汽车全主动悬挂系统阻尼器的设计与计算【含10张CAD图纸、说明书】【QX系列】
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目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题的背景和研究意义11.2 汽车电子控制空气悬架的发展和应用现状21.2.1 ECAS系统的组成及工作原理21.2.2 ECAS 的发展历程41.2.3 ECAS当前及未来的研究热点51.3 研究的基本内容6第2章 汽车全主动悬挂系统的动力学模型72.1汽车悬挂系统概述72.1.1悬挂系统的功用和组成72.1.2 悬挂系统的分类72.1.3 悬挂系统的发展趋势92.2 全主动悬挂系统的动力学模型102.2.1 全主动悬挂系统的特性分析102.2.2全主动悬挂系统动力学模型的建立102.2.3 系统固有频率、静挠度、刚度的计算132.2.4全主动悬挂系统动力学模型的计算162.2.5全主动悬挂系统阻尼参数的确定172.3全主动悬挂系统动力学模型的设计与计算小结21第3章 汽车全主动悬挂系统可变阻尼器装置的设计243.1 汽车全主动悬挂系统的整体设计243.2汽车阻尼可调阻尼器的比较分析253.2.1 传统液压阻尼器的工作原理253.2.2 电、磁流变液阻尼器263.2.3 调节节流口面积的阻尼可调阻尼器263.2.4 干摩擦式阻尼可调阻尼器283.2.5 阻尼阻尼器的研究展望293.3可变阻尼器的一般设计方法293.3.1双缸结构的可调阻尼器293.3.2 单缸结构的可调阻尼器313.4 可变阻尼器的结构与原理设计323.4.1 阻尼器的阻尼特性323.4.2 可调阻尼器的数学模型333.4.3 阻尼器主体的设计343.5阻尼器油液的选择37第4章 汽车可变阻尼器系统控制策略的探讨384.1 可变阻尼器控制系统的分析与总体设计384.2 全主动悬挂系统控制策略的发展394.2.1最优控制394.2.2 自适应控制394.2.3 天棚阻尼控制404.2.4 预见控制404.2.5 滑模控制404.2.6 智能控制414.2.7 鲁棒控制424.3 可变阻尼器模糊PID控制算法的研究424.3.1 典型的PID控制分析424.3.2模糊控制系统分析444.3.3 模糊PID控制系统分析454.3.4 可变阻尼器模糊PID控制器的设计464.4 可变阻尼器系统控制的挑战49第5章 汽车可变阻尼器控制系统的设计515.1 控制系统硬件电路的设计515.1.1 系统硬件平台总体结构515.1.2 可变阻尼器系统硬件设计515.1.3 A/D转换模块545.1.4 步进电机功放电路的设计555.1.5电源设计565.2 计算机控制软件的设计575.2.1 系统的软件开发环境575.2.2 系统软件设计57第6章 总结与展望606.1 总结606.2 展望60致谢62参考文献63附录0 图纸清单65摘 要随着汽车技术的不断发展,人们对汽车行驶平顺性、稳定性的要求也越来越高。全主动悬挂系统克服了被动悬挂系统的缺陷,系统参数能够根据路况、工况及速度等的变化而变化,理论上能够获得一个优质的隔振系统,实现理想悬挂系统的控制目标。可调阻尼器是全主动悬挂系统的核心部件,它的好坏将直接影响汽车行驶的平顺性。本文设计了一种效果良好,价格适宜的全主动悬挂系统可调阻尼器,它能够随路面状况实时调节阻尼,产生连续的阻尼力。全文通过建立四分之一车体全主动悬挂系统的动力学模型,计算出满足行驶平顺性的刚度范围和阻尼范围;之后,比较了当前已研发的各种可调阻尼器,设计出满足全主动悬挂系统需要的可调阻尼器的结构及悬挂系统的整体结构;接着,本文探讨了几种常用的全主动悬挂系统的控制策略,确定了控制算法,并利用8031单片机,完成了悬挂系统可变阻尼器硬件电路模块的设计,最终实现了汽车全主动悬挂系统阻尼器阻尼值的实时调节,在低成本的情况下提高了汽车悬挂系统控制的可靠性、准确性,满足汽车的控制要求。关键词:悬挂系统,可变阻尼器,步进电机,单片机,控制策略AbstractAs the development of car technology, peoples demands of vehicle ride comfort, and stability getting higher and higher. The parameters of full-active suspension system which overcomes the shortcomings of the passive suspension system can change as the changes of pavement condition, working condition & speed of car; in theory, full-active suspension system is a high-quality vibration-isolated system, which achieves ideal control objectives of suspension system. Variable damper is a core component of full-active suspension system, whose quality will directly affect vehicle ride comfort. This paper describes an effective, affordable and variable damper of full-active suspension that can real-time change damping ratio with changes of road