汽车空气悬架试验系统设计方案设计说明

汽车空气悬架试验系统方案设计3 / 45摘 要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围之。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AbstractThe 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 rigput the suspension rigidity adjustment into practice.Designs an accessory airspace,controls the pipeline size between the main and the accessory airspace with the stepper motorand realizes the air spring variable stiffness. The mechanical vibrating system of the test rigis 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 gatherssignal, then theECUanalyses and controls the height valve and the stepper motorto make the heightand 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 equipmentand examine the important components, finally draws the assembly drawing and the detail drawingsof the important parts.Key Words: Automobile vibration, Air spring, Controllable air suspension, Thesuspension testrig目 录前言1第一章绪论21.1空气悬架结构与分类21.2空气弹簧悬架国外发展历史和现状31.3本论文研究的目的、容和意义4第二章汽车振动的简化及分析52.1振动的简化52.2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93.1空气弹簧93.1.1空气弹簧特性103.1.2空气弹簧特性试验123.2减振器143.3高度控制阀15第四章控制方式184.1最优控制方法184.2自适应控制方法184.3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205.1试验台信号采集、控制方案设计205.2元件选择205.3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236.1空气弹簧设计计算236.1.1空气弹簧刚度计算236.1.2附加空气室设计246.2减振器选择与计算246.3轮胎当量螺旋弹簧的设计、校核256.4 减振器螺栓的校核266.5 立柱的设计266.6 簧上、簧下质量的确定276.6.1簧上质量的确定276.6.2簧下质量的确定28结论29致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。本论文所涉及的是林业大学车辆半主动悬架智能控制器研究项目中的一部分。：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,它是车架与车轴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围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,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,汽车研究所在、XX、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。八十年代初汽车研究所再次进行空气弹簧悬架的研究,并为客车制造厂、瓦房店客车厂、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,抢占国高档客车市场,如北方车辆制造厂、金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司等。同时国各大汽车厂、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,汇众汽车制造公司,淝河汽车制造厂,交通部公路科学研究所,省交通科学研究院,大学,同济大学,理工大学等。在这段时期飞机制造公司和交通部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,近年来国一些企业正在生产空气弹簧悬架零部件,如前进橡胶、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,交通部公路科学研究所,瑞安市东欧汽车零件厂等。1.3本论文研究的目的、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=y,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,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、。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：1总质量保持不变 2质心位置保持不变 3转动惯量的值保持不变 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、和得出3个集中质量分别为：=式中的为轴距。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=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=1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；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上和前轮轴以及和后轮轴所构成的两个双质量系统的振动。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2.3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围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；为非悬挂质量；为悬挂刚度；为阻尼器阻尼系数；为轮胎刚度；q为输入的路面不平度函数。车轮与车身垂直位移坐标为z1、z2,坐标原点选在各自的平衡位置,其运动方程为：无阻尼自由振动时,运动方程变成由运动方程可以看出,与的振动是相互耦合的。