汽車空氣懸架試驗系統(tǒng)方案設(shè)計

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1、汽車空氣懸架試驗系統(tǒng)方案設(shè)計 任務(wù)書 填表須知： 1本任務(wù)書所列各項由指導教師詳細填寫，以便學生全面了解和正確執(zhí)行。本任務(wù)書經(jīng)學院、系 (教研室 )審定后，送教學科一份，發(fā)給學生一份。 2學生接到任務(wù)書后，應(yīng)制訂好工作計劃，填寫開題報告，認真進行畢業(yè)設(shè)計，并按規(guī)定時間完 成。任務(wù)書所列各項內(nèi)容不得涂改，因特殊情況需要變動的必須經(jīng)系(教研室) 負責人、教學院長審核 同意。 3本任務(wù)書中“ ”內(nèi)容為填表解釋。畢業(yè)設(shè)計完成后，本任務(wù)書裝訂在設(shè)計前面，交學院存檔。 一、基本情況 1、學院專業(yè)： 學院 專業(yè)。 2、選題名稱： 汽車空氣懸架試驗系統(tǒng)方案設(shè)計 。 3、指導教師 ；指導教師職稱： 。 4、協(xié)助

2、指導教師： ；協(xié)助指導教師職稱： 。 5、學生學號： ；學生姓名： 。 6、導師團成員： 。助教及助教以下職稱的指導教師需導師團成員指導 7、作業(yè)期限： 年 月 日至 年 月 日。 8、作業(yè)地點： 。 9、選題性質(zhì)： 科研 生產(chǎn) 其它 。 10、選題出處：填寫畢業(yè)設(shè)計選題的具體來源，例如科研項目名稱、生產(chǎn)項目名稱等 車輛半主動懸架智能控制器研究（校創(chuàng)新基金 CX2004-05） 。 二、審批情況 1、系(教研室) 意見： 經(jīng)論證，該畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 填“符合/不符合” 人才培養(yǎng)方案要求。 系(教研室) 負責人： 年 月 日 2、學院審批意見： 經(jīng)審核， 填“同意/ 不同意”下發(fā)該任務(wù)書。 教學院

3、長簽字或?qū)W院蓋章： 年 月 日 三、畢業(yè)設(shè)計任務(wù) 1、總體要求 進行畢業(yè)設(shè)計的時間為 16 周。學生依據(jù)導師給定的選題，能編寫符合 要求的設(shè)計說明書，獨立進行資料的收集、加工與整理，能綜合運用科學的 理論、知識和技能，進行必要的實驗、測試、分析，解決設(shè)計問題，正確繪 制有關(guān)圖表，獨立撰寫并答辯。 2、設(shè)計內(nèi)容及具體要求 主要包括對前言、環(huán)境概況、設(shè)計依據(jù)、設(shè)計立意、總體設(shè)計及功能、規(guī)劃、附圖、附表等的要 求 1、 對目前國內(nèi)外汽車空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作一個全面、深入 的了解，闡述建立汽車空氣懸架試驗系統(tǒng)進行空氣懸架的性能研 究和進行可控空氣懸架研究和開發(fā)的目的、意義。 2、 在熟悉空氣懸架

4、原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行四分之一車輛模擬空 氣懸架試驗系統(tǒng)的方案設(shè)計。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成可控的空氣懸架系統(tǒng)。 3、 整個方案設(shè)計應(yīng)包括臺架的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；各種元件的正確選型 和論證，如空氣壓縮機、調(diào)節(jié)裝置；信號采集系統(tǒng)的布置等。 4、 依據(jù)汽車理論關(guān)于車輛模型簡化的理論,并參照目前國內(nèi)外相 似試驗系統(tǒng)的設(shè)計資料，設(shè)計出符合要求的試驗系統(tǒng)。 5、 整個設(shè)計應(yīng)結(jié)構(gòu)簡潔、經(jīng)濟合理、整個裝置及測試儀器便于拆卸 和安裝。 6、 整個系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計合理，便于信號的采集。 7、 主要設(shè)計參數(shù)：簧載質(zhì)量 ms 為 160kg,非簧載質(zhì)量 mu 為 20kg， 懸架空氣彈簧剛度在正常振動幅度內(nèi)約為 10000N/m,輪胎

5、剛度 kt 為 100000N/m。 8、 畫出試驗系統(tǒng)總體布置圖，重要零件的零件圖。 9、 圖紙要求：工程制圖標準。 10、 按畢業(yè)設(shè)計撰寫規(guī)范按時撰寫畢業(yè)設(shè)計，提交電子文檔一份。 3、指定閱讀的參考文獻原則上要求中文文獻不低于 10 篇，外文文獻不低于 5 篇 1、陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊 ) M.人民交通出版社,1999. 2、 英Dave Crolla，喻凡.車輛動力學及其控制M. 人民交通出版社 ,2004. 3、余志生.汽車理論（第 3 版）M.機械工業(yè)出版社 2002. 4、張廟康，胡海巖.車輛懸架振動控制系統(tǒng)研究的進展 J. 振動、測試與診斷, 1997，3 . 5、方子帆等.汽

6、車半主動懸架系統(tǒng)研究進展 J.重慶大學學報,2003,1. 6、喻凡, 黃宏成, 管西強.汽車空氣懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .汽車技術(shù),2001, 第 8 期. 7、俞德孚 .車輛懸架減振器的理論與實踐 . 兵工學報 坦克裝甲車與發(fā)動機分冊,1988(3):25-27. 8、王望予汽車設(shè)計機械工業(yè)出版社，2000 年 5 月. 9、陳興林，胡樹華.汽車空氣懸架的應(yīng)用發(fā)展與我國汽車業(yè)的應(yīng)對策略. 汽車科技, 第 4 期,2004 年 7 月. 10、解福泉. 關(guān)于主動式汽車空氣懸架的控制技術(shù)研究. 交通標準化,2006 年 8 期. 11、倪建華等. 一種新型的磁流變阻尼器及其在半主動控制車輛懸架中

7、的應(yīng)用研究 . 機械科學與 技術(shù), 2004 年 1 月, 第 23 卷第 1 期. 12、周立開,陳龍等. 車輛半主動懸架的試驗研究. 蘭州理工大學學報, 2005 年 6 月, 第 31 卷第 3 期. 13、 JDCarlson and B.F.Spencer Jr. Magneto-Rheological Fluid Dampers For Semi-Active Seismic Control. In the Proceedings of the 3rd International Conference on Motion and Vibration Control, Septemb

8、er 1- 6, Chiba, Japan, 1996, Vol. , pp. 35-40. 14、 Lord Corporation, http:/ 15、 F. Goncalves, J. H. Koo, and M. Ahmadian, “Experimental Approach for Finding the Response Time of MR Dampers for Vehicle Applications,” DETC 2003 19th Biennial Conference on Mechanical Vibration and Noise, September, 2-6

9、, 2003 in Chicago, IL, USA. 16、 J.H. Koo, F. Goncalves, and M. Ahmadian, Investigation of the response time of magnetorheological fluid dampers. Advanced Vehicle Dynamics Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24061-0238 17、 Grosby M J, Karnopp D C. The Activ

10、e Damper -A New Concept for Shock and Vibration Control. The Shock and Vibration Bull, 1973, 43(4):119-133. Jing Zhou, Peizhi Zhang. Digital Control of an Automotive Active Suspension System. ME561 Design of Digital Control Systems（Final Report）, 2003,4. 18、 K Yi, B S Song. A new adaptive sky-hook c

