TRIZ创新理论使用率最高的部分就是阿奇舒勒矛盾矩阵及其所对应的40个创新原理^[1]。英国Systematie innovation研究机构的研究人员Mann Darrell于2002年提出了新型矛盾矩阵Matrix2003^[2]。用该矩阵可找出出现频率较高的创新法则,将该法则应用到工程领域中可提高解决问题的成功率。

车辆快速转弯时会产生较大侧倾,大大降低了车辆的安全性能。为防止这种现象的产生,只能用制动器将车速减慢,而如何让车辆转弯时能够稳定快速地通过,始终没有有效的解决方法。

为了解决上述问题,欲改善的工程特性设定为车辆的稳定性和安全性,在Matrix2003中可以查到,以上两种特性分别对应48个工程参数中的NO.21和NO.37特性,具体内容如表1所示:

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 欲改善的特性对应的创新原理 Table 1 The characteristics and the innovative principles 欲改善的特性 对应的创新原理/NO. 稳定性 35,24,10,3,31,17 安全性 13,28,4,17,3,2,37,10

表1 欲改善的特性对应的创新原理 Table 1 The characteristics and the innovative principles

由表1可知,两个欲改善的性能中都包含了创新原理NO.3、NO.10和NO.17,这些创新原理和其具体内容见表2:

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 Matrix2003矛盾矩阵创新原理及其具体内容[3] Table 2 Matrix 2003 contradiction matrix creative principle and the specific content 创新原理 具体内容 NO.3局部质量原理 (1)将物体、外部环境或作用的均匀结构变为不均匀的。 (2)让物体的不同部位具有不同的功能。 (3)让物体的各部分处于完成其功能的最佳状态。 NO.10预先作用原理 (1)预先对物体(全部或部分)施加必要的改变。 (2)预先安置物体,使其在必要时能立即在最方便的位置发挥其作用。 NO.17空间维数变化原理 (1)将物体变为二维运动,以克服一维定位的困难。 (2)单层排列的物体变成多层排列。 (3)将物体倾斜或竖直放置。 (4)利用物体的反面。

表2 Matrix2003矛盾矩阵创新原理及其具体内容[3] Table 2 Matrix 2003 contradiction matrix creative principle and the specific content

NO.3局部质量原理的应用设想:应用此原理第一条,将四个轮的制动由均匀分布变成不均匀分布。即加大外圈前轮过渡性轮负载荷,减小其他三轮过渡性轮负载荷。

NO.10预先作用原理的应用设想:应用此原理第一条,当车辆回转过渡时,通过控制器的预判,在加大外圈前轮的垂向力的同时,产生与打滑相反的力矩。

NO.17空间维数变化原理的应用设想:应用此原理第一条,将制动方式由一维变成二维。即当车辆制动时,除制动器对轮胎产生的切向力以外,还要通过半主动悬架减振器对其施加一个法向力,进而提高车辆的稳定性和安全性。

根据上述分析,为了追求车辆的更好性能,可用减振器系统和制动器系统的相互配合来控制车辆侧滑。

阻尼力控制系统所采用的是以比例螺线管作为传动装置的半主动悬架减振器。控制策略采用天棚理论。同时,通过操舵角和侧向加速度的微分数据反馈,能够降低车身侧倾角速度。如图3、图4所示:

图3

Fig.3

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	图3 阻尼力特性Fig.3 Damping force characteristic

图4

Fig.4

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	图4 F-V阻尼力特性Fig.4 Damping force characteristic

减振器伸长方向的阻尼力在变换区域时,压缩方向的阻尼力固定在最小值。同样压缩方向的阻尼力可变换时,( F vs V) 伸长方向的阻尼力固定在最小值。

减振器做抽动运动时,轮胎的轮负荷被称做过渡性轮负荷,根据空间维数变化原理,将减振器加入制动系统中,使车辆制动系统由一维变为二维,即过渡性轮负荷可以通过半主动悬架的阻尼力进行调节。阻尼力设定及减振器行程和轮负荷的变化如表3所示:

