随着“节能与新能源车辆”产业地位的提升,针对整车能量流及其与车辆各项性能耦合关系的研究不断受到重视,其中结合动力系统能量流和制动系统能量回收的研究较早且日趋成熟,而针对悬架系统能量流及其对车辆性能影响规律的研究则处于起步阶段。悬架系统是车辆底盘的重要组成部分,起着支撑车身、隔离路面不平激励导致的冲击等作用,对车辆舒适性和行驶安全性有着直接的影响。越野车辆的行驶工况涵盖了城市公路和较恶劣的坏路甚至无路工况,对悬架设计提出了更高的要求。传统被动悬架系统具有以下不足:(1)单一的阻尼特性难以满足不同行驶工况对阻尼特性的不同要求;(2)大量的振动能量以热能形式耗散到外界环境中,不利于越野车辆的燃油经济性;(3)减振油液的严重温升将导致悬架系统的阻尼力衰减和加速失效。因此,研究越野车辆悬架系统的能量转换机理,并探索悬架振动能量回馈的机理和系统,在降低油液温升、提高悬架性能的同时,对悬架振动能量进行高效回收,具有重要的意义。本文以某越野车辆悬架系统为研究对象,建立了传统悬架系统能量转换机理模型,探讨了减振器的温升特性对悬架性能的影响;利用悬架振动模型研究了悬架能量的回馈机理和回馈潜力,并提出越野车辆馈能悬架系统的性能评价方法;创新设计了一系列泵式馈能悬架系统方案,实现了油液单向大循环流动,能够降低温升并提高发电效率,且使悬架具有较大的阻尼力调节裕度以及期望的复原/压缩阻尼力的非对称性;提出了综合路面预瞄信息、系统硬件约束、车辆平顺性和馈能效率的馈能半主动悬架复用模型预测控制算法。本文的主要研究内容如下:(1)车辆悬架系统能量转换机理分析与试验研究。本文将减振器热力学模型分为热传导过程子模型、对流换热过程子模型和辐射换热过程子模型,并且考虑了减振油液密度-温度特性和粘度-温度特性,研究了减振器油液被动阻尼能量耗散和油液温升的机理;进而建立了传统悬架系统减振器的能量转换模型,分析了减振器油液温升特性对悬架性能的影响;最后利用减振器持续加载下的温升特性试验和不同温度、加载速度下的阻尼特性试验,对上述模型和机理进行了试验验证。(2)悬架振动能量建模及回馈潜力的理论研究。利用经典四分之一车建立了悬架瞬时功率预测模型,研究了由路面不平激励引起的悬架振动能量的回馈潜力;对车辆悬架在不同行驶车速和路面等级下的能量回收潜力进行了阐述,并指出越野车辆悬架系统具有较好的能量回收潜力;最后通过结合国内外平顺性评价标准和越野车辆的行驶特点,提出越野车辆馈能悬架系统的性能评价方法。(3)越野车辆泵式馈能悬架系统构型设计、优化及样机开发。针对自重较大且行驶道路工况恶劣的越野车辆,创新设计了一系列泵式馈能悬架系统方案,并针对泵式双筒馈能减振器方案进行了理论建模、参数分析和样机试制。该方案能够将往复的悬架振动转变为单向的大循环油液流动,进而推动液压马达及发电机单向旋转,提高发电机的发电效率及工作可靠性;还实现了车辆悬架所要求的减振器复原阻尼力/压缩阻尼力非对称性;该方案具有较大的阻尼可控范围,为实现馈能悬架的半主动控制提供了良好的硬件基础。通过对关键部件(执行器主体、馈能模块和充电管理模块)进行设计和选型,试制了泵式馈能悬架系统原理样机;针对该样机的测试需求,设计并试制了泵式馈能减振器馈能特性试验系统,对该样机在外接负载断路状态下的馈能减振器阻尼特性、温升特性、阻尼可控范围和变外接负载状态下的馈能特性进行了深入的试验研究。(4)越野车辆泵式馈能悬架实物在环试验研究。设计并试制了泵式馈能悬架实物在环试验系统,结合车辆实时动力学模型进行了馈能减振器实物在环试验,验证了泵式馈能悬架系统样机在车辆中的实际性能表现;在随机路面激励和脉冲激励工况下对馈能减振器的不同工作状态(最大馈能状态、目标阻尼特性状态以及随动状态)进行了减振特性和馈能特性的试验研究。(5)基于路面预瞄的馈能半主动悬架复用模型预测控制算法研究。首先提出了路面预瞄的具体实施方法,建立了四轮路面不平激励模型和基于悬架半主动控制的整车七自由度动力学模型,以此为基础,综合考虑了馈能悬架系统的硬件约束、越野车辆平顺性和馈能效率,进而设计了馈能半主动悬架复用模型预测控制器;最后选取天棚半主动控制悬架和可提供目标阻尼的被动馈能悬架作为对照组,验证了所设计的控制算法在随机路面输入和脉冲路面输入工况下的作用效果;结果表明,该控制器在提高车辆平顺性的同时,具有较高的馈能效率,有利于提高越野车辆的燃油经济性。本文的创新点主要体现在以下几个方面:(1)系统深入分析了悬架系统的能量转换机理以及能量回馈机理,为馈能悬架的设计提供了理论基础。(2)设计了新型泵式馈能悬架系统样机,实现了油液单向大循环流动,能降低油液温升并提高发电效率,使悬架具有较大的阻尼力调节裕度以及期望的复原/压缩阻尼力的非对称性。(3)提出了一种综合路面预瞄信息、系统硬件约束、车辆平顺性和馈能效率的馈能半主动悬架复用模型预测控制算法,在提高越野车辆的乘坐舒适性和行驶安全性的同时,具有较高的能量回收效率。