汽车空气悬架试验系统方案设计

汽车空气悬架试验系统方案设计 任务书 填表须知： 1本任务书所列各项由指导教师详细填写，以便学生全面了解和正确执行。本任务书经学院、系 (教研室 )审定后，送教学科一份，发给学生一份。 2学生接到任务书后，应制订好工作计划，填写开题报告，认真进行毕业设计，并按规定时间完 成。任务书所列各项内容不得涂改，因特殊情况需要变动的必须经系(教研室) 负责人、教学院长审核 同意。 3本任务书中“ ”内容为填表解释。毕业设计完成后，本任务书装订在设计前面，交学院存档。 一、基本情况 1、学院专业： 学院 专业。 2、选题名称： 汽车空气悬架试验系统方案设计 。 3、指导教师 ；指导教师职称： 。 4、协助指导教师： ；协助指导教师职称： 。 5、学生学号： ；学生姓名： 。 6、导师团成员： 。助教及助教以下职称的指导教师需导师团成员指导 7、作业期限： 年 月 日至 年 月 日。 8、作业地点： 。 9、选题性质： 科研 生产 其它 。 10、选题出处：填写毕业设计选题的具体来源，例如科研项目名称、生产项目名称等 车辆半主动悬架智能控制器研究（校创新基金 CX2004-05） 。 二、审批情况 1、系(教研室) 意见： 经论证，该毕业设计任务书 填“符合/不符合” 人才培养方案要求。 系(教研室) 负责人： 年 月 日 2、学院审批意见： 经审核， 填“同意/ 不同意”下发该任务书。 教学院长签字或学院盖章： 年 月 日 三、毕业设计任务 1、总体要求 进行毕业设计的时间为 16 周。学生依据导师给定的选题，能编写符合 要求的设计说明书，独立进行资料的收集、加工与整理，能综合运用科学的 理论、知识和技能，进行必要的实验、测试、分析，解决设计问题，正确绘 制有关图表，独立撰写并答辩。 2、设计内容及具体要求 主要包括对前言、环境概况、设计依据、设计立意、总体设计及功能、规划、附图、附表等的要 求 1、 对目前国内外汽车空气悬架的现状及发展趋势作一个全面、深入 的了解，阐述建立汽车空气悬架试验系统进行空气悬架的性能研 究和进行可控空气悬架研究和开发的目的、意义。 2、 在熟悉空气悬架原理和结构的基础上，进行四分之一车辆模拟空 气悬架试验系统的方案设计。系统应设计成可控的空气悬架系统。 3、 整个方案设计应包括台架的总体结构设计；各种元件的正确选型 和论证，如空气压缩机、调节装置；信号采集系统的布置等。 4、 依据汽车理论关于车辆模型简化的理论,并参照目前国内外相 似试验系统的设计资料，设计出符合要求的试验系统。 5、 整个设计应结构简洁、经济合理、整个装置及测试仪器便于拆卸 和安装。 6、 整个系统应设计合理，便于信号的采集。 7、 主要设计参数：簧载质量 ms 为 160kg,非簧载质量 mu 为 20kg， 悬架空气弹簧刚度在正常振动幅度内约为 10000N/m,轮胎刚度 kt 为 100000N/m。 8、 画出试验系统总体布置图，重要零件的零件图。 9、 图纸要求：工程制图标准。 10、 按毕业设计撰写规范按时撰写毕业设计，提交电子文档一份。 3、指定阅读的参考文献原则上要求中文文献不低于 10 篇，外文文献不低于 5 篇 1、陈家瑞.汽车构造(下册 ) M.人民交通出版社,1999. 2、 英Dave Crolla，喻凡.车辆动力学及其控制M. 人民交通出版社 ,2004. 3、余志生.汽车理论（第 3 版）M.机械工业出版社 2002. 4、张庙康，胡海岩.车辆悬架振动控制系统研究的进展 J. 振动、测试与诊断, 1997，3 . 5、方子帆等.汽车半主动悬架系统研究进展 J.重庆大学学报,2003,1. 6、喻凡, 黄宏成, 管西强.汽车空气悬架的现状及发展趋势 .汽车技术,2001, 第 8 期. 7、俞德孚 .车辆悬架减振器的理论与实践 . 兵工学报 坦克装甲车与发动机分册,1988(3):25-27. 8、王望予汽车设计机械工业出版社，2000 年 5 月. 9、陈兴林，胡树华.汽车空气悬架的应用发展与我国汽车业的应对策略. 汽车科技, 第 4 期,2004 年 7 月. 10、解福泉. 关于主动式汽车空气悬架的控制技术研究. 交通标准化,2006 年 8 期. 11、倪建华等. 一种新型的磁流变阻尼器及其在半主动控制车辆悬架中的应用研究 . 机械科学与 技术, 2004 年 1 月, 第 23 卷第 1 期. 12、周立开,陈龙等. 车辆半主动悬架的试验研究. 兰州理工大学学报, 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, September 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, 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 Active 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 control of vehicle semi-active suspensions. Proc Instn Mech Engrs, 1999, 213 Part D04298. 4、备注指导教师对学生的其他要求及说明等 附录： 毕业设计( 论文)评分标准 一、计分方法 评定毕业设计(论文)的成绩，采用五级记分制(优秀、良好、中等、及格、不及格)和评语相结合 的办法。指导教师、评阅教师、答辩成绩各占 40%、20%和 40%。 二、评语内容 1、毕业设计( 论文) 是否达到任务书的要求，有何特点和独创性。 2、应用所学知识和技能，进行实验、设计、分析与研究探讨问题的能力。 3、毕业设计( 论文) 的正确程度、实验意义、图表质量和文字表达能力。 4、答辩时报告和回答问题的情况，以及毕业设计( 论文)中的表现和工作态度等评语由指导教师 评写，经答辩委员会(组)主席或教研室(组) 主任审改后，填入有关表格中。 