11、ontrol of vehicle semi-active suspensions. Proc Instn Mech Engrs, 1999, 213 Part D04298. 4、備注指導教師對學生的其他要求及說明等 附錄： 畢業(yè)設(shè)計( 論文)評分標準 一、計分方法 評定畢業(yè)設(shè)計(論文)的成績，采用五級記分制(優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格)和評語相結(jié)合 的辦法。指導教師、評閱教師、答辯成績各占 40%、20%和 40%。 二、評語內(nèi)容 1、畢業(yè)設(shè)計( 論文) 是否達到任務(wù)書的要求，有何特點和獨創(chuàng)性。 2、應(yīng)用所學知識和技能，進行實驗、設(shè)計、分析與研究探討問題的能力。 3、畢業(yè)設(shè)計( 論文)

12、 的正確程度、實驗意義、圖表質(zhì)量和文字表達能力。 4、答辯時報告和回答問題的情況，以及畢業(yè)設(shè)計( 論文)中的表現(xiàn)和工作態(tài)度等評語由指導教師 評寫，經(jīng)答辯委員會(組)主席或教研室(組) 主任審改后，填入有關(guān)表格中。 三、評分標準 1、優(yōu)秀 全面正確地按任務(wù)書的要求完成了設(shè)計(論文) 任務(wù)。能創(chuàng)造性地應(yīng)用所學知識和技能。設(shè)計 (論文) 的基本論點、結(jié)論、方案、圖表、說明等均論述有據(jù)，質(zhì)量較高，并能應(yīng)用先進技術(shù)。獨立工作能力 較強。答辯時概念清楚，能正確回答與本課題有關(guān)的全部問題。 2、良好 較全面地按任務(wù)書的要求完成了設(shè)計(論文) 任務(wù)。能綜合應(yīng)用所學知識和技能。設(shè)計 (論文)的基 本論點、結(jié)論、

13、方案、圖表、說明等基本正確，質(zhì)量較好。有一定的獨立工作能力。答辯時概念清楚， 能正確回答與本課題有關(guān)的主要問題。 3、中等 能按任務(wù)書的要求完成設(shè)計(論文) 任務(wù)。設(shè)計(論文) 中一般能綜合應(yīng)用所學知識和技能。設(shè)計( 論 文)的基本論點、結(jié)論、方案、圖表、說明等質(zhì)量尚好，但有非原則性錯誤。具有初步的獨立工作能 力。答辯時概念清楚，基本上能正確回答與本課題有關(guān)的主要問題。 4、及格 基本上能按任務(wù)書的要求完成了設(shè)計(論文) 任務(wù)。設(shè)計(論文)和圖表質(zhì)量一般，非原則性錯誤較 多。獨立工作能力一般。答辯時概念基本清楚，尚能正確回答與本課題有關(guān)的最基本的問題。 5、不及格 未能按任務(wù)書的要求完成設(shè)計(

14、論文) 任務(wù)，或依賴教師和同學勉強完成了設(shè)計 (論文)。設(shè)計( 論文) 和圖表的質(zhì)量不符合要求。答辯時概念不清，不能正確回答與本課題有關(guān)的最基本的問題，或有原則 性錯誤。 四、評分要求 評分要嚴肅認真，堅持標準，實事求是，力求反映學生的真實業(yè)務(wù)水平。畢業(yè)設(shè)計(論文) 成績主 要依據(jù)學生完成畢業(yè)設(shè)計(論文 )和答辯的情況，不涉及學生的其它因素。各課題組的評分標準應(yīng)該一 致。一個教學班的評分應(yīng)符合“正態(tài)分布”的一般規(guī)律。 畢業(yè)設(shè)計(論文)的評分和評語，均裝入學生檔案。畢業(yè)設(shè)計 (論文)成績不及格的按我校學生學 籍管理實施細則的規(guī)定處理。 摘 要 本論文根據(jù)有關(guān)汽車模型簡化的理論，在現(xiàn)有的四分之一模

15、擬懸架機械裝置的基礎(chǔ) 上，用空氣彈簧代替普通螺旋彈簧設(shè)計空氣懸架試驗臺系統(tǒng)。 本試驗臺實現(xiàn)的是懸架的剛度可調(diào)。設(shè)計一個副氣室，通過一個步進電機控制主、 副氣室間通路的大小來實現(xiàn)空氣彈簧剛度的調(diào)節(jié)。本試驗臺由空氣壓縮機、濾清器、安 全閥、空氣彈簧、減振器和其它的相關(guān)部件組成機械振動系統(tǒng)，由傳感器、ECU 和執(zhí)行元 件組成測控系統(tǒng)，利用傳感器采集信號，通過計算機處理，控制高度閥和步進電機，從 而使簧上質(zhì)量的高度和振動頻率都在一定的范圍之內(nèi)。本論文首先進行了彈簧的選用并 計算以及減振器、傳感器、氣動元件和步進電機的選用，然后是設(shè)計臺架總體結(jié)構(gòu)，布 置信號采集裝置以及校核重要零件，最后是畫出總成的裝配

16、圖、重要零件的零件圖。 關(guān)鍵詞：汽車振動，空氣彈簧，可控空氣懸架，懸架試驗臺 Abstract The thesis according to the theory which simplifies about the model of vehicle, on the base of a quarter car simulation suspension mechanism rig, the ordinary helical spring is replaced by an air spring, and the air suspension testing rig have been des

17、igned. The test rig put the suspension rigidity adjustment into practice. Designs an accessory airspace, controls the pipeline size between the main and the accessory airspace with the stepper motor and realizes the air spring variable stiffness. The mechanical vibrating system of the test rig is co

18、mposed of the air compressor、the filter、the safety valve、the air spring、the shock absorber and other related parts, the measure and control system is composed of the sensor、ECU and the performance element. Using the sensor gathers signal, then the ECU analyses and controls the height valve and the s

19、tepper motor to make the height and the vibration frequency of the objects on the air spring in certain scope. The thesis has first carried on spring selection and calculates as well as the shock absorber, the sensor, the air operated part and the stepper motor selection, then designs the test rig s

20、tructure, arranges signal gathering equipment and examine the important components, finally draws the assembly drawing and the detail drawings of the important parts. Key Words: Automobile vibration, Air spring, Controllable air suspension, The suspension test rig 目 錄 前 言 .1 第一章 緒論 .2 1.1 空氣懸架結(jié)構(gòu)與分類

21、.2 1.2 空氣彈簧懸架國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 .3 1.3 本論文研究的目的、內(nèi)容和意義 .4 第二章 汽車振動的簡化及分析 .5 2.1 振動的簡化 .5 2.2 車身與車輪雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動分析 .6 第三章 空氣懸架系統(tǒng)元件概述 .9 3.1 空氣彈簧 .9 3.1.1 空氣彈簧特性 .10 3.1.2 空氣彈簧特性試驗 .12 3.2 減振器 .14 3.3 高度控制閥 .15 第四章 控制方式 .18 4.1 最優(yōu)控制方法 .18 4.2 自適應(yīng)控制方法 .18 4.3 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法 .19 第五章 信號采集、控制元件的選擇 .20 5.1 試驗臺信號采集、控制方案設(shè)計

