汽车发动机悬置系统与悬架系统集成控制研究

汽车发动机悬置系统与悬架系统集成控制研究

刘威

哈尔滨东安汽车动力股份有限公司   黑龙江哈尔滨   150000

摘要：建立了车辆悬置系统与悬架系统的集成模型，应用最优控制理论设计了集成控制系统。针对最优控制器加权系数难以确定的问题，采用粒子群算法优化加权系数以提高集成控制系统的控制品质。为验证集成控制系统采用基于粒子群算法优化的LQR控制策略的效果，利用Matlab进行频域和时域分析。悬架动挠度的峰值和均方根值分别降低了16.28%和19.13%。悬置动挠度的峰值和均方根值分别降低了88.37%和83.33%。分析结果表明基于粒子群算法的LQR控制策略在改善悬架动挠度和悬置动挠度方面效果明显，有利于提高车辆的操纵稳定性。

关键词：集成控制；悬置系统；悬架系统

引言

汽车发动机的发展已有超过100年的历史，但是为了满足现代化发展的需要，发动机的设计、制造、布置以及性能等方面的技术水平需要不断提高，其中发动机的布置形式受到大众广泛的关注。本文主要研究的是前置发动机横置和纵置布局对汽车性能的影响，全文将以对比的形式展开分析。

1传感器现状

实际生活中，我们经常会遇到无法直接获取的信息，这就需要利用传感器将这些信息进行收集，然后将其转换成可以量化或接触的信号，从而实现对这些信息的处理、存储和研究。传感器最早出现在上世纪后半期，最初主要应用在汽车上，用来感知汽车发动过程中的温度及压力情况，后来随着传感器技术的不断成熟，科学家们逐渐研制了控制传感器，主要用来降低汽车发动机的燃油量，最终达到节油的目的。随着生活水平的不断提高，人们对汽车的要求也越来越高，传统的汽车机械装备以耗油量大、对环境污染严重等问题逐渐被社会所淘汰，进而出现了电子化的控制系统。新型控制系统的使用能够提高汽车的整体性能，降低燃油量，同时能够减少噪音对人类的伤害，更加符合现代生活的要求。传感器是组成新型控制系统最主要的零部件之一，它能够将压力、时间、电量等非直观的因素转化为可量化的数值，从而使驾驶员对汽车的状态有更加直观的了解。汽车对传感器有独特的要求，而且随着汽车电子化进程的不断发展，这种要求也在不断改变。为了能够满足汽车控制系统的要求，科学家们还要加大对传感器的研究力度，从而使传感器的性能更高，价格更低，更能适应时代发展的潮流。

2汽车发动机悬置系统与悬架系统集成控制

2.1汽车空间性能及悬架结构

汽车发动机的大小以及布置方式会对发动机舱的空间布置有很大的影响，发动机占据空间的大小会影响到悬架的结构与性能。汽车悬架的作用是吸收汽车在道路上行驶时所产生的各种振动或者冲击，在确保乘坐舒适感和行车安全的同时保护车身。悬架主要由负责缓冲的弹簧，衰减、调节弹簧振动的减震器，以及转向时减少汽车侧滑、侧倾的导向装置组成。悬架的结构越复杂，所需要的空间就越大，如搭配有可调刚度及高度的空气弹簧和可调阻尼减振器的双横臂、多连杆的悬架结构就会占据更多的空间。

2.2底盘控制用传感器

底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、防抱制动系统中的传感器，在不同系统中作用不同，但工作原理与发动机中传感器是相同的，主要有以下几种形式传感器：1．变速器控制传感器：多用于电控自动变速器的控制。它是根据车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息经处理使电控装置控制换档点和液力变矩器锁止，实现最大动力和最大燃油经济性。2．悬架系统控制传感器：主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。根据检测到的信息自动调整车高，抑制车辆姿势的变化等，实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。3．动力转向系统传感器：它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便，提高响应特性，减少发动机损耗，增大输出功率，节省燃油等。4．防抱制动传感器：它是根据车轮角速度传感器，检测车轮转速，在各车轮的滑移率为20%时，控制制动油压、改善制动性能，确保车辆的操纵性和稳定性。

2.3发动机传感器的应用

发动机传感器主要指的氧传感器，它最主要的功能是将汽车发动机中的含氧量以及对氧气的消耗量进行检测。根据接线的不同，可以将氧传感器分为四种类型，其中，当接线数是一根或两根时，发动机内不需要安装加热元件，而当接线数是三根和四根时则需要安装加热元件。传感器的使用寿命主要由汽车行驶的里程和发动机工作的时间来决定，其中性能较好的传感器能保证行驶10万km以上。当汽车在正常运行时，会吸入一定量的混合空气，如果传感器处于良好状态，则会输出一定的氧气值，否则就需要更换传感器。当传感器失效时，会使汽车的耗油量增大，排放的废气也会增多，而且会导致发动机中的混合空气浓度处于非正常状态，影响发动机的正常工作。氧传感器一般在两种情况下容易失效，第一种情况是传感器的使用时间较长，已达到正常工作的极限，这种是正常情况下的失效；还有另外一种情况，当不可溶解物质存留在传感器上时会缩短传感器的使用寿命，从而导致氧传感器的失效，这是非正常的失效，如果在日常使用过程中多加注意，这种情况可以减少或避免。

2.4传动效率

发动机前置的汽车在设计时，无论发动机是横向布置还是纵向布置，都会尽量减少传动距离和传动机械零件。发动机与汽车驱动轮之间的距离越近，相对的传动距离也就越小，传动效率就越高。发动机与驱动轮之间用于传动的或者改变方向的装置越少，传动过程中的损耗就少，传动效率就高。

结语

建立了车辆悬置系统与悬架系统的集成模型，基于最优控制理论设计了集成控制系统。针对最优控制器加权系数难以确定的问题，采用粒子群算法优化加权系数以提高集成控制系统的控制品质。为验证集成控制系统采用基于粒子群算法优化的LQR控制策略的效果，在Matlab环境下进行了频域分析，分析表明车辆在路面频率区域内采用基于粒子群算法优化的LQR控制的性能指标均有一定的改善。为进一步阐明车辆性能指标在路面激励和发动机激励联合作用下的影响，在Matlab/Simulink中搭建集成控制仿真模型进行了时域分析，分析表明基于粒子群算法的LQR控制策略在改善悬架动挠度和悬置动挠度方面效果明显，有利于提高车辆的操纵稳定性，但在改善乘坐舒适性不足。为进一步协调车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性，将在后续研究中探索根据车辆行驶工况和发动机运行状态进行混杂控制。

参考文献

［1］陈哲明，王恒，付江华，等.三种确定动力总成主动悬置LQR控制器加权系数方法的比较［J］.噪声与振动控制，2020，40（1）：86-92.

［2］王刚，周知进，陈海虹.车辆主动悬架免模型输出反馈控制器设计与实验［J］.农业机械学报，2019，50（7）：389-397.

［3］李武杰，陈从根，郭立新.基于微分几何法的主动悬架鲁棒H控制［J］.东北大学学报：自然科学版，2019，40（5）：716-721.

［4］田雪，曾庆东，王天利，等．汽车发动机横向布置与纵向布置对比［J］．汽车实用技术，2016(1):67－68．

［5］张贺隆，王军．汽车发动机机械系统检修［M］．北京:北京理工大学出版社，2010．