三、评分标准 1、优秀 全面正确地按任务书的要求完成了设计(论文) 任务。能创造性地应用所学知识和技能。设计 (论文) 的基本论点、结论、方案、图表、说明等均论述有据，质量较高，并能应用先进技术。独立工作能力 较强。答辩时概念清楚，能正确回答与本课题有关的全部问题。 2、良好 较全面地按任务书的要求完成了设计(论文) 任务。能综合应用所学知识和技能。设计 (论文)的基 本论点、结论、方案、图表、说明等基本正确，质量较好。有一定的独立工作能力。答辩时概念清楚， 能正确回答与本课题有关的主要问题。 3、中等 能按任务书的要求完成设计(论文) 任务。设计(论文) 中一般能综合应用所学知识和技能。设计( 论 文)的基本论点、结论、方案、图表、说明等质量尚好，但有非原则性错误。具有初步的独立工作能 力。答辩时概念清楚，基本上能正确回答与本课题有关的主要问题。 4、及格 基本上能按任务书的要求完成了设计(论文) 任务。设计(论文)和图表质量一般，非原则性错误较 多。独立工作能力一般。答辩时概念基本清楚，尚能正确回答与本课题有关的最基本的问题。 5、不及格 未能按任务书的要求完成设计(论文) 任务，或依赖教师和同学勉强完成了设计 (论文)。设计( 论文) 和图表的质量不符合要求。答辩时概念不清，不能正确回答与本课题有关的最基本的问题，或有原则 性错误。 四、评分要求 评分要严肃认真，坚持标准，实事求是，力求反映学生的真实业务水平。毕业设计(论文) 成绩主 要依据学生完成毕业设计(论文 )和答辩的情况，不涉及学生的其它因素。各课题组的评分标准应该一 致。一个教学班的评分应符合“正态分布”的一般规律。 毕业设计(论文)的评分和评语，均装入学生档案。毕业设计 (论文)成绩不及格的按我校学生学 籍管理实施细则的规定处理。 摘 要 本论文根据有关汽车模型简化的理论，在现有的四分之一模拟悬架机械装置的基础 上，用空气弹簧代替普通螺旋弹簧设计空气悬架试验台系统。 本试验台实现的是悬架的刚度可调。设计一个副气室，通过一个步进电机控制主、 副气室间通路的大小来实现空气弹簧刚度的调节。本试验台由空气压缩机、滤清器、安 全阀、空气弹簧、减振器和其它的相关部件组成机械振动系统，由传感器、ECU 和执行元 件组成测控系统，利用传感器采集信号，通过计算机处理，控制高度阀和步进电机，从 而使簧上质量的高度和振动频率都在一定的范围之内。本论文首先进行了弹簧的选用并 计算以及减振器、传感器、气动元件和步进电机的选用，然后是设计台架总体结构，布 置信号采集装置以及校核重要零件，最后是画出总成的装配图、重要零件的零件图。 关键词：汽车振动，空气弹簧，可控空气悬架，悬架试验台 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 designed. 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 composed 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 stepper 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 structure, 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 录 前 言 .1 第一章 绪论 .2 1.1 空气悬架结构与分类 .2 1.2 空气弹簧悬架国内外发展历史和现状 .3 1.3 本论文研究的目的、内容和意义 .4 第二章 汽车振动的简化及分析 .5 2.1 振动的简化 .5 2.2 车身与车轮双质量系统的振动分析 .6 第三章 空气悬架系统元件概述 .9 3.1 空气弹簧 .9 3.1.1 空气弹簧特性 .10 3.1.2 空气弹簧特性试验 .12 3.2 减振器 .14 3.3 高度控制阀 .15 第四章 控制方式 .18 4.1 最优控制方法 .18 4.2 自适应控制方法 .18 4.3 模糊控制和神经网络控制方法 .19 第五章 信号采集、控制元件的选择 .20 5.1 试验台信号采集、控制方案设计 .20 5.2 元件选择 .20 5.3 信号采集装置的布置及刚度、高度调节 .22 第六章 机械元件的设计、校核 .23 6.1 空气弹簧设计计算 .23 6.1.1 空气弹簧刚度计算 .23 6.1.2 附加空气室设计 .24 6.2 减振器选择与计算 .24 6.3 轮胎当量螺旋弹簧的设计、校核 .25 6.4 减振器螺栓的校核 .26 6.5 立柱的设计 .26 6.6 簧上、簧下质量的确定 .27 6.6.1 簧上质量的确定 .27 6.6.2 簧下质量的确定 .28 结 论 .29 致 谢 .30 参考文献 .31 附 录 前 言 汽车空气悬架近几年开始发展迅猛，在空气悬架中，空气弹簧是主要的弹性元件， 它代替了传统悬架中的螺旋弹簧，是一种新型的弹性元件，它的刚度可根据具体情况灵 活改变，使乘坐舒适性大大提高。不仅如此，配合其特有的高度控制阀，它还可以自动 调整车辆高度，增加高速时的行车安全性。与传统汽车悬架相比，空气悬架有许多性能 优点是传统悬架无法与之匹敌。 本论文首先在熟悉空气悬架各零部件的工作原理和结构的基础上，主要根据学校实 验室现有的一个四分之一模拟悬架机械装置，针对空气悬架试验台系统的要求对上述四 分之一模拟悬架机械装置进行改进和优化，然后对空气悬架总成中的重要零部件进行型 号选择和论证，确定整个试验台的功用和结构布局，以方便后期试验台的制造。 本论文所涉及的是南京林业大学车辆半主动悬架智能控制器研究(校创新基金 CX2004-05)项目中的一部分。 