22、 .20 5.2 元件選擇 .20 5.3 信號采集裝置的布置及剛度、高度調(diào)節(jié) .22 第六章 機械元件的設(shè)計、校核 .23 6.1 空氣彈簧設(shè)計計算 .23 6.1.1 空氣彈簧剛度計算 .23 6.1.2 附加空氣室設(shè)計 .24 6.2 減振器選擇與計算 .24 6.3 輪胎當量螺旋彈簧的設(shè)計、校核 .25 6.4 減振器螺栓的校核 .26 6.5 立柱的設(shè)計 .26 6.6 簧上、簧下質(zhì)量的確定 .27 6.6.1 簧上質(zhì)量的確定 .27 6.6.2 簧下質(zhì)量的確定 .28 結(jié) 論 .29 致 謝 .30 參考文獻 .31 附 錄 前 言 汽車空氣懸架近幾年開始發(fā)展迅猛，在空氣懸架中，空

23、氣彈簧是主要的彈性元件， 它代替了傳統(tǒng)懸架中的螺旋彈簧，是一種新型的彈性元件，它的剛度可根據(jù)具體情況靈 活改變，使乘坐舒適性大大提高。不僅如此，配合其特有的高度控制閥，它還可以自動 調(diào)整車輛高度，增加高速時的行車安全性。與傳統(tǒng)汽車懸架相比，空氣懸架有許多性能 優(yōu)點是傳統(tǒng)懸架無法與之匹敵。 本論文首先在熟悉空氣懸架各零部件的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要根據(jù)學校實 驗室現(xiàn)有的一個四分之一模擬懸架機械裝置，針對空氣懸架試驗臺系統(tǒng)的要求對上述四 分之一模擬懸架機械裝置進行改進和優(yōu)化，然后對空氣懸架總成中的重要零部件進行型 號選擇和論證，確定整個試驗臺的功用和結(jié)構(gòu)布局，以方便后期試驗臺的制造。 本論文所

24、涉及的是南京林業(yè)大學車輛半主動懸架智能控制器研究(校創(chuàng)新基金 CX2004-05)項目中的一部分。 姓名： 日期： 第一章 緒論 1.1空氣懸架結(jié)構(gòu)與分類 懸架是現(xiàn)代汽車的重要總成之一，它是車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接機 構(gòu)的總稱。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，緩和路面?zhèn)鹘o車 身的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定 性?？諝鈶壹埽櫭剂x，就是以空氣彈簧為彈性元件，利用氣體的可壓縮性起彈性作 用的。壓縮氣體的氣壓能夠隨載荷和道路條件變化而進行自動調(diào)節(jié)，不論滿載還是空載， 整車高度不會變化，可以大大提高乘坐的舒適性。其總成由

25、兩部分組成：第一部分主要 為結(jié)構(gòu)件，包括空氣彈簧、減振器、橫向穩(wěn)定桿及各種安裝支架等；第二部分為氣路和 控制系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、儲氣筒、空氣濾清器、干燥器、限壓閥、安全閥、高度控 制閥組件、管路、密封件等。如圖 1.1 和 1.2 所示為某客車空氣懸架的前懸和后懸。 圖 1.1 前懸 圖 1.2 后懸 空氣懸架按具體結(jié)構(gòu)可分為以下三種：全長鋼板彈簧并用式空氣懸架、鋼板彈簧后 端式空氣懸架、平行桿式空氣懸架，分別如圖 1.3，圖 1.4、圖 1.5 所示。 圖 1.3 全長鋼板彈簧并用式 圖 1.4 鋼板彈簧后端式 圖 1.5 平行桿式 空氣懸架還可按進氣的控制方式分為機械控制式和電子控制式兩

26、種。 空氣懸架因為空氣彈簧具有非線性剛度特性，因此可以得到較低的固有振動頻率， 保證了汽車良好的行駛平順性；而且空氣懸架質(zhì)量輕、彈簧剛度低，可以提高輪胎的附 著能力，縮短制動距離，提高了整車的操縱穩(wěn)定性；相對板簧結(jié)構(gòu)而言，空氣懸架車體 平穩(wěn)，從空載到滿載的整個范圍內(nèi)都能有效隔斷路面?zhèn)鬟f的振動，具有防震、防噪聲等 功能；但空氣彈簧結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高；空氣彈簧尺寸大，布置困難；密封環(huán)節(jié)多， 密封困難。 1.2空氣彈簧懸架國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 空氣彈簧誕生于十九世紀中期，早期用于機械設(shè)備的隔振。1947 年，美國首先在普 爾曼車上使用空氣彈簧，到 1964 年，美國生產(chǎn)的 25 種公共汽車中，有

27、23 種使用了空氣 彈簧懸架。美國的通用汽車公司在 1958 年就生產(chǎn)了裝有空氣彈簧懸架的牽引車。1961 年， 德國開始在大多數(shù)公共汽車上使用空氣彈簧，到 1964 年，德國生產(chǎn)的 55 種大中型客車 中，有 38 種使用了空氣彈簧懸架。此后意大利、英國、法國及日本等國家相繼對空氣彈 簧作了大量的研究工作。目前，空氣彈簧懸架在國外豪華汽車上已經(jīng)被廣泛采用，在高 速客車和豪華城市客車上的使用率已達到 100%，在中、重型貨車以及掛車上也超過 80%，如美國的 Ford，德國的 Benz、Man、Neoplan，瑞典的 Volvo，法國的雷諾，日本的 尼桑、日野、五十鈴、三菱等。同時部分高級轎車

28、上也有選裝空氣彈簧懸架的，如美國 的林肯，德國的 Benz300SE 和 Benz600 等。 我國早在二十世紀五十年代就對空氣彈簧進行了研究，1957 年初，長春汽車研究所 與化工部橡膠工業(yè)研究所合作，進行空氣彈簧橡膠氣囊的設(shè)計與研究，同年底制造出我 國第一輛空氣懸架貨車。1958 年，長春汽車研究所在北京、天津、上海等地設(shè)計和協(xié)助 設(shè)計了公共汽車、無軌電車以及軌道車輛等多種車輛的空氣彈簧懸架。 八十年代初長春汽車研究所再次進行空氣彈簧懸架的研究，并為武漢客車制造廠、 瓦房店客車廠、四平客車廠等幾家工廠設(shè)計了空氣彈簧懸架，當時車身自振頻率可降低 到 1.11.2Hz，平均車速提高了 17%。

29、懸架質(zhì)量也比同車型的鋼板彈簧懸架減輕了 5060 公斤。這期間國產(chǎn)空氣懸架存在的主要問題是橡膠氣囊的壽命偏低和高度控制閥 泄漏等沒有得到很好解決。 上世紀九十年代，國內(nèi)客車廠紛紛從國外購置空氣彈簧懸架及空氣彈簧懸架客車底 盤，對其產(chǎn)品進行技術(shù)改進，以提高其產(chǎn)品的技術(shù)含量，搶占國內(nèi)高檔客車市場，如北 方車輛制造廠、廈門金龍聯(lián)合汽車公司、亞星客車集團公司等。同時國內(nèi)各大汽車廠、 研究所、大專院校也對空氣懸架進行開發(fā)設(shè)計和理論研究。如東風汽車工程研究院，中 國重型汽車集團公司，上海匯眾汽車制造公司，淝河汽車制造廠，交通部重慶公路科學 研究所，江蘇省交通科學研究院，湖北大學，同濟大學，北京理工大學等。