status, and generate continuous damping force.In this paper, one-fourth car of active suspension system dynamics model are established to calculate out the stiffness and damping ratio ranges which meet vehicle ride comfort;and then comparison of many variable dampers which has been developed as far are undertaken in order to design the structure of variable dampers which can meet the needs of full-active suspension system and the overall suspension system structure; after that discussion of several commonly used control strategies of full-active suspension system were taken out in this paper and the control algorithm was fixed;and though the use of single-chip 8031, the hardware circuit modules of the variable dampers of suspension system were designed, and ultimately a real-time variable damper of automotive full-active suspension system was brought about in this paper, which improves the reliability and accuracy of automotive suspension control in the case of low-cost, and meets the vehicle control requirements. Keywords: Suspension system, Variable damper, Stepping Motor, Single-chip, Control Strategy-II-第1章 绪 论1.1 课题的背景和研究意义汽车是现代社会必不可少的交通工具,随着人类物质生活水平的提高,人们对汽车的舒适性要求也越来越高,要求汽车能充分体现物为人用的特性,在保证安全、快捷、节能、环保的同时,也要让人感到用车的最大享受。汽车不仅会在平坦良好的道路上行驶,也往往会在无路或坏路条件下行驶,因而要求汽车具有良好的通过性能。现代汽车的舒适性已成为衡量汽车性能的重要标准,消费者也越来越注重汽车的行驶平顺性和易操作性,事实上汽车的这些性能除了与座椅的柔软程度、支撑力等因素有关外,关系最大的就是汽车的悬挂系统。悬挂系统是车架与车轴连接的传力部件,对行驶的安全性、通过性、稳定性以及附着性能都有重大影响,因此悬挂系统是汽车发展的重点。 传统的悬挂系统,其刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的,根据这些参数设计的悬架机构,在汽车行驶过程中,其性能是不变的,也是无法调节的,也就是说,传统的悬挂系统只能保证在一种特定的道路状态和行驶速度下达到性能最佳。从而使汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性受到一定的影响。随着高速公路网的发展和路面条件的改善,人们希望汽车不仅有很高的行驶速度,而且还要有很好的行驶平顺性、安全性和乘坐的舒适性。因此在20世纪60年代,国外提出了悬挂系统可根据汽车行驶条件(车辆的运行状态和路面状况以及载荷等)的变化而对悬架的刚度和阻尼进行动态地自适应调节,使悬挂系统始终处于最佳减振状态的主动悬挂系统。世界各国的汽车行业目前都将全主动、半主动悬架列为重要的研究目标1之一。早在1982 年, Lotus 公司就研制出有源主动悬挂系统, 瑞典Volvo 公司在其车上安装了实验性的Lotus 主动悬挂系统。丰田汽车公司1986 年的Soarer 车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架。1989 年丰田Celica 车型上装置了真正意义上的主动油气悬挂系统。尼桑公司在90 年的InfiniteQ45 轿车上也装备了液压主动悬架。保时捷, 福特, 奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自开发的主动悬挂系统。2004年保时捷新车911就配备了全新的主动悬挂系统。在军用车辆方面, 由于越野和高速行驶的需要, 所以使用主动悬架的愿望更为迫切。军用车辆的悬挂系统多为独立悬挂系统,即每个车轮单独通过一套悬挂安装于车身或者车桥上, 车桥采用断开式,中间一段固定于车架或者车身上;此种悬挂两边车轮受冲击时互不影响,而且由于非悬挂质量较轻;缓冲与减震能力很强, 乘坐舒适。各项指标都优于非独立式悬挂, 但该悬挂结构复杂, 而且还会便驱动桥、转向系变得复杂起来。使用独立悬架的目的是在坏路和无路的情说下, 可保证全部车轮与地面的接触,提高汽车的行驶稳定性和附着性, 发挥汽车的行驶速度。英国早在70 年代,就在“蝎”式轻型坦克上实验了AP液压件公司研制的液力机械主动悬挂系统。