若不动,则得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：。同样,若不动,相当于车轮质量作单自由度无阻尼自由振动,于是可得车轮部分固有圆频率：与是双质量系统,是只有单独一个质量振动时的部分频率。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：将上面两个解代入微分方程组得：将、代入式和,可得此方程组有非零解的条件是和的系数行列式为零,化为代数式即式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对振动响应的影响。具体总结如下：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,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、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,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,腔容积减小,弹簧的刚度增加,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,腔容积增大,弹簧的刚度减小,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,空气弹簧的高度、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,目的是承受压力。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围,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。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围刚度及其变化较小,而在伸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。 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。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,工作时空气介质摩擦极小,几乎没有噪声。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。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,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,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,而活塞在缸筒往复运动时,减振器壳体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两个行程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,即压缩阀6、伸阀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,减振器受压缩,减振器活塞3下移。活塞下面的腔室容积减小,油压伸高,油液经流通阀5流到活塞上面的腔室。由于上腔被活塞杆1占去一部分,上腔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。上腔的油液便推开伸阀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：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；在悬架的伸行程,减振器的阻尼力较大,以实现迅速减振；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,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,储气筒的气体通过高度阀的进气口向气囊注入,气囊气压增加,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,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,空气弹簧的空气经节流通道和活塞的通道排出。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或控制力。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调节器控制理论和LQG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方法,它通过跟踪一个预先定义的参考模型获得任何非线性时便悬架模型的最优性能,最优性能依赖于包含前反馈控制和辅助控制器参数的自适应控制规则达到。把非线性滑模控制规则应用于电液悬架系统,控制器依赖于精确的悬架系统模型,采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统改善车辆的行驶特性,在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。4.3模糊控制和神经网络控制方法近年来,模糊理论和神经网络提供了行之有效的方法来解决在特定环境以及采用定性描述方式的多种目的设计中的各类问题。模糊控制已经广泛应用于水质控制、地铁操作、汽车减振器和牵引以及摄像机聚焦等系统中。自90年代以来,模糊控制方法被应用在车辆悬架系统中。其中具有代表性的是日本德岛大学芳村敏夫教授的研究工作。他同时把模糊理论应用于车辆悬架半主动和主动控制系统,基于三质量四自由度动力学模型,在随机激励作用下,用语言变量表示SM控制模式,采用模糊推理分别构成半主动和主动控制49条模糊控制规则,进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动。其结果证实了采用模糊控制方法的有效性。日本名古屋大学桥山智训等采用GA设计车辆悬架半主动系统的模糊控制器,由于它具有自动调整输入变量的组合,隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能,按Karnopp控制模式寻找模糊控制规则和选择输入变量,计算机模拟结果显示结合Gad的模糊推理方法比常规方法更加有效。神经网络是一个有大量处理单元神经元所组成的高度并行的非线性动力系统,其特点是可学习性和巨量并行性,故在车辆悬架振动控制中有广泛的应用前景。研究表明用神经网络控制的非线性悬架系统,和用传统的LQ调节器控制的悬架相比具有更好的性能。还可以应用神经网络理论设计车辆主动悬架系统的动力补偿器型控制器。