30、在這段時期 沈陽飛機制造公司和交通部重慶公路科學研究所起草了 GB11612-89客車空氣懸架用高 度控制閥和 GB/T13061-1991汽車懸架用空氣彈簧橡膠彈簧國家標準，為高度控 制閥和橡膠氣囊國產(chǎn)化提供了標準。 為了滿足空氣彈簧懸架維修配件的需要，近年來國內(nèi)一些企業(yè)正在生產(chǎn)空氣彈簧懸 架零部件，如貴州前進橡膠有限公司、山東萊州市橡膠廠、鐵道部四方車輛研究所等廠 家，主要生產(chǎn)各種膜式和囊式空氣彈簧氣囊，應(yīng)用于汽車、鐵路車輛和一些機械設(shè)備上。 也有些曾經(jīng)生產(chǎn)過或正在生產(chǎn)高度控制閥的廠家，如鐵道部科學研究院機車車輛研究所， 華中理工大學，中國電子工程設(shè)計院，交通部重慶公路科學研究所，浙江瑞安

31、市東歐汽 車零件廠等。 1.3本論文研究的目的、內(nèi)容和意義 隨著我國公路運輸業(yè)的發(fā)展，人們對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性提出更高的要求。 在傳統(tǒng)的被動懸架中各參數(shù)一經(jīng)確定就無法改變，從而限制了汽車性能的進一步提高。 阻尼或剛度參數(shù)可調(diào)節(jié)的半主動懸架，可以根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)和道路激勵大小自動調(diào) 節(jié)懸架參數(shù)，使其始終保持在最優(yōu)設(shè)定狀態(tài)，提高了汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，空 氣彈簧懸架具有自振頻率低、彈簧剛度可調(diào)、振動及噪聲小、使用壽命長等特點，推廣 使用空氣彈簧懸架可以有效地解決上述問題。目前，國內(nèi)外對半主動空氣彈簧懸架已經(jīng) 進行了一些研究，尤其是在空氣彈簧懸架設(shè)計和空氣彈簧懸架控制及整車匹配技術(shù)方

32、面 做了大量開創(chuàng)性的工作。但是，對于空氣彈簧懸架的研究必須從實驗室開始，實驗室研 究又必須以試驗臺為基礎(chǔ)。至于試驗臺的研究設(shè)計目前國內(nèi)也就只有幾所大專院校正在 進行，有些還僅限于仿真階段，或者進行某個部件的試驗研究，基本上沒有詳細、全面 的科研成果。 本試驗臺系統(tǒng)方案的設(shè)計就是為了能夠更好的設(shè)計出符合研究和試驗使用的試驗臺 而進行的。通過對空氣懸架系統(tǒng)的各種元件進行正確的選型和論證，構(gòu)造出符合研究和 試驗使用的試驗臺就是本論文的目的和內(nèi)容。研究用試驗臺一旦成功設(shè)計制造出來，它 將最大可能的模擬車輛懸架系統(tǒng)的真實的工作情況，試驗出來的準確數(shù)據(jù)將是實際車輛 懸架系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和制造的直接參考依據(jù)，

33、試驗數(shù)據(jù)的正確與否將關(guān)系到實際車輛懸 架系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和制造流程的周期與成本。因此，本論文所研究的關(guān)于汽車空氣懸架 試驗系統(tǒng)方案設(shè)計整個懸架系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和制造流程中最為關(guān)鍵，也最為重要的第一 步。 第二章 汽車振動的簡化及分析 2.1振動的簡化 汽車是一個復雜的振動系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)所分析的問題進行簡化。圖 2.1 為一個把汽車 車身質(zhì)量看作剛體的立體模型。汽車的懸掛質(zhì)量為 ，它是由車身、車架及其上的總成2m 所構(gòu)成。該質(zhì)量繞通過質(zhì)心的橫軸 y 的轉(zhuǎn)動慣量為 ，懸掛質(zhì)量通過減振器和懸架與車yI 軸、車輪相連接。車輪、車軸構(gòu)成的非懸掛質(zhì)量為 。車輪在經(jīng)過具有一定彈性和阻尼1 的輪胎支撐在不平的路面上

34、。在討論平順性時，這一立體模型的車身質(zhì)量主要考慮垂直、 俯仰、側(cè)傾 3 個自由度，4 個車輪質(zhì)量有 4 個垂直自由度,共 7 個自由度。 圖 2.1 四輪汽車的簡化的立體模型 圖 2.2 雙軸汽車簡化的平面模型 當汽車對稱于其縱軸線且左右車轍的不平度函數(shù) x(I)=y(I)，此時車身只有垂直振動 Z 和俯仰振動 ，這兩個自由度的振動對平順性的影響很大。圖 2.2 為汽車簡化成 4 個 自由度的平面模型。在這個模型中，又因輪胎阻尼較小而可以忽略不計，同時把質(zhì)量 ，2m 轉(zhuǎn)動慣量 的車身按動力學等效的條件分解為前軸上、后軸上及質(zhì)心 C 上的 3 個集中 、yI f 、 。這 3 個質(zhì)量由無質(zhì)量的剛

35、性桿連接，它們的大小由下述 3 個條件決定：2rmc 1)總質(zhì)量保持不變 (1)22mmcrf 2)質(zhì)心位置保持不變 (2)0frab 3)轉(zhuǎn)動慣量的值保持不變 (3)222yyfrIab 式中 為繞橫軸 y 的回轉(zhuǎn)半徑；a、b 為車身質(zhì)量部分的質(zhì)心至前、后軸的距離。由式(1)、y (2)和(3)得出 3 個集中質(zhì)量分別為： = = =2fm2yaL2rm2ybL2cm2(1)yab 式中的 為軸距。L 通常，令 = / ，并稱其為懸掛質(zhì)量分配系數(shù)。由上面 3 個式子可以看出當2yb =1 時，聯(lián)系質(zhì)量 =0。根據(jù)統(tǒng)計，大部分汽車的 =0.81.2，即接近于 1。在 =1c 的情況下，前后軸上

36、方車身部分的集中質(zhì)量 、 的垂直方向運動是相互獨立的。在2fmr 此的情況下，當前輪遇到路面不平度而引起振動時，質(zhì)量 運動而質(zhì)量 不運動；2f 2rm 反之也是這樣；因此，在這種特殊情況下，可以分別討論圖 2.2 上 和前輪軸以及2f 和后輪軸所構(gòu)成的兩個雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動。2rm 2.2車身與車輪雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動分析 圖 2.3 兩個自由度振動系統(tǒng) 對于圖 2.2 所示的雙軸汽車四個自由度的振動模型，當懸掛質(zhì)量分配系數(shù) = 的數(shù)值接近 1 時，前后懸掛系統(tǒng)的垂直振動幾乎是獨立的。于是可以簡化為圖 2.32/yab 所示的兩個自由度振動系統(tǒng)。這個系統(tǒng)除了具有車身部分的動態(tài)特性外，還能反映車輪 部

37、分在 1015Hz 范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻共振時的動態(tài)特性，它對平順性和車輪的接地性有較大 影響，更接近汽車懸掛系統(tǒng)的實際情況。圖中， 為懸掛質(zhì)量(車身質(zhì)量)； 為非懸2m1m 掛質(zhì)量(車輪質(zhì)量)； 為懸掛剛度； 為阻尼器阻尼系數(shù)； 為輪胎剛度；q 為輸入的KCtK 路面不平度函數(shù)。 車輪與車身垂直位移坐標為 z1、z 2，坐標原點選在各自的平衡位置，其運動方程為： (4)2212111()()0()tmzCzKq 無阻尼自由振動時，運動方程變成 (5)2211 ()0tmzKz 由運動方程可以看出， 與 的振動是相互耦合的。若 不動( =0)，則得2m1 1m1z220zK 這相當于只有車身質(zhì)量 的