姓名： 日期： 第一章 绪论 1.1空气悬架结构与分类 悬架是现代汽车的重要总成之一，它是车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接机 构的总称。其主要任务是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车 身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定 性。空气悬架，顾名思义，就是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性起弹性作 用的。压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化而进行自动调节，不论满载还是空载， 整车高度不会变化，可以大大提高乘坐的舒适性。其总成由两部分组成：第一部分主要 为结构件，包括空气弹簧、减振器、横向稳定杆及各种安装支架等；第二部分为气路和 控制系统，包括空气压缩机、储气筒、空气滤清器、干燥器、限压阀、安全阀、高度控 制阀组件、管路、密封件等。如图 1.1 和 1.2 所示为某客车空气悬架的前悬和后悬。 图 1.1 前悬 图 1.2 后悬 空气悬架按具体结构可分为以下三种：全长钢板弹簧并用式空气悬架、钢板弹簧后 端式空气悬架、平行杆式空气悬架，分别如图 1.3，图 1.4、图 1.5 所示。 图 1.3 全长钢板弹簧并用式 图 1.4 钢板弹簧后端式 图 1.5 平行杆式 空气悬架还可按进气的控制方式分为机械控制式和电子控制式两种。 空气悬架因为空气弹簧具有非线性刚度特性，因此可以得到较低的固有振动频率， 保证了汽车良好的行驶平顺性；而且空气悬架质量轻、弹簧刚度低，可以提高轮胎的附 着能力，缩短制动距离，提高了整车的操纵稳定性；相对板簧结构而言，空气悬架车体 平稳，从空载到满载的整个范围内都能有效隔断路面传递的振动，具有防震、防噪声等 功能；但空气弹簧结构复杂，制造成本高；空气弹簧尺寸大，布置困难；密封环节多， 密封困难。 1.2空气弹簧悬架国内外发展历史和现状 空气弹簧诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备的隔振。1947 年，美国首先在普 尔曼车上使用空气弹簧，到 1964 年，美国生产的 25 种公共汽车中，有 23 种使用了空气 弹簧悬架。美国的通用汽车公司在 1958 年就生产了装有空气弹簧悬架的牵引车。1961 年， 德国开始在大多数公共汽车上使用空气弹簧，到 1964 年，德国生产的 55 种大中型客车 中，有 38 种使用了空气弹簧悬架。此后意大利、英国、法国及日本等国家相继对空气弹 簧作了大量的研究工作。目前，空气弹簧悬架在国外豪华汽车上已经被广泛采用，在高 速客车和豪华城市客车上的使用率已达到 100%，在中、重型货车以及挂车上也超过 80%，如美国的 Ford，德国的 Benz、Man、Neoplan，瑞典的 Volvo，法国的雷诺，日本的 尼桑、日野、五十铃、三菱等。同时部分高级轿车上也有选装空气弹簧悬架的，如美国 的林肯，德国的 Benz300SE 和 Benz600 等。 我国早在二十世纪五十年代就对空气弹簧进行了研究，1957 年初，长春汽车研究所 与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究，同年底制造出我 国第一辆空气悬架货车。1958 年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助 设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气弹簧悬架。 八十年代初长春汽车研究所再次进行空气弹簧悬架的研究，并为武汉客车制造厂、 瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气弹簧悬架，当时车身自振频率可降低 到 1.11.2Hz，平均车速提高了 17%。悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了 5060 公斤。这期间国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低和高度控制阀 泄漏等没有得到很好解决。 上世纪九十年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气弹簧悬架及空气弹簧悬架客车底 盘，对其产品进行技术改进，以提高其产品的技术含量，抢占国内高档客车市场，如北 方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司等。同时国内各大汽车厂、 研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究。如东风汽车工程研究院，中 国重型汽车集团公司，上海汇众汽车制造公司，淝河汽车制造厂，交通部重庆公路科学 研究所，江苏省交通科学研究院，湖北大学，同济大学，北京理工大学等。在这段时期 沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了 GB11612-89客车空气悬架用高 度控制阀和 GB/T13061-1991汽车悬架用空气弹簧橡胶弹簧国家标准，为高度控 制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。 为了满足空气弹簧悬架维修配件的需要，近年来国内一些企业正在生产空气弹簧悬 架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡胶厂、铁道部四方车辆研究所等厂 家，主要生产各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。 