Lotus 公司与美国陆军坦克自动车司令部(TACOM)和Teledyne大陆汽车公司(TCM)联合组成小组在1992年10月把一种简化的主动悬架装置安装在Hummer“蜂鸟”轮式车辆上,最大限度地提高了在崎岖不平路面上的行驶速度。 2003 年7 月长春汽博会展出了一辆LTY2021 高机动性越野车(现役军车) 拥有44 驱动, 前后独立悬架结构, 能承受强大的过载冲击, 具有良好的越野性和通过性。当前,国内的汽车产业发展得很快,但大多数的汽车产商没有完善的、具有自主知识版权的全主动悬挂系统技术,基本上都是采用国外合作厂家或购买国外产商的技术。我国的汽车技术还很落后,因此,我们有必要开发一些具有自主知识产权的汽车技术。根据汽车悬挂系统的发展趋势,可以预见全主动悬挂系统将得到迅速和广泛发展。目前,用电子计算机对悬挂系统进行自动控制是研究的热点,其中电子控制悬挂系统在轿车上的运用越来越广泛。此外,声学与光学也将在悬挂系统中发挥重要作用。1.2 汽车电子控制空气悬架的发展和应用现状近年来,日、美、欧各大汽车公司在设计轿车内饰的过程中,除重视功能性要求外,更重视内饰的布置外型风格的协调性,以及内饰整体的统一性,但最重视的仍是乘坐的舒适性。为了不断提高轿车的乘坐舒适性,20世纪90年代以来,日、美、欧各大公司比以往更重视应用人体工程学的研究成果,更强调以驾驶人员和乘客心理、生理等要求为前提条件进行内饰设计,更讲究利用内饰材料的质感和色彩来创造赏心悦目、气氛宜人的驾乘环境。然而在汽车上,悬挂系统仍然是提高乘坐舒适性的主要环节。电子控制空气悬挂系统能有效地提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性,是未来汽车悬架发展方向之一。电子控制空气悬挂系统( Electronically Controlled Air Suspension System,简称ECAS) 可以根据车身高度、行驶速度、转向角度、制动等信号,由电子控制单元( ECU)控制气路系统中的电磁阀或步进电机等执行元件,进行调整橡胶空气弹簧内的压缩空气量,悬架刚度和车身高度随之改变,以抑制车辆急加速、制动时产生的俯仰运动和转向时产生的侧倾运动,保持车身姿态平衡。除此之外,还有许多辅助功能:故障诊断功能、故障记忆功能、车身高度也可以调节(便于提高车辆在凹凸路面的通过性或货物的装载) 、屈膝( kneeling)功能(主要用于城市客车方便乘客上下车)等。因此,ECAS能够有效地提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。ECAS在欧美发达国家的大客车、载重汽车和高档乘用车上已得到广泛应用, 各大著名汽车生产企业( FORD, GM. , VOLVO,SCAN IA, TOYOTA, RENAUL, NEOPLAN, M. A. N, BENZ等) 均有自己的相关产品;而国内只有小部分高档客车(如苏州金龙) 、极少高档轿车(2006年国产新AUD IA6和A8)在引进、消化、吸收的基础上已经开始安装ECAS系统,但是可以预见, ECAS这一先进的空气悬挂系统在不久的将来会在国产汽车上越来越普及。ECAS具有诸多优点,是汽车悬挂系统当前的研究热点之一,也是未来智能悬架的研究基础。1.2.1 ECAS系统的组成及工作原理ECAS系统一般有以下几大部分组成:机械结构总成(包括导向杆系、横向稳定杆等) :由于橡胶空气弹簧只能承载垂向载荷,在行驶过程中的纵向力、侧向力及其力矩必须依靠机械结构来传递,其中导向杆系的结构类型有双纵臂式、双横臂式、A型架和单纵臂式等。弹性元件:主要指橡胶空气弹簧。阻尼元件:主要是液力阻尼器(包括可调阻尼阻尼器和非可调阻尼阻尼器)。执行机构:步进电机和电磁阀。电子控制系统:包括采集信号的传感器、A /D转换,电子控制单元( ECU) 、D /A转换,控制电路。ECU接收传感器中车辆状态变化信号,进行判断和计算,向执行机构发出指令进行调节控制车辆。气路系统:主要有空气压缩机、干燥剂、储气筒和管路等组成。车身高度的升降和弹簧刚度的大小都是通过橡胶空气弹簧内被压空气量来控制的,而空气量的增减必需由气路系统进行输送。虽然乘用车用和商用车用ECAS系统组成基本相同,但是由于乘用车和商用车结构上的差异,导致它们在许多部件之间不能通用,而且在具体结构上差别很大。因此,本文在此将进行分别介绍。1)乘用车用ECAS由于乘用车空间的限制,乘用车用ECAS系统前后悬架都是空气弹簧和阻尼器集成一体的空气悬架支柱,不仅对车身高度、悬架刚度,而且还对阻尼器阻尼力进行控制。空气悬架支柱是由可调阻尼阻尼器、电磁阀、双气室所组成。电控阻尼器顶部有一个步进电机,可通过它转动一个调整节流孔大小的控制杆将阻尼分成多级,从而实现调节阻尼力的目的。电磁阀也充当了一个调节空气弹簧容积的作用, 通常主副气室是相通的,二者加起来的总容积起着弹簧的作用,比较柔软;但当关闭双气室之间的电磁阀时, 则以一个主气室的容量来承担空气弹簧的作用,就会变得“硬”, 因此电磁阀起到调节空气弹簧刚度的作用。ECAS工作时,气路系统中的电磁阀控制通向空气弹簧总成的空气流量。传感器检测出汽车的行驶状态并反馈至ECU, ECU综合这些反馈信息计算并输出指令控制空气弹簧中的步进电机和电磁阀,从而使ECAS随行驶及路面状态不同而变化:在一般行驶中,空气弹簧刚度处于软及阻尼力为小的状态,可获得较好的舒适性;在急转弯或者制动时,则空气弹簧刚度变大和阻尼器阻尼变大,以提高车身的稳定性。同时,该系统还能自动调整车身高度,可以随车速的增加而降低车身高度(减小离地间隙),减少行驶阻力以降低油耗;在车速比较慢时车身高度又可恢复正常。2)商用车用ECAS商用车用ECAS2机械系统和传统的空气悬架基本没有什么区别,它只是将电子控制系统替代原来的机械控制系统(高度控制阀) 。