38、單自由度無阻尼自由振動。其固有圓頻率為：2 。2m 同樣，若 不動( =0)，相當于車輪質(zhì)量 作單自由度無阻尼自由振動，于是可2m2z1 得車輪部分固有圓頻率： 1()ttK 與 是雙質(zhì)量系統(tǒng)，是只有單獨一個質(zhì)量振動時的部分頻率(偏頻)。ot 在無阻尼自由振動時，設(shè)兩個質(zhì)量以相同的圓頻率 和相角 作簡諧振動，振幅為 、 ，則其解為：10z2 ()10jtze()20jtze 將上面兩個解代入微分方程組(5)得： (6)202010 Kzzm (7)21020101tz 將 、 代入式(6)和(7)，可得202K1()ttK20101)zzm 此方程組有非零解的條件是 和 的系數(shù)行列式為零，化為

39、代數(shù)式即0z 1() 0m (8)42221000t 式(8)稱為系統(tǒng)的頻率方程或特征方程，它的兩個根為雙質(zhì)量系統(tǒng)主頻率 和 的平方12 22210 11=()04()tt Ktm、 經(jīng)過一定的理論計算可以得到雙質(zhì)量系統(tǒng)的傳遞特性；車身加速度 、懸架彈簧動2z 撓度 和車輪相對動載 的幅頻特性，從而可在一定的試驗條件下得出系統(tǒng)參數(shù)(車dfdfG 身部分固有頻率 、阻尼比 、剛度比 和質(zhì)量比 )對振動響應(yīng)的影響。具體總結(jié)如下：0f 車身加速度 、懸架彈簧動撓度 和車輪相對動載 對車身部分固有頻率 的變2zdfdfG0f 化是很敏感的。阻尼比 的變化對 、 和 都有較大的影響：隨阻尼比 增大，在2

40、zdf 低頻共振區(qū)的 、的 峰值均會下降，而在低頻、高頻兩個共振區(qū)之間都增大，在高2zdfG 頻共振區(qū) 變化很小，而 有明顯下降；當 增大時， 在高、低兩個共振區(qū)均df 會明顯下降，在兩個共振區(qū)之間變化很??；行駛安全性要求取較大值，平順性要求取較 小值。車身與車輪部分質(zhì)量比 增大， 、 略有減小，主要是 變化較大，因此，2zdf dfG 減小車輪部分質(zhì)量 對平順性影響不大，主要影響行駛安全性。當其他參數(shù) 、 和1m 0f 均保持不變時， 增大相當于懸架剛度 不變而輪胎剛度 增大，從而使車輪部分系KtK 統(tǒng)參數(shù) 提高而 下降，使三個幅頻特性高頻共振峰向高頻移動，而且峰值提高，其中tft 的變化最

41、大， 次之；采用軟的輪胎對改善平順性，尤其是提高車輪與地面間的附dfG2z 著性能有明顯好處。 可控懸架就是通過改變彈簧剛度或減振器阻尼來改變懸架系統(tǒng)的剛度比或阻尼比來 使行駛平順性和操縱安全性的矛盾適時緩解，從而使行駛平順性更好，更舒適而操縱穩(wěn) 定性更好。 第三章 空氣懸架系統(tǒng)元件概述 3.1空氣彈簧 橡膠空氣彈簧是由簾線層、內(nèi)外橡膠層或鋼絲圈經(jīng)成型后硫化形成一種撓性體，利 用充入空氣的可壓縮性實現(xiàn)彈性功能的一種橡膠元件。俗稱空氣彈簧、橡膠氣囊、氣囊 等?？諝鈴椈芍荒艹惺艽怪陛d荷，所以空氣彈簧懸架需要一套導向機構(gòu)來承受切向力和 側(cè)向力。橡膠空氣彈簧總成一般由彈性元件、護圈、緩沖塊等經(jīng)裝配后形

42、一個具有密閉 氣室的整體。如圖 3.1 所示。 圖 3.1 空氣彈簧結(jié)構(gòu) 橡膠空氣彈簧工作時，內(nèi)腔充入壓縮空氣，形成一個壓縮空氣氣柱。隨著振動載荷 量的增加，彈簧的高度降低，內(nèi)腔容積減小，彈簧的剛度增加，內(nèi)腔空氣柱的有效承載 面積加大，此時彈簧的承載能力增加。當振動載荷量減小時，彈簧的高度升高，內(nèi)腔容 積增大，彈簧的剛度減小，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積減小，此時彈簧的承載能力減小。 這樣，空氣彈簧在有效的行程內(nèi)，空氣彈簧的高度、內(nèi)腔容積、承載能力隨著振動載荷 的遞增與減小發(fā)生了平穩(wěn)的柔性傳遞、振幅與震動載荷的高效控制。還可以用增、減充 氣量的方法，調(diào)整彈簧的剛度和承載力的大小，還可以附設(shè)輔助氣室

43、，實現(xiàn)自控調(diào)節(jié)。 根據(jù)橡膠氣囊工作時的變形方式，空氣彈簧可分為囊式空氣彈簧、膜式空氣彈簧和 混合式空氣彈簧三種。如圖 3.2、圖 3.3、圖 3.4 所示。按密封結(jié)構(gòu)形式分為壓力自封式、 輪緣夾緊式、箍環(huán)密封式和混合式四大類。 膜式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形；囊式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊 的撓屈獲得彈性變形；混合式空氣彈簧則兼有以上兩種變形方式。 囊式空氣彈簧根據(jù)橡膠氣囊曲數(shù)不同分為單曲、雙曲和多曲囊式空氣彈簧。氣囊各 段之間鑲有金屬輪緣，目的是承受內(nèi)壓張力。囊式空氣彈簧的有效面積變化率及彈簧剛 度較大，振動頻率也較高。 圖 3.2 囊式 圖 3.3 膜式 圖 3.4 混合式 膜式

44、空氣彈簧的結(jié)構(gòu)是在蓋板和底座之間放置一個圓柱形橡膠氣囊，通過氣囊撓曲 變形實現(xiàn)整體伸縮。膜式空氣彈簧可得到比囊式空氣彈簧更為理想的彈性特性曲線。膜 式空氣彈簧在正常工作范圍內(nèi)，彈簧剛度變化要比囊式空氣彈簧小，同時也可通過改變 底座形狀的方法，控制有效面積變化率，以獲得比較理想的彈性特性。膜式空氣彈簧有 效面積變化率也比囊式空氣彈簧小。 膜式空氣彈簧可通過改變氣囊長度來增加工作行程。根據(jù)橡膠氣囊與上蓋板和底座 的連接方式不同又可分為約束膜式和自由膜式空氣彈簧兩種。約束膜式空氣彈簧密封一 般用螺栓夾緊密封；自由膜式空氣彈簧采用氣囊內(nèi)的壓力自封。 混合式空氣彈簧的氣囊上部與囊式氣囊的上部基本相同，它