第五章 信号采集、控制元件的选择5.1试验台信号采集、控制方案设计图5.1电控空气弹簧悬架试验系统如果完全再现车身运动状态,将使试验系统结构复杂和投入较高的制造成本,同时也使控制系统复杂化。考虑到实际条件,本文采用两自由度 1/4车辆悬架模型结构,建立如图 5.1 所示电控空气弹簧悬架试验系统。该试验系统虽然不能实现车身角振动和车身姿态的控制,但是可以反映车身的垂直振动,对单一方向的振动问题进行比较深入的理论分析和试验研究。表 5.1 为试验系统原理图中各符号的含义。表 5.1 试验系统原理图字母含义符号含义符号含义符号含义符号含义A加速度传感器Ms簧载质量H高度传感器p压力传感器C减振器Mu非簧载质量Kt轮胎当量弹簧刚度S位移传感器5.2元件选择1、本试验系统中激振台选用型号为DY-600-5的电动振动试验系统,此系统可以完成垂直、正弦、随机等多种试验,特别适合做运输振动试验。具体技术参数如下表：表5.2 DY-600-5电动振动试验系统具体技术参数额定正弦推力5.88KN600kgf额定频率围2-2000Hz台面尺寸230mm最大加速度490m/s2最大位移51mm运动部件有效质量12kg最大速度100cm/s额定载荷300kg电源3相380V 2、本试验系统中选用日本THK公司生产的HRS-A型直线滑轨,主要参数如下表：表5.3 HRS-A型直线滑轨主要参数总长度360mm轨道宽度28mm滑块长度98mm总高度42mm轨道高度26mm滑块横向孔中心距72mm总宽度90mm轨道节距80mm滑块纵向孔中心距70.4mm3、本试验系统中所用位移传感器是省传感器厂的产品,具体参数见下表：表5.4 WYDC-75D位移传感器参数型号WYDC-75D形式差动变压器式灵敏度100mv/mm频带0-100Hz供电电压12V量程75mm4、本试验系统中所用加速度传感器是美国硅设计公司的产品,具体型号及参数见下表：表5.5 2210-010型加速度传感器主要参数型号2210-010形式电容式硅加速度传感器灵敏度400mv/g频响正常,3dB0-600Hz供电电压DC 932V量程10g5、本试验系统中所用压力传感器是兰华传感器厂的产品,具体型号及参数见下表：表5.6 EX型压力传感器主要参数型号EX形式压电式频带0-500Hz量程0.2MPa-1.6MPa供电电压12V输出电压0-5V6、本试验所需的用于控制高度的气动换向阀为气动技术研究所所生产的3KA230型三位五通电磁换向阀,该种电磁阀为先导式,具体参数见下表：表5.7 控制阀参数表型号压力围最高耐压接管口径有效截面积电压功率3KA2300.20.7MPa1.05MPaRc1/811mm2DC12V1.8W本试验装置中的气源总成主要包括空气压缩机和空气滤清器等提供气体和处理干燥气体的零部件,所需装置的具体型号和详细参数说明如下：7、本试验所需的空气压缩机为欧普压缩机生产的,具体型号及参数见下表：表5.8 空气压缩机参数型号额定转速排气量功率排气压力V-0.8/10910rpm0.8m3/min7.5kW1.0MPa8、本试验所需的空气滤清器为东亚机械生产的具体型号和参数见下表：表5.9 空气滤清器具体型号和参数型号处理流量处理精度除油率除水率EL-2000.10.48m3/min0.1m99999、本试验系统所选的用于控制空气弹簧刚度的步进电机为金坛市四海电机电器厂的,具体参数见下表：表5.10 42BYG007-01型步进电机参数型号相数电压步距角静转矩机身长出轴长重量42BYG007-0146V0.9/1.8Deg1Kgcm33mm24mm0.2Kg5.3信号采集装置的布置及刚度、高度调节信号采集装置的布置应美观、合理,装拆简便同时又不影响信号采集的准确性。详细布局见附录的装配图。本装置通过步进电机控制主、副气室间通路面积的大小来改变空气弹簧的刚度,在附件的装配图中,图示为空气弹簧刚度最小的位置,通过步进电机顺时针旋转120,使阀芯上的孔对准另一个小孔,使弹簧刚度中等,步进电机再顺时针旋转120或者在图示位置起逆时针旋转 120,使主、副气室间通路面积为零,空气弹簧刚度最大。本装置通过一个气动换向阀实现空气弹簧高度的变化,阀的连接示意图如下：图5.2 气动换向阀连接示意图图中,气动换向阀的B和R2口要堵住不用,A口接空气弹簧主气室,R1口接气源总成,P口接大气,该阀左位为主气室排气,右位为进气,中位为锁止。第六章 机械元件的设计、校核6.1空气弹簧设计计算6.1.1空气弹簧刚度计算在我本次毕业设计中,给定参数有：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约为10N/mm,轮胎刚度kt为100N/mm。综合所有参数,另外参考国空气弹簧生产厂商,最终确定选用前进橡胶的型号B564膜式空气弹簧。其具体参数见表6.1：表6.1 B564膜式空气弹簧参数表规格型号总成重量使用气压负载能力工作行程总成尺寸最大外径设计高度最低高度最高高度B5640.50.30.7103295901006515595空气弹簧垂直刚度计算公式：式中：m: 多变指数,美国GM公司取值1.4, Buick公司取值1.3,Firestone公司和Goodyear公司均取值1. 38；P:空气弹簧在设计位置时的压力； Pa:大气压力；x:空气弹簧高度变化量； Kcj:计算垂直刚度；V:空气弹簧高度变化x后的容积； A:空气弹簧有效承压面积；:有效承压面积变化率； :容积变化率。和须由空气弹簧的几何形状求得。综合囊式、膜式等各种空气弹簧进行研究,可以得到适合于一切回转体型空气弹簧的垂直刚度公式：式中：a:各种型式空气弹簧的垂直特性形状系数,膜式弹簧因垂直变形不大和使计算简单可近似取0；其余参数同上。型号B570膜式空气弹簧根据其产品参数可计算出有效承压面积变化率,具体为根据式和该型号的具体参数可得弹簧在不同负载和不同高度下的刚度值,见表6.2。表6.2 B570膜式空气弹簧刚度表刚度值充气气压有效容积dm30.30.40.50.60.7弹簧高度6524.7330.9137.0943.2749.460.108518.0922.6127.1431.6636.180.1710014.8618.5822.3026.0129.730.2213010.6713.3316.0118.6721.340.311558.4310.5312.6414.7516.860.37通过计算,所选空气的刚度参数和承载能力均符合本次设计的要求。6.1.2附加空气室设计空气弹簧气室容积对其垂直刚度的影响很大,故可利用增加空气弹簧气室容积的方法来降低空气弹簧的垂直刚度以获得较低的车身固有频率。可是,由于结构限制,尤其是在考虑横向性能时,空气弹簧本体的尺寸不需要设计太高,相反,应尽量设计得低一些。因此,空气弹簧本体的容积V。不可能设计得太大,常常通过附加一个一定容积的气室来增加空气弹簧的总的气体容积。空气弹簧垂直刚度与空气弹簧气室容积之间的关系是刚度并不总是随着容积的变大而减小,当容积增大到一定程度时继续增加气室容积对降低刚度的作用不再明显。结合本次研究所选空气弹簧,设计了一个圆柱形附加空气室,其边长为60mm,高为100mm,容积为0.36L。为使空气弹簧在设计高度时能承受设计负荷,其压一般在0.40.6Mpa围选取。而空气弹簧气囊的最大许用压可达0.7Mpa。附加空气室与空气弹簧连通,从而要求所设计的附加空气室至少能承受0