但是相对乘用车ECAS来说,商用车ECAS控制对象少:空气弹簧一般不带附加气室,这样空气弹簧没有两级可调;车身高度只是通过图1-1中的手动遥控器控制,没有自动调整功能。而车身高度根据车辆工况和路面状况由ECU (图1-1中的1)进行实时控制。例如当ECU检测到高度传感器车身高度偏离平衡位置变小时, ECU经过计算判断向电磁阀发出指令,让电机带动空气压缩机工作进行泵气,被压缩的空气通过电磁阀压入橡胶空气弹簧,空气弹簧内的气体压力增加,支撑力变大,车身升高;相反,车身高度变大时, ECU发出指令使电磁阀和排气阀同时打开,空气弹簧内的被压缩的空气通过电磁阀和排气阀流到大气中去,空气弹簧内气体压力减小,车身高度降低。目前,大部分商用车ECAS的阻尼器是传统阻尼器,但是随着可调阻尼阻尼器技术的成熟,现在有小部分商用车ECAS匹配了可调阻尼阻尼器,一般可以在“软”、“中”、“硬”3种阻尼状态之间进行有级调节。1. 电子控制器(ECU) 2. 空气弹簧3. 可调阻尼阻尼器4. 电磁阀5. 手动遥控器图1-1 商用车ECAS布置示意图1.2.2 ECAS 的发展历程ECAS的最早历史可以追溯到1847年橡胶空气弹簧的诞生。20世纪50年代GM. 公司和FIRESTONE合作研究在汽车悬架上运用橡胶空气弹簧,随后诞生了非电子控制的钢板空气弹簧复合式悬架,这种空气悬挂系统是钢板弹簧与空气弹簧并联在一起,钢板弹簧主要作为导向机构,同时也作为弹性元件承受部分垂直载荷,是一种过渡结构型式,其减振性能受钢板弹簧的影响较大,存在偏频较大和难于匹配等不足之处。为了解决钢板空气弹簧复合式悬架的缺点,出现了非电子控制的全空气悬架(悬架垂向载荷的95%以上均由空气弹簧承担) ,大大提高了汽车的平顺性和舒适性,但是机械式高度控制阀调节气路系统只能被动地适应汽车运行的各种工况条件,汽车行驶的平顺性和操纵稳定性则因路面状况不同而差别较大。在Hubbard和Margolia于1976年提出弹簧刚度可调的半主动空气悬挂系统的概念之前,其实早在1962年, Cadillac 就开发了一种空气弹簧和螺旋弹簧并联的ECAS系统,用于乘用车后轴。随后,Ford开发了仅用空气弹簧承载的ECAS,成功配置于ContinentalMark车型的后悬架上。为了进一步提高车辆的操纵稳定性和行使平顺性, 1986年Toyoto公司在Soarer和LEXUS LS400GT3车上后前悬架均采用ECAS,并且其刚度可在“软”( soft)和“硬”( hard)之间调节, 4个阻尼器一起可以在“软”( soft) 、“中”(medium)和“硬”( hard)中调节。后来,其他研究人员进一步改进ECAS性能,将4 个阻尼器阻尼同时控制改成独立控制,而且阻尼调节范围进一步扩大,即由“软”、“中”和“硬”3级改成“硬”( F IRM ) 、“正常”(NORMAL ) 、“软”( SOFT)和“舒适”(COMFORT) 4级。随着ECAS技术成熟,它的功能也越全和使用范围越广。1989年, Range Rover成为第一个配置ECAS的四轮驱动车,这不仅使其具备了非同寻常的公路驾驶舒适性,还拥有了无与伦比的越野性能。另外,该ECAS还开创了兼容底盘升降技术的先河,例如在行驶速度超过80 km /h时,车身高度会自动降低,以提高其行驶稳定性并降低风阻和油耗;在越野路况,驾驶员可以增加车身高度,以提高车辆的通过性。2002年,梅赛德斯-奔驰在Adap tive Damp ing System 基础上研发了自适应阻尼的ECAS系统(Airmatic DC System) ,并应用于新E级轿车上。2006年,新Audi A8L 6. 0 quattro空气悬架的阻尼器采用无级电子双管气压控制实现了非智能材料阻尼器阻尼力的无级调节4。综上所述,纵观ECAS的发展历程,最先进的ECAS具有的功能:身高度的控制:在标准、升高和降低3者间调节; 阻尼器阻尼力控制具有无级可调; 空气弹簧的弹性系数分软、硬两档。1.2.3 ECAS当前及未来的研究热点1)无级可调阻尼器的研制刚度可调、阻尼器阻尼力也可无级调节的ECAS系统是未来的主流产品。目前、阻尼可调阻尼器主要有两种,一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼,另一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节,这种方法成本较高,结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数,具有结构简单、成本不高、无噪音和冲击等特点,因此是目前发展的主要方向。2)控制策略的研究随着现代控制理论、方法以及计算机技术的发展,空气悬架的控制理论和控制方法成为研究的重点。1984 年, G. J. Stein发表了利用前馈与反馈相结合的“天棚”控制理论( skyhood) ,采用比例压力控制阀控制空气弹簧,并用计算机模拟和假人试验相结合的方法对座椅上假人的垂直振动响应进行研究。随着现代控制理论的发展,提出了ECAS的最优控制方法,它比天棚原理考虑了更多的变量,控制效果更好,目前最优控制规律有3种:线性最优控制、HQ最优控制和最优预见控制。由于实际悬挂系统中有许多非线性的、时变的、高阶动力系统,使最优控制方法变得不稳定,为此又发展了自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能,能适应悬架载荷和元件特性的变化,自动调整控制参数,保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制3类。目前发展最迅速的控制策略是智能控制(模糊控制和神经网络控制)5。