45、的下部則與膜式空氣彈 簧類似，混合式空氣彈簧兼有膜式空氣彈簧與囊式空氣彈簧的特點。 空氣彈簧氣囊是由高質(zhì)量的彈性物質(zhì)構(gòu)成，具有良好的力學特性。一般工作內(nèi)壓為 0.40.6MPa，適應(yīng)于-40C+70C 的溫度變化，并能抗磷化物質(zhì)、酸堿溶劑和臭氧等 的侵蝕。橡膠空氣彈簧的載荷主要由簾線承受，簾線的層數(shù)主要由 2 層組成，特殊要求 產(chǎn)品由 4 層簾線層組成。內(nèi)層橡膠主要是起密封作用，外層橡膠除了起密封作用外，還 起保護作用。 3.1.1空氣彈簧特性 (1)空氣彈簧具有其剛度隨氣囊壓力和輔助氣室以及底座形狀的變化而改變的特點， 因此可以根據(jù)需要將空氣彈簧設(shè)計成具有理想剛度特性的形式。在裝有高度閥的空

46、氣彈 簧懸架中還可實現(xiàn)在任何載荷下車身固有頻率保持不變這一特性，從而提高了車輛行駛 平順性。而對于普通金屬彈簧，當設(shè)計參數(shù)確定后，其剛度固定不變，所以車輛載荷發(fā) 生變化時其固有頻率隨載荷的變化而改變，從而無法保證在任何載荷下都具有較好的行 駛平順性。圖 3.5 是普通金屬彈簧懸架和帶有高度調(diào)節(jié)閥的空氣彈簧懸架的靜態(tài)特性比 較曲線，圖中 a 為載荷撓度特性，b 為載荷頻率特性。由 a 可以看出，對于金屬彈簧 懸架其靜撓度隨載荷增加而增大，而對于空氣彈簧懸架其靜撓度在所有載荷條件下都幾 乎保持不變，從 b 可以看出當載荷變化時金屬彈簧懸架的固有頻率變化比空氣彈簧懸架 大，說明空氣彈簧懸架具有其固有

47、頻率基本保持不變的特性。 a b 圖 3.5 兩種不同懸架靜態(tài)特性比較曲線 圖 3.6 兩種不同彈簧的靜特性比較 (2)空氣彈簧具有非線性彈性特性，可以將其特性曲線設(shè)計成理想形狀。圖 3.6 為金 屬彈簧和空氣彈簧的靜特性比較。在相同的載荷作用下，空氣彈簧的當量靜撓度比鋼板 彈簧的靜撓度大得多，這就使得空氣彈簧可以得到比鋼板彈簧低得多的振動頻率，從而 提高行駛平順性。空氣彈簧的載荷位移曲線形狀呈反“S形，作該曲線上某點的切線 便得到該點的剛度。通過合理選擇設(shè)計參數(shù)，可使空氣彈簧在正常工作范圍內(nèi)剛度及其 變化較小，而在伸張或壓縮的邊緣區(qū)段剛度逐漸增加。這樣，可以保證車輛在正常行駛 時的平順性，而

48、在急轉(zhuǎn)彎、加速和制動等行駛工況，空氣彈簧在大幅度拉伸和壓縮時， 其剛度逐漸增加，從而能限制車身的運動，提高操縱穩(wěn)定性?？諝鈴椈删哂凶儎偠忍匦?， 固有頻率可以根據(jù)需要適當?shù)馗淖儯寤蓜t不具有這種功能。 (3)空氣彈簧的通用性好，對于同一種空氣彈簧，當充氣壓力改變時，可以得到不 同的承載能力，因此，同一種空氣彈簧可以適應(yīng)多種載荷的要求。另外，可以通過高度 控制系統(tǒng)的作用，使空氣彈簧具有不同的安裝高度，因此，同一種空氣彈簧又能適應(yīng)多 種結(jié)構(gòu)的要求。 (4)空氣彈簧質(zhì)量輕，對于高頻振動的吸收和隔振、消聲能力好?？諝鈴椈蓻]有鋼板 彈簧的片與片之間的摩擦問題，與鋼板彈簧相比，空氣彈簧沒有金屬相碰和摩擦，工

49、作 時空氣介質(zhì)內(nèi)摩擦極小，幾乎沒有噪聲。 (5)空氣彈簧單位質(zhì)量的儲能量與其它彈性元件相比是最高的?？諝鈴椈蓡挝毁|(zhì)量的 儲能量與橡膠氣囊的工作壓力和氣體在標準狀態(tài)下的密度有關(guān)。對于在 6.0MPa 工作壓力 下的氮氣，其單位質(zhì)量的儲能量可達到 3.3105Nm/Kg,而鋼板彈簧、螺旋彈簧、橡膠彈 簧單位質(zhì)量的儲能量分別僅為 76Nm/Kg115Nm/Kg、178Nm/Kg280Nm/Kg、508Nm/Kg1016Nm/Kg。 (6)空氣彈簧也可以利用空氣產(chǎn)生阻尼作用?？諝鈴椈芍鳉馐液洼o助氣室之間可以設(shè) 有節(jié)流孔，在車身振動過程中，空氣流經(jīng)節(jié)流孔時，產(chǎn)生能量損失，起到衰減汽車振動 的阻尼作用。如

50、果在節(jié)流孔處增加適當?shù)墓苈泛烷y門，得到相當?shù)淖枘嶙饔?，可以減少 液力減振器的容量或提高減振器的使用壽命。 3.1.2空氣彈簧特性試驗 空氣彈簧具有較強的非線性且其剛度隨氣囊內(nèi)初始壓力和工作行程的大小而改變。 由于存在固氣偶合以及約束條件無法確定等因素，用有限元方法分析空氣彈簧非線性特 性有一定的難度，尤其分析當結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化和氣囊大變形時對其剛度特性的影響。 對于本文所研究的空氣彈簧懸架系統(tǒng)而言，了解在不同的氣囊初始壓力和不同電磁閥開 關(guān)時間下，彈簧的剛度特性變化曲線至關(guān)重要。 利用電液伺服系統(tǒng)組成的試驗系統(tǒng)原理框圖見圖 3.7，電液伺服試驗的加載裝置可以 對空氣彈簧進行諧波加載、正弦和隨機

51、加載，同時可測量空氣彈簧的徑向力和變形，在 試驗時首先應(yīng)確定空氣彈簧的初始工作壓力和允許的最大變形量，其次要確定一個加載 循環(huán)時間。 圖 3.7 空氣彈簧特性試驗系統(tǒng)原理 在空氣彈簧充氣狀態(tài)靜特性試驗中，在不同的初始壓力下，使用諧波信號在規(guī)定的 加載循環(huán)時間內(nèi)，通過作動器給空氣彈簧加載，由力傳感器和位移傳感器測得空氣彈簧 的彈性力和變形，即可以得到空氣彈簧徑向載荷和位移時間曲線。通過空氣彈簧充氣時 徑向載荷和位移時間曲線，可以得到空氣彈簧在不同初始壓力下的剛度曲線。通過它可 以求出空氣彈簧在不同初始壓力下的剛度值，經(jīng)過曲線擬合可以得到空氣彈簧充氣時間 與其剛度的關(guān)系曲線。 在空氣彈簧放氣狀態(tài)靜