也有些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所， 华中理工大学，中国电子工程设计院，交通部重庆公路科学研究所，浙江瑞安市东欧汽 车零件厂等。 1.3本论文研究的目的、内容和意义 随着我国公路运输业的发展，人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性提出更高的要求。 在传统的被动悬架中各参数一经确定就无法改变，从而限制了汽车性能的进一步提高。 阻尼或刚度参数可调节的半主动悬架，可以根据汽车的行驶状态和道路激励大小自动调 节悬架参数，使其始终保持在最优设定状态，提高了汽车行驶平顺性和操纵稳定性，空 气弹簧悬架具有自振频率低、弹簧刚度可调、振动及噪声小、使用寿命长等特点，推广 使用空气弹簧悬架可以有效地解决上述问题。目前，国内外对半主动空气弹簧悬架已经 进行了一些研究，尤其是在空气弹簧悬架设计和空气弹簧悬架控制及整车匹配技术方面 做了大量开创性的工作。但是，对于空气弹簧悬架的研究必须从实验室开始，实验室研 究又必须以试验台为基础。至于试验台的研究设计目前国内也就只有几所大专院校正在 进行，有些还仅限于仿真阶段，或者进行某个部件的试验研究，基本上没有详细、全面 的科研成果。 本试验台系统方案的设计就是为了能够更好的设计出符合研究和试验使用的试验台 而进行的。通过对空气悬架系统的各种元件进行正确的选型和论证，构造出符合研究和 试验使用的试验台就是本论文的目的和内容。研究用试验台一旦成功设计制造出来，它 将最大可能的模拟车辆悬架系统的真实的工作情况，试验出来的准确数据将是实际车辆 悬架系统设计、生产和制造的直接参考依据，试验数据的正确与否将关系到实际车辆悬 架系统设计、生产和制造流程的周期与成本。因此，本论文所研究的关于汽车空气悬架 试验系统方案设计整个悬架系统设计、生产和制造流程中最为关键，也最为重要的第一 步。 第二章 汽车振动的简化及分析 2.1振动的简化 汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化。图 2.1 为一个把汽车 车身质量看作刚体的立体模型。汽车的悬挂质量为 ，它是由车身、车架及其上的总成2m 所构成。该质量绕通过质心的横轴 y 的转动惯量为 ，悬挂质量通过减振器和悬架与车yI 轴、车轮相连接。车轮、车轴构成的非悬挂质量为 。车轮在经过具有一定弹性和阻尼1 的轮胎支撑在不平的路面上。在讨论平顺性时，这一立体模型的车身质量主要考虑垂直、 俯仰、侧倾 3 个自由度，4 个车轮质量有 4 个垂直自由度,共 7 个自由度。 图 2.1 四轮汽车的简化的立体模型 图 2.2 双轴汽车简化的平面模型 当汽车对称于其纵轴线且左右车辙的不平度函数 x(I)=y(I)，此时车身只有垂直振动 Z 和俯仰振动 ，这两个自由度的振动对平顺性的影响很大。图 2.2 为汽车简化成 4 个 自由度的平面模型。在这个模型中，又因轮胎阻尼较小而可以忽略不计，同时把质量 ，2m 转动惯量 的车身按动力学等效的条件分解为前轴上、后轴上及质心 C 上的 3 个集中 、yI f 、 。这 3 个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述 3 个条件决定：2rmc 1)总质量保持不变 (1)22mmcrf 2)质心位置保持不变 (2)0frab 3)转动惯量的值保持不变 (3)222yyfrIab 式中 为绕横轴 y 的回转半径；a、b 为车身质量部分的质心至前、后轴的距离。由式(1)、y (2)和(3)得出 3 个集中质量分别为： = = =2fm2yaL2rm2ybL2cm2(1)yab 式中的 为轴距。L 通常，令 = / ，并称其为悬挂质量分配系数。由上面 3 个式子可以看出当2yb =1 时，联系质量 =0。根据统计，大部分汽车的 =0.81.2，即接近于 1。在 =1c 的情况下，前后轴上方车身部分的集中质量 、 的垂直方向运动是相互独立的。在2fmr 此的情况下，当前轮遇到路面不平度而引起振动时，质量 运动而质量 不运动；2f 2rm 反之也是这样；因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论图 2.2 上 和前轮轴以及2f 和后轮轴所构成的两个双质量系统的振动。2rm 2.2车身与车轮双质量系统的振动分析 图 2.3 两个自由度振动系统 对于图 2.2 所示的双轴汽车四个自由度的振动模型，当悬挂质量分配系数 = 的数值接近 1 时，前后悬挂系统的垂直振动几乎是独立的。于是可以简化为图 2.32/yab 所示的两个自由度振动系统。这个系统除了具有车身部分的动态特性外，还能反映车轮 部分在 1015Hz 范围内产生高频共振时的动态特性，它对平顺性和车轮的接地性有较大 影响，更接近汽车悬挂系统的实际情况。图中， 为悬挂质量(车身质量)； 为非悬2m1m 挂质量(车轮质量)； 为悬挂刚度； 为阻尼器阻尼系数； 为轮胎刚度；q 为输入的KCtK 路面不平度函数。 车轮与车身垂直位移坐标为 z1、z 2，坐标原点选在各自的平衡位置，其运动方程为： (4)2212111()()0()tmzCzKq 无阻尼自由振动时，运动方程变成 (5)2211 ()0tmzKz 由运动方程可以看出， 与 的振动是相互耦合的。若 不动( =0)，则得2m1 1m1z220zK 这相当于只有车身质量 的单自由度无阻尼自由振动。其固有圆频率为：2 。2m 同样，若 不动( =0)，相当于车轮质量 作单自由度无阻尼自由振动，于是可2m2z1 得车轮部分固有圆频率： 1()ttK 与 是双质量系统，是只有单独一个质量振动时的部分频率(偏频)。