模糊控制方法具有自动调节输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能,计算机仿真结果表明该方法更有效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统,它能进行数据融合、学习适应性和并行处理,研究表明它比传统控制有更好的性能。发展能够结合非线性理论和智能控制理论,并且适合空气悬挂系统控制的稳定的算法,成为研究的热点。3)注重节能传统空气悬架在弹簧放气时,直接排到大气中,能量消耗较大,针对这个问题,由比较节能的延时响应型高度控制阀替代了即时响应型高度控制阀; 1999年Meller T. 提出了自激励空气悬架高度控制系统(self-energizing leveling system);文献6介绍了利用空气压缩机回收空气弹簧排出气体的思想。4)控制系统的模块化、集成化随着控制理论和计算机技术的不断发展,以微处理器和传感器为基础的汽车电子控制技术广泛地应用于汽车上, ECAS系统与电子喷射系统、牵引力控制系统、防抱死制动系统、安全气囊控制系统、故障诊断系统和通讯导航系统等将逐步形成一个集成管理系统。该管理系统通过系统工程和公共数据总线所有的子系统互相协调、互相连通、互相作用,实现各子系统间硬件、能量和信息的共享,以最大限度地获取系统集成带来的增效作用,提高汽车的安全性、舒适性和经济性。1.3 研究的基本内容目前,随着汽车的普及度的增加,对汽车自身的舒适性、行驶的平顺性和安全性能的要求已经提升到了一个很高的地位,设计一个良好的悬挂系统就显得十分重要。传统的被动悬挂系统已不能满足要求,所以,现在汽车的设计需要一种人性化的,合理的,能够及时应对外界环境变化的悬挂系统。本课题的研究目的就是设计一种阻尼能够无级可调的阻尼器,它与另一同学研究的刚度无级可调空气弹簧共同组成一个全主动悬挂系统。该系统能够根据实际路面条件,车身状态,实现自动调节阻尼、自动调节刚度等动作,并且能够使汽车自动调节高度,整个运动过程平稳。课题的核心在于如何利用单片机有效地、快速地对步进电机进行控制,使其带动控制杆转过一定角度,控制阻尼孔截面积的改变,产生不同的阻尼值,以适应不同的行驶条件。步进电机可精确步进及直接接受数字量,它的应用领域广泛,如在绘图机、打印机和一些光学仪器中都采用步进电机定位。随着计算机技术的发展,用计算机产生各种脉冲驱动步进电机去达到各种控制目的已屡见不鲜了。步进电机成了计算机应用领域的主要执行元件之一,尤其在精确定位场合和速度控制系统中得到了广泛应用7。全主动悬挂系统需要检测车速、车身垂直振动的振幅及频率、转向盘角度及转向速度、车轮制动压力、踏动油门的速度、轮胎的跳动和悬架行程位置等数据,需要选用和开发相应传感器。同时应解决多传感器信息融合、信息分层处理技术问题。解决途径是基于系统工程理论,面向各个子系统进行程序设计,对整个系统进行仿真调试,采用高速的微处理器。微处理器芯片数据处理与传输速度应该控制在微秒级以上。课题中采用的芯片是Intel公司的8031单片机 8。无论哪种主动悬挂系统,均需要有效、可靠的控制算法, 只有设计完美的控制系统才能获得主动悬挂的优越性能。因而,主动悬挂控制的研究一直是一个非常活跃的领域,取得的成果也非常突出。本课题就当前主动悬挂系统控制算法做了一个全面的概括,重点介绍了模糊PID控制算法,且本文就是采用了模糊PID控制算法设计的全主动悬挂系统。另外,本文中汽车以LEXUS460轿车为设计对象,汽车所有参数取自LEXUS460。第2章 汽车全主动悬挂系统的动力学模型2.1汽车悬挂系统概述悬挂系统是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的所有传力连接装置的总称。2.1.1悬挂系统的功用和组成 1.悬挂系统的功用 (1)把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车挂系统(或承载式车身)上,保证汽车的正常行驶,即起传力作用; (2)利用弹性元件和阻尼器起到缓冲减振的作用; (3)利用悬挂系统的某些传力构件使车轮按一定轨迹相对于车架或车身跳动,即起导向作用; (4)利用悬挂系统中的辅助弹性元件横向稳定器,防止车身在转向等行驶情况下发生过大的侧向倾斜。2.悬挂系统的组成(1)弹性元件起缓冲作用;(2)减振元件起减振作用;(3)传力机构或称导向机构起传力和导向作用;(4)横向稳定器防止车身产生过大侧倾。 应当指出,悬挂系统只要具备上述各个功能,在结构上并非一定要设置上述这些单独的装置不可13。例如,常见的钢板弹簧,除了作为弹性元件起缓冲作用外,当它在汽车上纵向安置,并且一端与车架作固定铰链连接时,即可担负起传递所有各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的任务,因而就没有必要再另行设置导向机构。此外,一般钢板弹簧是多片叠成的,它本身具有一定的减振能力,因而在对减振要求不高时,在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬挂系统中,也可以不装阻尼器。2.1.2 悬挂系统的分类根据阻尼和刚度与车辆行驶条件的关联性,悬架可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架,半主动悬架还可以按阻尼级分为有级式和无级式两类。1.被动悬挂系统传统的悬挂系统的刚度和阻尼系数,是按经验或优化设计方法选择的,一经选定就无法进行调节,因此其减振性能的提高受到限制,这种悬架称为被动悬架。按照随机振动理论,它只能保证在特定的路面激励和车速下达到最优减振效果,难以适应不同的车辆参数和运行工况。简化模型如图2-1(a)所示,其中,弹簧主要用来支承簧上质量的静载荷,而阻尼器主要用于控制响应特性。