52、特性試驗中，在不同的初始壓力下，使用諧波信號在規(guī)定的 加載循環(huán)時間內(nèi)，通過作動器給空氣彈簧加載，由力傳感器和位移傳感器測得空氣彈簧 的彈性力和變形，即可以得到空氣彈簧徑向載荷和位移時間曲線。通過空氣彈簧放氣時 徑向載荷和位移時間曲線，可以得到空氣彈簧在不同初始壓力下的剛度曲線。通過它可 以求出不同初始壓力下空氣彈簧的剛度值，經(jīng)過曲線擬合可以得到空氣彈簧放氣時間與 其剛度的關(guān)系曲線。 通過試驗看出空氣彈簧剛度隨氣囊內(nèi)工作壓力增大而增大，并具有一定的非線性。 并且知道充氣電磁閥打開時間越長，空氣彈簧剛度越大。放氣電磁閥打開時間越長，空 氣彈簧剛度越小。也就是說，空氣彈簧剛度隨充氣時間增長而增大，隨

53、放氣時間增長而 減小。 通過對空氣彈簧進行特性試驗，可以充分掌握空氣彈簧的特性，這對于今后整個空 氣懸架系統(tǒng)的控制有至關(guān)重要的意義，對采用何種控制方式進行控制來說，是一個不可 缺少的必要條件，是編寫控制程序必不可少的數(shù)據(jù)來源和參考。 3.2減振器 減振器工作的基本原理是利用阻尼消耗振動過程中產(chǎn)生的能量。汽車減振器是利用 小孔節(jié)流的流體阻尼技術(shù)來實現(xiàn)懸架系統(tǒng)的減振特性，稱為液力減振。從阻尼物理現(xiàn)象 上區(qū)分，阻尼產(chǎn)生的機理有 5 類，即：工程材料的材料阻尼、流體的粘滯阻尼、結(jié)合面 阻尼與庫侖摩擦阻尼、沖擊阻尼和電磁效應(yīng)產(chǎn)生的阻尼。懸架中的阻尼主要有摩擦阻尼 和粘滯阻尼兩大類，因此，在最基本的減振器

54、分類中或許只能分為摩擦式或液力式兩種。 摩擦式減振器具有結(jié)構(gòu)輕便、成本低、容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點。但它屬于典型的庫侖摩擦， 由此產(chǎn)生的力與速度關(guān)系不大。摩擦式減振器對水和油液雜質(zhì)非常敏感，并且不易產(chǎn)生 不對稱的力。由于采用摩擦式減振器的車輛，無論是在行駛性能方面還是在操縱性能方 面，很難滿足人們對現(xiàn)代車輛的使用性能的要求，因此摩擦式減振器現(xiàn)已被淘汰。 液力式減振器的機理是，車架與車橋作往復相對運動，而活塞在缸筒內(nèi)往復運動時， 減振器殼體內(nèi)的油也便反復地從一個腔通過一些狹小的孔隙流入另一腔。此時孔壁與油 液間的摩擦及流體分子內(nèi)摩擦便產(chǎn)生了阻尼力。液力式減振器有多種結(jié)構(gòu)，但基本上可 劃為兩類：有兩個活塞的

55、桿式減振器和一個活塞的筒式減振器。 筒式減振器有單筒式和雙筒式之分。單筒式減振器如圖 3.8 所示對外界碰傷敏感， 而雙筒式減振器可以阻擋外界的側(cè)面碰傷。圖 3.9 為雙筒式減振器結(jié)構(gòu)示意圖，雙筒式 減振器由防塵罩 10，貯油缸 5，工作缸 2，活塞 3，導向座 9，壓縮閥 6，流通閥 8，伸張 閥 4，補償閥 7，活塞桿 1 和油封 11 等元件組成。 減振器根據(jù)在壓縮和伸張兩個行程內(nèi)是否都起作用分為雙向作用式和單向作用式兩 種。根據(jù)減振器阻尼是否可調(diào)分為阻尼可調(diào)式和阻尼不可調(diào)式兩種。目前又出現(xiàn)了磁流 變和電流變等新型減振器，它們是根據(jù)阻尼介質(zhì)的不同加上控制方式的不同加以分類的， 但它們都屬

56、于可變阻尼減振器。 圖 3.8 單、雙筒式減振器 圖 3.9 雙筒式減振器結(jié)構(gòu) 雙向作用筒式液力減振器一般都具有四個閥(圖 3.9)，即壓縮閥 6、伸張閥 4、流通 閥 8 和補償閥 7。流通閥和補償閥是一般的單向閥，其彈簧很弱，當閥上的油壓作用力與 彈簧力同向時，閥處于關(guān)閉狀態(tài)，完全不通油液；而油壓作用力與彈簧力反向時，只要 很小的油壓，閥便能開啟。壓縮閥和伸張閥是卸何閥，其彈簧較強，預(yù)緊力較大，只有 當油壓增高到一定程度時，閥才能開啟；而當油壓降低到一定程度時，閥即自行關(guān)閉。 雙向作用筒式液力減振器的工作原理可按圖 3.9，分為壓縮和伸張兩個行程加以說明。 壓縮行程 當汽車車輪滾上凸起或滾

57、出凹坑時，車輪移近車架(車身)，減振器受壓 縮，減振器活塞 3 下移?；钊旅娴那皇?下腔)容積減小，油壓伸高，油液經(jīng)流通閥 5 流到活塞上面的腔室(上腔)。由于上腔被活塞桿 1 占去一部分，上腔內(nèi)增加的容積小于 下腔減小的容積，故還有一部分油液推開壓縮閥 6，流回儲油缸 5。這些閥對油液的節(jié)流 便造成對懸架壓縮運動的阻尼力。 伸張行程 當車輪滾進凹坑或滾離凸起時，車輪相對車身移開，減振器受拉伸。此 時減振器活塞向上移動?；钊锨挥蛪荷撸魍ㄩy 8 關(guān)閉。上腔內(nèi)的油液便推開伸張 閥 4 流入下腔。同樣，由于活塞桿的存在，自上腔流來的油液還不足以充滿下腔所增加 的容積，下腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，

58、這時儲油缸中的油液便推開補償閥 7 流入下腔進行 補充。此時，這些閥的節(jié)流作用即造成對懸架伸張運動的阻尼力。 目前普通汽車上廣泛采用的是雙向作用式減振器，這種減振器有如下特點： (1)在懸架壓縮行程，減振器阻尼力較小，充分利用彈性元件的彈性，以緩和沖擊； (2)在懸架的伸張行程，減振器的阻尼力較大，以實現(xiàn)迅速減振； (3)當車橋和車架的相對速度過大時，減振器應(yīng)當能自動加大液流通道截面積，使阻 尼始終保持在一定限度內(nèi)，以避免承受過大的沖擊載荷。 3.3高度控制閥 車架高度控制機構(gòu)包括一個高度傳感器、控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，其功能為: a.隨車載變化保持合理的懸架行程； b.高速時降低車身，保持汽車穩(wěn)

59、定性，減少空氣阻力； c.在起伏不平的路面情況下，提高車身高度以提高汽車通過性。 在空氣彈簧懸架中，高度閥是用來控制空氣彈簧內(nèi)壓的執(zhí)行機構(gòu)，其工作原理見圖 3.10。高度閥固定在車架上，其進、排氣口分別與儲氣筒和空氣彈簧相接。當空氣彈簧 上的載荷增加時，彈簧被壓縮，儲氣筒內(nèi)的氣體通過高度閥的進氣口向氣囊注入，氣囊 內(nèi)氣壓增加，空氣彈簧升高直至恢復到原來的位置，進氣口關(guān)閉為止；當空氣彈簧上的 載荷減小，彈簧伸張，氣體通過高度閥的排氣口排出，直至空氣彈簧下降到原來的位置， 排氣口關(guān)閉為止。所以在高度閥的作用下，空氣彈簧的高度可以保持在平衡位置附近波 動，從而保證車身不隨載荷變化而變化。 圖 3.1