ot 在无阻尼自由振动时，设两个质量以相同的圆频率 和相角 作简谐振动，振幅为 、 ，则其解为：10z2 ()10jtze()20jtze 将上面两个解代入微分方程组(5)得： (6)202010 Kzzm (7)21020101tz 将 、 代入式(6)和(7)，可得202K1()ttK20101)zzm 此方程组有非零解的条件是 和 的系数行列式为零，化为代数式即0z 1() 0m (8)42221000t 式(8)称为系统的频率方程或特征方程，它的两个根为双质量系统主频率 和 的平方12 22210 11=()04()tt Ktm、 经过一定的理论计算可以得到双质量系统的传递特性；车身加速度 、悬架弹簧动2z 挠度 和车轮相对动载 的幅频特性，从而可在一定的试验条件下得出系统参数(车dfdfG 身部分固有频率 、阻尼比 、刚度比 和质量比 )对振动响应的影响。具体总结如下：0f 车身加速度 、悬架弹簧动挠度 和车轮相对动载 对车身部分固有频率 的变2zdfdfG0f 化是很敏感的。阻尼比 的变化对 、 和 都有较大的影响：随阻尼比 增大，在2zdf 低频共振区的 、的 峰值均会下降，而在低频、高频两个共振区之间都增大，在高2zdfG 频共振区 变化很小，而 有明显下降；当 增大时， 在高、低两个共振区均df 会明显下降，在两个共振区之间变化很小；行驶安全性要求取较大值，平顺性要求取较 小值。车身与车轮部分质量比 增大， 、 略有减小，主要是 变化较大，因此，2zdf dfG 减小车轮部分质量 对平顺性影响不大，主要影响行驶安全性。当其他参数 、 和1m 0f 均保持不变时， 增大相当于悬架刚度 不变而轮胎刚度 增大，从而使车轮部分系KtK 统参数 提高而 下降，使三个幅频特性高频共振峰向高频移动，而且峰值提高，其中tft 的变化最大， 次之；采用软的轮胎对改善平顺性，尤其是提高车轮与地面间的附dfG2z 着性能有明显好处。 可控悬架就是通过改变弹簧刚度或减振器阻尼来改变悬架系统的刚度比或阻尼比来 使行驶平顺性和操纵安全性的矛盾适时缓解，从而使行驶平顺性更好，更舒适而操纵稳 定性更好。 第三章 空气悬架系统元件概述 3.1空气弹簧 橡胶空气弹簧是由帘线层、内外橡胶层或钢丝圈经成型后硫化形成一种挠性体，利 用充入空气的可压缩性实现弹性功能的一种橡胶元件。俗称空气弹簧、橡胶气囊、气囊 等。空气弹簧只能承受垂直载荷，所以空气弹簧悬架需要一套导向机构来承受切向力和 侧向力。橡胶空气弹簧总成一般由弹性元件、护圈、缓冲块等经装配后形一个具有密闭 气室的整体。如图 3.1 所示。 图 3.1 空气弹簧结构 橡胶空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气，形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷 量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载 面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容 积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。 这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷 的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与震动载荷的高效控制。还可以用增、减充 气量的方法，调整弹簧的刚度和承载力的大小，还可以附设辅助气室，实现自控调节。 根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧和 混合式空气弹簧三种。如图 3.2、图 3.3、图 3.4 所示。按密封结构形式分为压力自封式、 轮缘夹紧式、箍环密封式和混合式四大类。 膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形；囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊 的挠屈获得弹性变形；混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。 囊式空气弹簧根据橡胶气囊曲数不同分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。气囊各 段之间镶有金属轮缘，目的是承受内压张力。囊式空气弹簧的有效面积变化率及弹簧刚 度较大，振动频率也较高。 图 3.2 囊式 图 3.3 膜式 图 3.4 混合式 膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之间放置一个圆柱形橡胶气囊，通过气囊挠曲 变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧可得到比囊式空气弹簧更为理想的弹性特性曲线。膜 式空气弹簧在正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式空气弹簧小，同时也可通过改变 底座形状的方法，控制有效面积变化率，以获得比较理想的弹性特性。膜式空气弹簧有 效面积变化率也比囊式空气弹簧小。 膜式空气弹簧可通过改变气囊长度来增加工作行程。根据橡胶气囊与上盖板和底座 的连接方式不同又可分为约束膜式和自由膜式空气弹簧两种。约束膜式空气弹簧密封一 般用螺栓夹紧密封；自由膜式空气弹簧采用气囊内的压力自封。 混合式空气弹簧的气囊上部与囊式气囊的上部基本相同，它的下部则与膜式空气弹 簧类似，混合式空气弹簧兼有膜式空气弹簧与囊式空气弹簧的特点。 空气弹簧气囊是由高质量的弹性物质构成，具有良好的力学特性。