具体地讲,对于汽车悬架应满足两个方面的要求,一方面为提高转弯、制动等操纵过程的稳定性,要求悬架应具有高阻尼系数;另一方面为隔开随机路面不平对汽车的扰动,提高乘坐舒适性,要求悬架应具有低阻尼系数。由于参数不能任意选择和调节,限制了被动悬挂系统性能的进一步提高。被动悬架的减振性能很差。为了克服被动悬架的缺陷,采用非线性变刚度弹簧和车身高度调节装置等方法,尽管有一定效果,但被动悬架的缺陷仍不能根除,而主动或半主动悬架的采用,则为大幅度改善悬架的性能提供了一条广阔的途径。图2-1 三种悬挂系统的简化模型2.半主动悬挂系统半主动悬架的研究工作始于1973 年,由D.A.Crosby 和D.C.Karnopp首先提出9。半主动悬架的简化模型如图2-1(b)所示,由可变特性的弹簧和阻尼器组成。其基本工作原理是:根据簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号,按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调阻尼器的阻尼力。半主动悬架在产生力的方面近似于被动悬架,但是半主动悬架的阻尼系数或刚度系数可以根据运行状态作为实时或准静态调整,以改善系统的动态性能。通常以改变阻尼器的阻尼力为主,将阻尼分为两、三级,由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级。1984年日产公司研制出一种声纳式半主动悬架,它能通过声纳装置预测前方路面信息,及时调整悬架阻尼器的三种状态10。另外,D.C.Karnopp等人又提出了阻尼连续可调的半主动悬挂系统11。通过改变弹簧刚度的构成的半主动悬架由Hubbard 年提出1976,弹簧刚度的改变是通过切换空气弹簧实现的。与机械弹簧相比,空气弹簧存在更多的优势。因此国外早在八十年代就已将空气弹簧悬架应用于各种车辆。这种悬架与被动悬架相比,减振效果优良得多。3.全主动悬挂系统主动控制悬架简化模型如图2-1(c)所示,由弹性元件和一个力发生器组成。力发生器的作用在于改进系统中能源的消耗和供给系统以能量,该装置的控制目标是要实现一个优质的隔振系统,而又不需对系统作出较大的变化。因此,只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力,即可实现该控制目标。这种悬架的减振效果非常理想。主动悬挂系统通常有两种形式,即由电机驱动的空气式悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架。近年来,日产和丰田公司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架,主要在高速赛车上进行了试验,其弯道行驶横向加速度可达到8g12。主动悬架技术成为汽车悬架发展的重要趋势,它为同时改善汽车行驶安全性和乘坐舒适性提供了广阔的前景。但是它也有其自身固有的缺点:由于主动执行机构的加入,增加了汽车动力的消耗,就限制了其实用化和产品化;另外,要使主动悬架具有良好的动力学性能,就要选用高性能的执行机构(如液压伺服机构、电磁伺服器等),并且需要一套复杂的传感器和仪器设备,从而导致主动悬挂系统结构复杂、技术性高、成本昂贵,而且其可靠性也成为一个问题。因此,目前仅用于排量较大的高档车型。随着控制技术的发展,减少功率消耗、提高控制系统的集成化将是主动悬架研究的主要任务之一。2.1.3 悬挂系统的发展趋势由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求,具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。(1)被动悬架是传统的机械结构,刚度和阻尼都是不可调的,依照随机振动理论,它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量,因而应用最为广泛。在我国现阶段,仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面:通过对汽车进行受力分析后,建立数学模型,然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数;研究可变刚度弹簧和可变阻尼的阻尼器,使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态;研究导向机构,使汽车悬架在满足平顺性的前提下,稳定性有较大的提高。(2)半主动悬架的研究集中在两个方面:执行策略的研究;执行器的研究。阻尼可调阻尼器主要有两种,一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼;一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节,这种方法成本较高,结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数,具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点,因此是目前发展的主要方向。(3)主动悬架研究也集中在两个方面:可靠性;执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口,由于元器件较多,降低了悬架的可靠性,所以,加大元件的集成程度,是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点,今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理,结合参数估计自校正控制器,可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架,使主动悬架由理论研究转化为实际应用。