспечения высокой устойчивости в совокупности с хорошей управляемостью транспортного средства. Решение вопроса совмещения противоположных требований к проектируемым системам подрессоривания еще не закрыто, что делает данную тему исследований актуальной и по сей день.

Целью работы является исследование алгоритмов управления упругодемпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания.

Одним из решений проблемы совмещения высокой плавности хода ТС и высокой устойчивости в совокупности с высокой управляемостью является использование полуактивных систем подрессоривания. Полуактивная система подрессоривания – система подрессовривания, в которой возможно управление упругими и/или демпфирующими свойствами [1, с. 37]. Эффективность работы управляемой полуактивной системы подрессоривания во многом определяется используемым алгоритмом управления. Базовыми принципами управления демпфирующим элементом полуактивной системы подрессоривания являются алгоритмы: Skyhook (SH), Groundhook (GH), Hybrid (SH – GH) [2, с. 28]. Схемы выше представленных алгоритмов управления приведены на (рис. 1).

C_sky и C_ground – коэффициенты демпфирования; M_b – подрессоренная масса; M_w – неподрессоренная масса; K_s – жесткость системы подрессоривания; K_t – жесткость колеса (катка); X_b – вертикальное перемещение подрессоренной массы; X_w – вертикальное перемещение неподрессоренной массы; X_r – воздействие рельефа

Рис. 1. Схемы алгоритмов управления

Алгоритм управления SH сводится к минимизации разницы между усилием в демпфирующем элементе, соединяющем подрессоренную и неподрессоренную массы и усилие теоретического демпфера, соединяющего подрессоренную массу с неподвижным телом («небом»). Закон изменения коэффициента демпфирования  полуактивной системы подрессоривания под управлением алгоритма SH может быть описан системой неравенств:

где: C_max и C_min - максимальный и минимальный коэффициенты демпфирования соответственно.

Имитационная модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма SH представлена ниже (рис. 2).

Рис. 2. Simulink модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма Skyhook

Алгоритм управления GH направлен на минимизацию отклонения деформации неподрессоренной массы от статического значения. Алгоритм управления GH сводится к минимизации разницы между усилием в демпфирующем элементе, соединяющем подрессоренную и неподрессоренную массы, и усилием теоретического демпфера, соединяющего неподрессоренную массу с неподвижным телом («землей»). Закон изменения коэффициента демпфирования  полуактивной системы подрессоривания под управлением алгоритма GH может быть описан системой неравенств:

где: C_max и C_min - максимальный и минимальный коэффициенты демпфирования соответственно.

Имитационная модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма GH представлена ниже (рис. 3).

Рис. 3. Simulink модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма Groundhook

Гибридный алгоритм управления SH – GH основывается на совместной работе алгоритмов Skyhook и Groundhook. В то время, как система skyhook управляет колебаниями подрессоренной массы, а groundhook – неподрессоренной, то гибридная система обеспечивает баланс между этими двумя методами, что позволяет совместить сильные стороны обоих алгоритмов в необходимой пропорции [1, с. 46]. Для описания работы алгоритма управления SH – GH может быть использована следующая система уравнений:

где: σ_sky и σ_gnd – усилие демпфирования систем skyhook и groundhook соответственно;

F_sa – гибридная сила демпфирования;

G – эквивалентный коэффициент демпфирования систем управления skyhook и groundhook.

Имитационная модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением гибридного алгоритма SH – GH представлена ниже (рис. 4).

Рис. 4. Simulink модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма Hybrid SH – GH

Имитационное моделирование работы полуактивной системы подрессоривай под управлением исследуемых алгоритмов проводилось в среде Simulink при использовании следующих параметров (табл. 1).

Таблица 1

Параметры моделирования

С использованием выше представленных параметров моделирования проведено имитационное моделирование согласно моделям, представленным на рис. 2-4. В качестве воздействия со стороны дороги использовалось ударное воздействие с амплитудой 0.08 метра с частотой 2 Гц. Результаты моделирования занесены в (табл. 2).

Таблица 2

Результаты моделирования

В результате проведенного исследования алгоритмов управления упругодемпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания, можно сделать следующие выводы:

1. Алгоритм Skyhook позволяет повысить плавность хода ТС в сравнении с пассивной системой подрессоривания за счет снижения пикового смещения подрессоренной массы, при этом использование алгоритма Skyhook приводит к рывкам подрессоренной массы, которые влекут за собой ухудшение контакта ТС с поверхностью дороги, и в следствии этого снижение управляемости и безопасности ТС;
2. Алгоритм Groundhook позволяет более высокую устойчивость автомобиля по сравнению с пассивной системой подрессоривания. Уменьшение смещения неподрессоренной массы и рабочего хода подвески приводит к улучшению сцепление колеса (катка) с дорожной поверхностью, и в следствии этого повышение управляемости и безопасности ТС;
3. Алгоритм Hybrid SH – GH представляет собой комбинацию алгоритмов Skyhook и Groundhook, поэтому плавность хода, устойчивость и управляемость ТС могут изменяться. Гибридный алгоритм управления позволяет установить необходимый баланс между улучшением плавности хода (преимущества алгоритма SH) и устойчивости с управляемостью ТС (преимущества алгоритма GH).