一般工作内压为 0.40.6MPa，适应于-40C+70C 的温度变化，并能抗磷化物质、酸碱溶剂和臭氧等 的侵蚀。橡胶空气弹簧的载荷主要由帘线承受，帘线的层数主要由 2 层组成，特殊要求 产品由 4 层帘线层组成。内层橡胶主要是起密封作用，外层橡胶除了起密封作用外，还 起保护作用。 3.1.1空气弹簧特性 (1)空气弹簧具有其刚度随气囊压力和辅助气室以及底座形状的变化而改变的特点， 因此可以根据需要将空气弹簧设计成具有理想刚度特性的形式。在装有高度阀的空气弹 簧悬架中还可实现在任何载荷下车身固有频率保持不变这一特性，从而提高了车辆行驶 平顺性。而对于普通金属弹簧，当设计参数确定后，其刚度固定不变，所以车辆载荷发 生变化时其固有频率随载荷的变化而改变，从而无法保证在任何载荷下都具有较好的行 驶平顺性。图 3.5 是普通金属弹簧悬架和带有高度调节阀的空气弹簧悬架的静态特性比 较曲线，图中 a 为载荷挠度特性，b 为载荷频率特性。由 a 可以看出，对于金属弹簧 悬架其静挠度随载荷增加而增大，而对于空气弹簧悬架其静挠度在所有载荷条件下都几 乎保持不变，从 b 可以看出当载荷变化时金属弹簧悬架的固有频率变化比空气弹簧悬架 大，说明空气弹簧悬架具有其固有频率基本保持不变的特性。 a b 图 3.5 两种不同悬架静态特性比较曲线 图 3.6 两种不同弹簧的静特性比较 (2)空气弹簧具有非线性弹性特性，可以将其特性曲线设计成理想形状。图 3.6 为金 属弹簧和空气弹簧的静特性比较。在相同的载荷作用下，空气弹簧的当量静挠度比钢板 弹簧的静挠度大得多，这就使得空气弹簧可以得到比钢板弹簧低得多的振动频率，从而 提高行驶平顺性。空气弹簧的载荷位移曲线形状呈反“S形，作该曲线上某点的切线 便得到该点的刚度。通过合理选择设计参数，可使空气弹簧在正常工作范围内刚度及其 变化较小，而在伸张或压缩的边缘区段刚度逐渐增加。这样，可以保证车辆在正常行驶 时的平顺性，而在急转弯、加速和制动等行驶工况，空气弹簧在大幅度拉伸和压缩时， 其刚度逐渐增加，从而能限制车身的运动，提高操纵稳定性。空气弹簧具有变刚度特性， 固有频率可以根据需要适当地改变，板簧则不具有这种功能。 (3)空气弹簧的通用性好，对于同一种空气弹簧，当充气压力改变时，可以得到不 同的承载能力，因此，同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求。另外，可以通过高度 控制系统的作用，使空气弹簧具有不同的安装高度，因此，同一种空气弹簧又能适应多 种结构的要求。 (4)空气弹簧质量轻，对于高频振动的吸收和隔振、消声能力好。空气弹簧没有钢板 弹簧的片与片之间的摩擦问题，与钢板弹簧相比，空气弹簧没有金属相碰和摩擦，工作 时空气介质内摩擦极小，几乎没有噪声。 (5)空气弹簧单位质量的储能量与其它弹性元件相比是最高的。空气弹簧单位质量的 储能量与橡胶气囊的工作压力和气体在标准状态下的密度有关。对于在 6.0MPa 工作压力 下的氮气，其单位质量的储能量可达到 3.3105Nm/Kg,而钢板弹簧、螺旋弹簧、橡胶弹 簧单位质量的储能量分别仅为 76Nm/Kg115Nm/Kg、178Nm/Kg280Nm/Kg、508Nm/Kg1016Nm/Kg。 (6)空气弹簧也可以利用空气产生阻尼作用。空气弹簧主气室和辅助气室之间可以设 有节流孔，在车身振动过程中，空气流经节流孔时，产生能量损失，起到衰减汽车振动 的阻尼作用。如果在节流孔处增加适当的管路和阀门，得到相当的阻尼作用，可以减少 液力减振器的容量或提高减振器的使用寿命。 3.1.2空气弹簧特性试验 空气弹簧具有较强的非线性且其刚度随气囊内初始压力和工作行程的大小而改变。 由于存在固气偶合以及约束条件无法确定等因素，用有限元方法分析空气弹簧非线性特 性有一定的难度，尤其分析当结构参数发生变化和气囊大变形时对其刚度特性的影响。 对于本文所研究的空气弹簧悬架系统而言，了解在不同的气囊初始压力和不同电磁阀开 关时间下，弹簧的刚度特性变化曲线至关重要。 利用电液伺服系统组成的试验系统原理框图见图 3.7，电液伺服试验的加载装置可以 对空气弹簧进行谐波加载、正弦和随机加载，同时可测量空气弹簧的径向力和变形，在 试验时首先应确定空气弹簧的初始工作压力和允许的最大变形量，其次要确定一个加载 循环时间。 图 3.7 空气弹簧特性试验系统原理 在空气弹簧充气状态静特性试验中，在不同的初始压力下，使用谐波信号在规定的 加载循环时间内，通过作动器给空气弹簧加载，由力传感器和位移传感器测得空气弹簧 的弹性力和变形，即可以得到空气弹簧径向载荷和位移时间曲线。通过空气弹簧充气时 径向载荷和位移时间曲线，可以得到空气弹簧在不同初始压力下的刚度曲线。通过它可 以求出空气弹簧在不同初始压力下的刚度值，经过曲线拟合可以得到空气弹簧充气时间 与其刚度的关系曲线。 在空气弹簧放气状态静特性试验中，在不同的初始压力下，使用谐波信号在规定的 加载循环时间内，通过作动器给空气弹簧加载，由力传感器和位移传感器测得空气弹簧 的弹性力和变形，即可以得到空气弹簧径向载荷和位移时间曲线。通过空气弹簧放气时 径向载荷和位移时间曲线，可以得到空气弹簧在不同初始压力下的刚度曲线。通过它可 以求出不同初始压力下空气弹簧的刚度值，经过曲线拟合可以得到空气弹簧放气时间与 其刚度的关系曲线。 通过试验看出空气弹簧刚度随气囊内工作压力增大而增大，并具有一定的非线性。 并且知道充气电磁阀打开时间越长，空气弹簧刚度越大。放气电磁阀打开时间越长，空 气弹簧刚度越小。也就是说，空气弹簧刚度随充气时间增长而增大，随放气时间增长而 减小。 通过对空气弹簧进行特性试验，可以充分掌握空气弹簧的特性，这对于今后整个空 气悬架系统的控制有至关重要的意义，对采用何种控制方式进行控制来说，是一个不可 缺少的必要条件，是编写控制程序必不可少的数据来源和参考。 3.2减振器 减振器工作的基本原理是利用阻尼消耗振动过程中产生的能量。