悬架技术的每次跨越,都和相关学科的发展密切相关。计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。同时,悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求,使人类的认识迈向新的、更高的境界。2.2 全主动悬挂系统的动力学模型2.2.1 全主动悬挂系统的特性分析悬挂系统作为控制对象具有以下一些特点:(1)不确定性。决定悬挂系统特性的参数有很多,国外曾有学者建立了含有81个参数的悬挂模型,但即使这样,仍有一些影响因素没有充分考虑进去,而常规的简化应用模型所考虑的就更少了,因此要考虑这些在建立模型时忽略的因素是否在系统中发挥作用。(2)非线性。悬挂系统各参数之间并非都是相互独立的,其中存在大量的藕合,因此具有非线性特性。而在实际研究中,往往将模型简化为线性的,因此难以保证高精度。(3)时变性。悬挂系统的一些参数在使用过程中会随着时间的推移而发生相应的变化,如阻尼器油液的黏度、弹性元件的刚度、簧载质量等。在实际应用中这些变化都是不可避免的,它们轻则导致系统难以迅速准确地达到控制目标,严重的甚至使整个系统失稳。通过以上分析我们可以知道悬挂系统是一个复杂的多参数系统,如果要用一个精确全面的数学模型来描述,它可能会成为一个在工程中无法实现的模型,并且即使能在工程中实现,它的复杂度也给系统的可靠性、可维护性带来了严重的隐患,在工程中往往采取平衡各方面的因素以求得最高性价比的方法来设计系统模型,而不是把每一个因素平等对待。对于一个复杂的非线性系统及带有未知动态特性的过程,一个精确的数学模型往往束手无策,而一个熟练的操作人员却能够依据经验成功的实现控制,因此选择合适的控制策略加上合理的数学模型才能取得预期的效果。模糊控制理论采用近似于人的推理,不需要精确的数学模型,主要依靠的是对以往成功经验的积累,它不仅可以获得良好的一致性和鲁棒性,并且维护费用也较低,为人们易于接受。2.2.2全主动悬挂系统动力学模型的建立车辆悬挂系统是一个复杂的系统,从机构学观点看它是一种复杂的空间机构。从动力学观点看,可以进行简化。经简化的车体模型为簧载质量,它由车身、车架及其上的总成所构成。考虑到该质量的垂直运动,通过质心绕横轴Y的俯仰运动,以及绕纵轴X的侧倾运动,即车身等组成的悬架簧载质量有三个自由度描述。车轮再经过有弹性和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。由于四个车轮的非簧载质量有四个自由度。因此,对于整车模型可建立一个七自由度模型。当每个车轮采用独立悬架结构时,可简化为1/4车辆模型,它能反映出车辆垂直振动的基本特征。非簧载质量反映所谓“轮跳”现象,其小阻尼自然频率在 8-18Hz之间。簧载质量反映出车身垂直振动,其自然频率在0.5-2.5Hz之间。为了反映俯仰振动和垂直振动,不考虑横向摆动,人们建立了“半车模型”,其自由度为四个。车身上、下振动及俯仰,前、后轮非簧载质量上、下移动。因此,车辆模型根据分析的侧重不同可分为1/4车辆模型,半车模型和整车模型。总而言之,车辆是一个复杂的多自由度振动系统,为了便于分析,需要进行简化。现代车辆动力学分析, 常按多自由度建立车辆振动系统动力学模型。综合分析车辆悬架的各物理量振动性质, 在一定假设条件下, 通常将车体质心在铅垂轴线振动简化为1/4 车模双自由度系统。该系统中, 簧下质量车轮属于行走装置。车轮轮胎气压不足时, 刚度降低、径向变形增大, 导致胎面磨损不均匀。从而降低轮胎寿命, 促使车轮附着系数提高并在曲线运动中产生侧向变形加大的侧向弹性反力, 降低牵引性能和制动性能。其分析建模方法是以振动理论和多刚体动力学为基础,结合试验建模,运用现代代数值和分析方法进行动力学分析,并采用先进的仿真软件进行仿真设计。本章主要从垂直振动和控制角度去分析和仿真全主动悬挂系统的动力学特性,悬挂系统采用独立悬架结构,因此采用1/4车辆模型(见图2-2)。图2-2 1/4车辆二自由度模型模型中各个参数的含义如下: ms为车身(悬挂)质量(kg) ; mt为车轮(非悬挂)质量(kg) ; ks为全主动悬挂系统可调刚度系数(N/m) ; kt为轮胎等效刚度(N/m) ; cs为全主动悬挂系统可调阻尼阻尼器的阻尼系数(Ns/m) ; us为全主动悬挂系统力发生器(N); zs为全主动悬挂系统车身簧载质量位移(m); zt为全主动悬挂系统非簧载质量位移(m); r为全主动悬挂系统的路面激励(m)。我国汽车通常采用的轮胎, 断面宽度为(104375)mm , 轮辋直径为(400 1200)mm ,充气压力为(170630) kPa.摩托车轮胎断面宽度为(5018127)mm , 轮辋直径(3551653314)mm.充气压力为(147460) kPa.额定气压下的轮胎刚度与弹性元件, 如螺旋弹簧相比较, 近似于刚性。轮胎对车身的减振及隔振作用很小, 其起伏可以等同于地面起伏。 因此,可将轮胎视为刚体14。进一步将振动系统动力学模型简化为单自由度系统, 见图2-3。为此,我们做如下假设: 忽略汽车非簧载质量不计,而将汽车全部质量集中于系统的簧载质量上,即建立单自由度系统模型; 在车辆行驶中,其轮胎始终保持单点接地,并且左右轮胎经历的路面不平度相同; 空气弹簧的刚度是线性的。该系统中, 粘性阻尼和弹簧材料非弹性阻力致使路面激励引起的振动总能量不保持常值而有所耗散, 系统趋于平衡状态。根据此特征, 我们将该系统定义为单自由度有阻尼非保守系统。