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 阻尼力和垂向载荷的变化 Table 3 Damping force and change of vertical load 垂向力 减振器 复原行程 压缩行程 阻尼力 复原 硬 减少 - 软 抑制减少 - 压缩 硬 - 增加 软 - 抑制增加

表3 阻尼力和垂向载荷的变化 Table 3 Damping force and change of vertical load

当车身浮起时,减振器处于伸行程。如果减振器伸长时的阻尼力变大,弹簧下侧受车身牵引,轮负荷会减少,伸行程时阻尼力小,轮负荷也会减少。相反,车身在下沉时,减振器处于压缩过程,如果减振器压缩方向的阻尼力大,过渡性轮负荷会增加。如果压缩方向的阻尼力小,过渡性轮负荷的增加就会得以抑制。所以,减振器的阻尼力伸方向设定大、缩方向设定小时,随着车身做上下运动产生的过渡性轮负荷就会减少。相反,伸方向设定小、缩方向设定大的场合,阻尼力会使轮负荷增加。反转型半主动悬架伸缩阻尼力的设定符合上述情况,所以不需要车高传感器等判断减振器伸缩行程的仪器,便可以调节车辆的过渡性轮负荷。

本文运用2自由度1/4车身模型^[4](如图5所示):

图5

Fig.5

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	图5 四分之一车辆简化模型Fig.5 DOF quarter vehicle model

来验证阻尼力设定和过渡性轮负荷的变化。如图6所示:

图6

Fig.6

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	图6 道路波形图Fig.6 Road profile

波长为12 m,高0.08 m的路面,以时速45 km/h通过时的轮负荷如图7所示:

图7

Fig.7

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	图7 轮胎负荷Fig.7 Vertical load of tire

与伸、缩方向的阻尼力都小时的试验结果相比,阻尼力伸方向小、缩方向大时(2部位细虚线)的轮负荷有所增加。与此相反,阻尼力伸方向大、缩方向小时(1部位粗虚线)的轮负荷得以减少。以上论证表明,过渡性轮负荷可以进行控制。

为了确认以上控制策略的效果,作者进行了行车试验。为了模拟过渡回转所产生的打滑倾向,实施了急转向换线试验,如图8所示:

图8

Fig.8

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	图8 车道变化试验Fig.8 Lane change tes

换线试验结果如图9所示:

图9

Fig.9

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	图9 车辆试验结果Fig.9 One of results of vehicle test

车身的侧滑角和偏航角速度差(目标偏航角速度和实际偏航角速度)利用公式(1)(2)(3)^[5]得出,在运行防侧滑系统后,取得最大侧滑角和偏航角速度差作为评价阈值。

式中: 为侧滑角; 为实际横摆角速度; 为车速; 为目标横摆角速度; 为侧向加速度; 为回转角; 为总齿数比; 为轮距。

5.3.1 最大侧滑角和偏航角速度差

与半主动悬架控制的结果相对比,各控制策略的最大侧滑角如图10所示:

图10

Fig.10

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	图10 稳定后的最大侧滑角Fig.10 Maximum slip angle after stability control

任何一个控制策略的最大侧滑角都在半主动悬架控制策略的半数以下,特别是以增加制动轮的过渡性轮负荷为目的的控制策略B的侧滑角减少程度最大。

如图11所示:

图11

Fig.11

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	图11 横摆角速度差Fig.11 Difference yaw rate

只有控制侧斜刚性的控制策略D的横摆角速度差最小。

5.3.2 行车轨迹

忽略侧滑角,着眼于车身行车轨迹的结果如图12所示:

图12

Fig.12

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	图12 车身行车轨迹Fig.12 Vehicle trace lines during lane change test

计算公式^[5]如(4)(5)(6)所示。在控制策略A的半主动悬架的行车轨迹中可以观察到过冲现象,而其他的控制策略就不存在此现象。通过这次试验,从行车轨道来看控制策略D的收敛性最好。