汽车减振器是利用 小孔节流的流体阻尼技术来实现悬架系统的减振特性，称为液力减振。从阻尼物理现象 上区分，阻尼产生的机理有 5 类，即：工程材料的材料阻尼、流体的粘滞阻尼、结合面 阻尼与库仑摩擦阻尼、冲击阻尼和电磁效应产生的阻尼。悬架中的阻尼主要有摩擦阻尼 和粘滞阻尼两大类，因此，在最基本的减振器分类中或许只能分为摩擦式或液力式两种。 摩擦式减振器具有结构轻便、成本低、容易调节的优点。但它属于典型的库仑摩擦， 由此产生的力与速度关系不大。摩擦式减振器对水和油液杂质非常敏感，并且不易产生 不对称的力。由于采用摩擦式减振器的车辆，无论是在行驶性能方面还是在操纵性能方 面，很难满足人们对现代车辆的使用性能的要求，因此摩擦式减振器现已被淘汰。 液力式减振器的机理是，车架与车桥作往复相对运动，而活塞在缸筒内往复运动时， 减振器壳体内的油也便反复地从一个腔通过一些狭小的孔隙流入另一腔。此时孔壁与油 液间的摩擦及流体分子内摩擦便产生了阻尼力。液力式减振器有多种结构，但基本上可 划为两类：有两个活塞的杆式减振器和一个活塞的筒式减振器。 筒式减振器有单筒式和双筒式之分。单筒式减振器如图 3.8 所示对外界碰伤敏感， 而双筒式减振器可以阻挡外界的侧面碰伤。图 3.9 为双筒式减振器结构示意图，双筒式 减振器由防尘罩 10，贮油缸 5，工作缸 2，活塞 3，导向座 9，压缩阀 6，流通阀 8，伸张 阀 4，补偿阀 7，活塞杆 1 和油封 11 等元件组成。 减振器根据在压缩和伸张两个行程内是否都起作用分为双向作用式和单向作用式两 种。根据减振器阻尼是否可调分为阻尼可调式和阻尼不可调式两种。目前又出现了磁流 变和电流变等新型减振器，它们是根据阻尼介质的不同加上控制方式的不同加以分类的， 但它们都属于可变阻尼减振器。 图 3.8 单、双筒式减振器 图 3.9 双筒式减振器结构 双向作用筒式液力减振器一般都具有四个阀(图 3.9)，即压缩阀 6、伸张阀 4、流通 阀 8 和补偿阀 7。流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱，当阀上的油压作用力与 弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不通油液；而油压作用力与弹簧力反向时，只要 很小的油压，阀便能开启。压缩阀和伸张阀是卸何阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有 当油压增高到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。 双向作用筒式液力减振器的工作原理可按图 3.9，分为压缩和伸张两个行程加以说明。 压缩行程 当汽车车轮滚上凸起或滚出凹坑时，车轮移近车架(车身)，减振器受压 缩，减振器活塞 3 下移。活塞下面的腔室(下腔)容积减小，油压伸高，油液经流通阀 5 流到活塞上面的腔室(上腔)。由于上腔被活塞杆 1 占去一部分，上腔内增加的容积小于 下腔减小的容积，故还有一部分油液推开压缩阀 6，流回储油缸 5。这些阀对油液的节流 便造成对悬架压缩运动的阻尼力。 伸张行程 当车轮滚进凹坑或滚离凸起时，车轮相对车身移开，减振器受拉伸。此 时减振器活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀 8 关闭。上腔内的油液便推开伸张 阀 4 流入下腔。同样，由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液还不足以充满下腔所增加 的容积，下腔内产生一定的真空度，这时储油缸中的油液便推开补偿阀 7 流入下腔进行 补充。此时，这些阀的节流作用即造成对悬架伸张运动的阻尼力。 目前普通汽车上广泛采用的是双向作用式减振器，这种减振器有如下特点： (1)在悬架压缩行程，减振器阻尼力较小，充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击； (2)在悬架的伸张行程，减振器的阻尼力较大，以实现迅速减振； (3)当车桥和车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道截面积，使阻 尼始终保持在一定限度内，以避免承受过大的冲击载荷。 3.3高度控制阀 车架高度控制机构包括一个高度传感器、控制机构和执行机构，其功能为: a.随车载变化保持合理的悬架行程； b.高速时降低车身，保持汽车稳定性，减少空气阻力； c.在起伏不平的路面情况下，提高车身高度以提高汽车通过性。 在空气弹簧悬架中，高度阀是用来控制空气弹簧内压的执行机构，其工作原理见图 3.10。高度阀固定在车架上，其进、排气口分别与储气筒和空气弹簧相接。当空气弹簧 上的载荷增加时，弹簧被压缩，储气筒内的气体通过高度阀的进气口向气囊注入，气囊 内气压增加，空气弹簧升高直至恢复到原来的位置，进气口关闭为止；当空气弹簧上的 载荷减小，弹簧伸张，气体通过高度阀的排气口排出，直至空气弹簧下降到原来的位置， 排气口关闭为止。所以在高度阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持在平衡位置附近波 动，从而保证车身不随载荷变化而变化。 图 3.10 高度阀原理示意图 高度阀分为机械式和电磁式，按组成又可分为带延时机构和不带延时机构。目前国 内空气悬架多采用机械式高度阀。 延时机构由缓冲弹簧和油压减振器组成，其作用是：在车辆运行时的正常振动中， 保证空气弹簧的高度虽有变化但不起进、排气作用；而当静载荷变化或以极低频率振动 时，保证空气弹簧进行充、排气，以使在汽车正常的振动中高度阀的进、排气阀不会频 繁地打开，从而减少压缩空气的浪费。