图2-3 1/4车辆单自由度模型如上图所示,系统模型由刚度可调减振弹簧、可调阻尼阻尼器组成,路面激励为xi=0.3sin20t,其他个参数表示如下:1)m : 四分之一汽车的质量,单位为千克(kg);2)k : 可调减振弹簧的刚度,k=k0+kr,k0为弹簧固有刚度系数,kr为可调刚度系数,单位均为牛/米(N/m);3)c : 可变阻尼器的阻尼系数, c=c0+cr,c0为阻尼器固定阻尼系数,cr为可调阻尼系数,单位均为牛秒/米(Ns/m);4)xo :车身输出位移,单位为米(m)。由于汽车在行驶过程中经过的路面是随机的,不平整的,路面的波动会导致汽车也以相同的频率振动,因此汽车车身高度在行驶过程中是变化的。从另一个角度来看,假如以汽车为参考物体,则路面相对于汽车不断的运动,其相对运动方向是垂直方向,这就迫使阻尼器上下振动,所以汽车车身与路面之间的距离就不断变化。2.2.3 系统固有频率、静挠度、刚度的计算1)悬挂系统的自然振动频率(固有频率)由悬挂系统刚度和弹簧支承的质量(簧载质量)所决定的车身自然振动频率是影响汽车的平顺性(也称舒适性)的重要指标之一。根据力学分析,如果将汽车看成一个在弹性悬架上做单自由度振动的质量,则悬挂系统的自然振动频率(固有频率)为n=12KM=12gf (2-1) 式中,各个符号的含义:n悬架的频率;M簧载质量;K悬架刚度;f悬架垂直变形(挠度)。悬架频率n 随簧载质量的变化而变化,人体最舒适的频率范围为11.6Hz,如果要将汽车行驶过程中的频率保持在11.6Hz内,最好采用变刚度悬架。由式(2-1)可见:在悬挂系统所受的垂直载荷一定时,悬架刚度越小,则汽车自然振动频率越低。但是,悬架刚度越小,在一定载荷下悬架垂直变形就越大,即车轮上下跳动所需的空间越大,这对于簧载大的货车,在结构上是难以保证的,故实际上货车的车身自然振动频率往往偏高,而大大超越上述理想的频率范围;当悬架刚度一定时,簧载质量越大,则悬架垂直变形越大,而自然振动频率越低。故空车行驶时的车身自然振动频率要比满载行驶时的高。簧载质量变化范围越大,则频率变化范围也越大。2)悬挂系统的静挠度、刚度的计算确定悬架参数之前,先选择前后悬架的类型:前悬挂系统目前基本上都是采用独立悬挂系统,即左右两个车轮各自独立地通过悬挂装置与车体相连,也就意味着可以各自地上下跳动。最常见的前悬挂系统有双横臂式和麦弗逊式(滑柱摆臂式)。因为麦弗逊式结构简单,重量轻,占用空间小,上下行程长等优点,所以在本设计中前悬挂系统选用麦弗逊式悬架。后悬挂系统的种类相对比前悬架要多,原因是驱动方式的不同决定着后车轴的有无,也与车身重量有关。主要应用方式有连杆式和摆臂式两种。因为连杆式悬架与车轴形成一体,弹簧下方质量大,且左右车轮不能独立运动,所以颠簸路面对车身产生的冲击能量比较大,平顺性差。而摆臂式则是仅车轴中间差速器固定,左右半轴在差速器与车轮之间设万向节,并以其为中心摆动,车轮与车架之间用Y型下摆臂连接。所以,在此后悬挂系统选用摆臂式悬挂系统。由于在现代汽车设计理论中,汽车的质量分配系数通常在0.81.2之间,而更多的设计中都取=1。所以,本文中取=1。汽车的前轴和后轴他们之间的振动是没有联系是,而汽车四个车轮的振动也是相对独立的,即他们之间互不影响。把汽车以质心分为前后两部分,用下标1表示前悬挂,2表示后悬挂;同理下标11表示左前轮,12表示右前轮,21表示左后轮,22表示右后轮。则,前后振动频率为:n1=12k1m1=12gfc1 (2-2) n2=12k2m2=12gfc2 (2-3)式中: 前悬挂刚度; 后悬挂刚度; 汽车前半部分质量; 汽车后半部分质量;fc1前悬挂的挠度;fc2后悬挂的挠度;g重力加速度,取g=9.81m/s2。理论研究与经验证明,汽车前后悬架与其簧载质量组成的振动系统固有频率是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。具有良好的行驶平顺性的汽车,其前后悬挂系统的固有频率都比较低。对普通级以下轿车满载的情况,前悬架偏频要求在1.001.45Hz,后悬架则要求在1.171.58Hz。原则上轿车的级别越高,悬架的偏频越小。对高级轿车满载的情况,前悬架偏频要求在0.801.15Hz,后悬架则要求在0.981.30Hz。货车满载时,前悬架偏频要求在1.502.10Hz,而后悬架则要求在1.702.17Hz。而现代轿车的振动频率还有继续降低的趋势。采用低频率的原因是为了减小车身振动加速度和改善车轮在路面上的附着性。表2-1列出了各种车型的悬挂系统的固有频率、静挠度和动挠度的常用范围。由已知条件可知,凌志LS460汽车的整备质量为1925 kg2045 kg,不妨取汽车质量为2000kg,因此应选择比较小的固有频率,查表(2-1),先取前悬挂系统的固有频率为n1=0.95 Hz,同时为了提高汽车整体的平顺性,应该使前后悬挂系统的固有频率n1、n2接近,同时前后悬挂系统的静挠度fc1、fc2也应该接近一些。表2-1 悬挂系统的固有频率和静挠度以及动挠度的常用范围表车型n/Hz/cm/cm货车1.52.251169轿车0.91.6103079大客车1.31.871558越野车1.42.0613713下面对前后悬挂系统的固有频率、静挠度进行计算:m1=m2=m2=20002=1000 kg将数据代入式(2-2),得 0.95=12k11000那么k1=420.952103=3.563 104N/m又由fc1=m1/k1,代入数据得fc1=1000kg9.81m/s23.563104N/m=0.275 m即 fc1=27.5 cm对比表2-1,1027.52时才有隔振效果,在实际应用中n一般取2.55.0之间已足够。而前悬架n1=205.969=3.352后悬架n2=206.283=3.1832,都在要求范围内,证明参数设计合理。2.2.4全主动悬挂系统动力学模型的计算下图(2-4)是全主动悬挂
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