60、0 高度閥原理示意圖 高度閥分為機械式和電磁式，按組成又可分為帶延時機構(gòu)和不帶延時機構(gòu)。目前國 內(nèi)空氣懸架多采用機械式高度閥。 延時機構(gòu)由緩沖彈簧和油壓減振器組成，其作用是：在車輛運行時的正常振動中， 保證空氣彈簧的高度雖有變化但不起進、排氣作用；而當靜載荷變化或以極低頻率振動 時，保證空氣彈簧進行充、排氣，以使在汽車正常的振動中高度閥的進、排氣閥不會頻 繁地打開，從而減少壓縮空氣的浪費。在使用不帶延時機構(gòu)的高度閥時，車輛在運行過 程中高度閥的進、排氣閥不斷地打開、關(guān)閉，空氣消耗量大，為此一般在空氣通道上設(shè) 置一個節(jié)流孔，或在排氣通道外加一長橡膠軟管，以便限制空氣流量，避免空氣中的水 分和灰塵

61、堵塞小孔。圖 3.11 為帶延時機構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖，圖 3.12 為不帶有延時 機構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖。 1.閥體 2.控制桿 3.油壓減振器 4.緩沖彈簧 5.主軸支架 6.進、排氣閥 7.止回閥 圖 3.11 帶延時機構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖 1.閥體 2.止回閥 3.緩沖彈簧 5.形密封圈 6.活塞 7.凸輪 4.進、排氣閥 8.控制桿 圖 3.12 不帶有延時機構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖 帶延遲機構(gòu)的高度閥工作原理：車體荷重增加時，車體下降，空氣彈簧壓縮，控制 桿被推向上方，擺動臂開始轉(zhuǎn)動，緩沖彈簧被扭動而產(chǎn)生的彈力帶動主軸支架與油壓減 振器中產(chǎn)生的阻尼力相抗衡；擺動臂轉(zhuǎn)動一定時間后，進氣閥

62、打開，風缸中的壓縮空氣 沖開止回閥，通過貫通本體的空氣通道流向空氣彈簧；車架恢復到一定高度后，控制桿 會返回平衡位置，此時進氣閥被關(guān)閉，壓縮空氣關(guān)斷。當車體荷重減少時，車體上升， 空氣彈簧伸長，與荷重增加時情況相反，控制桿被拉下，經(jīng)過一段時間后排氣閥打開， 空氣彈簧內(nèi)的空氣被排出。 不帶延遲機構(gòu)的高度閥工作原理：車體荷重增加時，車體下降，空氣彈簧壓縮，控 制桿被推向上方，凸輪轉(zhuǎn)動帶動活塞頂開進、排氣閥，風缸中的壓縮空氣通過一段節(jié)流 通道流入空氣彈簧；車架恢復到一定高度后，控制桿會返回平衡位置，此時進氣閥被關(guān) 閉，壓縮空氣關(guān)斷。當車體荷重減少時，車體上升，空氣彈簧伸長，與荷重增加時情況 相反，控

63、制桿被拉下，進、排氣閥打開，空氣彈簧內(nèi)的空氣經(jīng)節(jié)流通道和活塞內(nèi)的通道 排出。 通常車身高度控制采用獨立控制形式，常見的情況是后懸架由兩個高度閥分別控制 左右兩側(cè)的空氣彈簧，前懸架由一個高度閥來控制，控制信號取 3 個高度信號的平均值， 并且還可以保證汽車在發(fā)生偏載的情況下，始終維持汽車車身處于水平狀態(tài)。尤其在高 速轉(zhuǎn)向時，空氣彈簧可顯著減小車身的側(cè)傾角。有資料表明，當車速在 24km/h 以下時， 空氣懸架與板簧這兩種懸架的側(cè)傾角基本相同，當車速達到 30km/h 時，空氣懸架的側(cè)傾 角就可以減小約 30%。 第四章 控制方式 車輛懸架控制系統(tǒng)大多采用由傳感器拾取車身絕對速度、或車身對車軸的相

64、對速度、 車身的加速度等信號，經(jīng) 8 位或 16 位微處理器發(fā)出指令實施控制，由電液控制閥或步進 電機等執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)(半主動)或控制力(主動)。由于車輛懸架控制系統(tǒng)是十分 復雜的非線性動力系統(tǒng)，基于模型的線性反饋控制策略受到極大的限制。目前應(yīng)用于車 輛懸架控制系統(tǒng)的控制方法主要有最優(yōu)控制方法、自適應(yīng)控制方法等。近年來，隨著控 制理論與控制技術(shù)的發(fā)展，適用于非線性系統(tǒng)的先進控制技術(shù)和方法涌現(xiàn)并日趨成熟。 在車輛動力學研究中，隨著研究范圍的逐步擴展，進而擴展到一些表現(xiàn)高度非線性的極 限情況，而非線性控制理論在車輛控制研究中的應(yīng)用也愈加得到重現(xiàn)。 4.1最優(yōu)控制方法 應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的

65、最優(yōu)控制方法可以分為線性最優(yōu)控制、 最優(yōu)控制和最H 優(yōu)預(yù)報控制等三種。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想模型基礎(chǔ)上，采用受控制對象 的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標，同時保證受控結(jié)構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性條件 下實現(xiàn)最優(yōu)控制。把 L.Q(Linear Quadratic 線性二次型)調(diào)節(jié)器控制理論和 LQG(Linear Quadratic Gaussian 線性二次高斯型)控制理論應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。 控制是設(shè)計控制器在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，使相對于噪聲干擾的輸出取H 極小的一種最優(yōu)控制法。為了模擬由于車身質(zhì)量、輪胎剛度、減振器阻尼系數(shù)以及車輛 結(jié)構(gòu)高頻柔度模態(tài)等變化不確

66、定的誤差，應(yīng)用 控制法可實現(xiàn)車輛懸架振動控制具有較H 強的魯棒性。最優(yōu)預(yù)報控制是利用車輛前輪的擾動信息預(yù)估路面的干擾輸入，預(yù)報控制 的策略就是把所測量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實施最優(yōu)控制。這種控制方法特別適 合于軌道車輛的主動懸架，由于機車大多在同一軌道上反復行駛，基于過去和現(xiàn)在的信 息可以預(yù)測將來的信息，結(jié)合傳統(tǒng)的 LQ 控制系統(tǒng)實施最優(yōu)預(yù)報控制，模擬和實驗結(jié)果表 明，不僅改善了行駛乘坐質(zhì)量而且降低了控制所消耗的能量。 4.2自適應(yīng)控制方法 車輛懸架振動系統(tǒng)是含有許多不確定因素的非線性動力系統(tǒng)難以用定常反饋系統(tǒng)達 到預(yù)定的控制性能要求。應(yīng)用于車輛懸架振動控制的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制 和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對象參數(shù)在線性識別與 控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法。把非線性自校正控制(STC)應(yīng)用于非線性車輛主動懸 架系統(tǒng)，能適應(yīng)懸掛載荷和懸架元件特性的變化，自動調(diào)正主動懸架系統(tǒng)的控制器來降 低車輛的振動。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當外界激勵條件和車輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生 變化時，被控車輛的診斷輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。另有一種新的自適應(yīng)控 制