在使用不带延时机构的高度阀时，车辆在运行过 程中高度阀的进、排气阀不断地打开、关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道上设 置一个节流孔，或在排气通道外加一长橡胶软管，以便限制空气流量，避免空气中的水 分和灰尘堵塞小孔。图 3.11 为带延时机构的高度阀结构示意图，图 3.12 为不带有延时 机构的高度阀结构示意图。 1.阀体 2.控制杆 3.油压减振器 4.缓冲弹簧 5.主轴支架 6.进、排气阀 7.止回阀 图 3.11 带延时机构的高度阀结构示意图 1.阀体 2.止回阀 3.缓冲弹簧 5.形密封圈 6.活塞 7.凸轮 4.进、排气阀 8.控制杆 图 3.12 不带有延时机构的高度阀结构示意图 带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩，控制 杆被推向上方，摆动臂开始转动，缓冲弹簧被扭动而产生的弹力带动主轴支架与油压减 振器中产生的阻尼力相抗衡；摆动臂转动一定时间后，进气阀打开，风缸中的压缩空气 冲开止回阀，通过贯通本体的空气通道流向空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控制杆 会返回平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。当车体荷重减少时，车体上升， 空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆被拉下，经过一段时间后排气阀打开， 空气弹簧内的空气被排出。 不带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩，控 制杆被推向上方，凸轮转动带动活塞顶开进、排气阀，风缸中的压缩空气通过一段节流 通道流入空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控制杆会返回平衡位置，此时进气阀被关 闭，压缩空气关断。当车体荷重减少时，车体上升，空气弹簧伸长，与荷重增加时情况 相反，控制杆被拉下，进、排气阀打开，空气弹簧内的空气经节流通道和活塞内的通道 排出。 通常车身高度控制采用独立控制形式，常见的情况是后悬架由两个高度阀分别控制 左右两侧的空气弹簧，前悬架由一个高度阀来控制，控制信号取 3 个高度信号的平均值， 并且还可以保证汽车在发生偏载的情况下，始终维持汽车车身处于水平状态。尤其在高 速转向时，空气弹簧可显著减小车身的侧倾角。有资料表明，当车速在 24km/h 以下时， 空气悬架与板簧这两种悬架的侧倾角基本相同，当车速达到 30km/h 时，空气悬架的侧倾 角就可以减小约 30%。 第四章 控制方式 车辆悬架控制系统大多采用由传感器拾取车身绝对速度、或车身对车轴的相对速度、 车身的加速度等信号，经 8 位或 16 位微处理器发出指令实施控制，由电液控制阀或步进 电机等执行机构调节阻尼系数(半主动)或控制力(主动)。由于车辆悬架控制系统是十分 复杂的非线性动力系统，基于模型的线性反馈控制策略受到极大的限制。目前应用于车 辆悬架控制系统的控制方法主要有最优控制方法、自适应控制方法等。近年来，随着控 制理论与控制技术的发展，适用于非线性系统的先进控制技术和方法涌现并日趋成熟。 在车辆动力学研究中，随着研究范围的逐步扩展，进而扩展到一些表现高度非线性的极 限情况，而非线性控制理论在车辆控制研究中的应用也愈加得到重现。 4.1最优控制方法 应用于车辆悬架控制系统的最优控制方法可以分为线性最优控制、 最优控制和最H 优预报控制等三种。线性最优控制是建立在系统较为理想模型基础上，采用受控制对象 的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构动态稳定性条件 下实现最优控制。把 L.Q(Linear Quadratic 线性二次型)调节器控制理论和 LQG(Linear Quadratic Gaussian 线性二次高斯型)控制理论应用于车辆悬架系统实现最优控制。 控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下，使相对于噪声干扰的输出取H 极小的一种最优控制法。为了模拟由于车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数以及车辆 结构高频柔度模态等变化不确定的误差，应用 控制法可实现车辆悬架振动控制具有较H 强的鲁棒性。最优预报控制是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，预报控制 的策略就是把所测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。这种控制方法特别适 合于轨道车辆的主动悬架，由于机车大多在同一轨道上反复行驶，基于过去和现在的信 息可以预测将来的信息，结合传统的 LQ 控制系统实施最优预报控制，模拟和实验结果表 明，不仅改善了行驶乘坐质量而且降低了控制所消耗的能量。 4.2自适应控制方法 车辆悬架振动系统是含有许多不确定因素的非线性动力系统难以用定常反馈系统达 到预定的控制性能要求。应用于车辆悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制 和模型参考自适应控制两类控制策略。自校正控制是一种将受控对象参数在线性识别与 控制器参数整定相结合的控制方法。把非线性自校正控制(STC)应用于非线性车辆主动悬 架系统，能适应悬挂载荷和悬架元件特性的变化，自动调正主动悬架系统的控制器来降 低车辆的振动。模型参考自适应控制的原理是当外界激励条件和车辆自身参数状态发生 变化时，被控车辆的诊断输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。另有一种新的自适应控 制