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1第1章绪论1.1汽车悬架系统简介是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。汽车悬架又可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架（或车身）连接。当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆动，故称为非独立悬架。独立悬架的结构特点是车桥做成断开的，每一侧的车轮可以单独的通过弹性悬架与车架（或车身）连接，两侧车轮可以单独跳动，互不影响，故称为独立悬架1。1.1.1悬架的功能悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。1.1.2悬架的分类按悬架工作原理不同可分为被动悬架、半主动悬架及主动悬架三种。1、被动悬架被动悬架即传统式的悬架，由弹簧、减震器(减震筒)、导向机构等组成，其功能2是减弱路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力引起的承载系统的震动。其中，弹簧主要起减缓冲击力的作用，减震器的主要作用是衰减震动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为被动动悬架。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但因为其参数固定，所以具有较大的局限性。主要表现在：悬架参数固定，不能随路矿改变，只能针对某种特定工况，进行参数优化设计；而且悬架元件仅对局部的相对运动做出响应，故限制了悬架参数的取值范围。研究表明在人体共振频率附近，振动的不适主要是由弹簧的刚度决定，而在非悬置质量共振频率附近，阻尼力起决定性作用。减小悬架刚度后对改善乘坐舒适性有利，但对改善轮胎的动载荷不利，故在被动悬架设计中需要针对这些矛盾因素选择折衷方案。由于存在这种本质性的矛盾问题，这就必然导致设计人员无法使参数优化达到期望的最优性能指标。所以传统被动悬架难以实现乘坐舒适性和操纵稳定性的完美结合。随着汽车速度的提高，对汽车悬架的性能也提出了越来越高的要求。所以在这种情况下智能悬架系统应运而生了，即基于电子控制的智能悬架系统——主动悬架，半主动悬架得了迅速发展并逐渐在轿车上应用。2、主动悬架主动悬架是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬架。它汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。例如装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬架系统的中枢是一个微电脑，悬架上的5种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬架状态。同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动。因此，桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬架状态，以求最好的舒适性能。主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。例如德国奔驰2000款Cl型跑车，当车辆拐弯时悬架传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度。电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。3、半主动悬架3半主动悬架系统的构造与主动悬架类似，它利用弹性元件和阻尼器并列支撑悬置质量。不同之处是半主动悬架系统中可控阻尼器代替了主动悬架的主动力作动器。一般地，由于汽车悬架弹性元件需承载车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难得多，所以对半主动悬架的研究目前大多数都只限于阻尼控制问题，利用合适的控制律，它可提供介于主动悬架和被动悬架之间的性能。半主动悬架除了需要少量能量驱动电磁阀外，并不需要外加动力源，代表了性能提高和设计简单的折衷。根据阻尼系数是连续可调还是离散可调，半主动悬架又可以分为连续可控式和分级可控式。它们的区别是连续可控式中的阻尼系数在一定的变化范围内可以连续调节，而分级可控式中只有几种阻尼系数可供选择切换。1.2主动悬架系统发展现状为普遍,如自从汽车发明以来，工程师们就一直在研究如何将汽车的悬架系统设计得更好。最初的汽车悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。1908年螺旋弹簧开始用于轿车，当时就曾经有两种截然不同的意见。第一种意见主张安装刚性较大的螺旋弹簧，以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。另一种意见认为应该采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。但是这样的汽车操纵性较差。到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。这些改进无疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性2。衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、驾驶员座椅处)的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求为了克服这个缺陷，国外在50年代就提出了主动悬架的概念。主动悬架采用有源或无源可控元件组成的一个闭环或开环的控制系统，根据车辆系统的运动状态和外部4输入的变化（路面激励或者驾驶员方向盘的操作）作出反应，主动地调节和产生所需的控制力，是悬架始终处于最佳减振状态。主动悬架由控制系统喝执行机构组成，执行机构味有源液压系统的主动悬架简称全主动悬架，而无源主动悬架则简称半主动悬架。半主动悬架由可调节弹簧或可调阻尼器构成，与全主动悬架相比，最大的优点就是工作几乎不消耗发动机的功率，结构简单，造价较低，因此受到广泛重视。由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。所以尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标，但始终无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力。典型的例子，早期有雪铁龙公司在1955年发展的一种液压-空气悬架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及。到90年代，日产公司在无限Q45轿车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面的能力。随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化。手动开关可选择两种挡位：1.“SPORT”挡位，刚性高，相当于高级跑车的悬架特性。2.“TOURING”挡位，柔性，相当于高级旅行车的悬架特性3。现时引人注意的是奔驰公司发展的ABC(ActiveBodyControl)系统，可算是相对先进的主动悬架系统代表。ABC系统的设计人员从一开始就没有将注意力放在传统的思路上，而是另辟蹊径，集中研究车身在行驶时的跳动。他们认为，从稳定性考虑，通过抑制车身在行驶时的起伏、倾斜及跳动，可以最大限度地提高舒适性，而且更简单直接。对驾驶而言，采用刚性较大的螺旋弹簧，可以使汽车优越的操纵驾驶性得到保证。早在多年前，研究人员已经进行过这方面的验证。随着近年来电子技术及电脑控制在轿车上大量应用，这种新型主动悬架变为现实的条件越来越成熟。最新面世的系统采用了大量电子控制技术，奔驰公司称之为主动式车身控制系统，简称ABC。传统的悬架系统工作方式主要是通过厚重的车身跳动，推压液压油，通过阻尼减振器抑制车身的振动，并由螺旋弹簧将跳动能量吸收。这种完全被动的方式当然有许多不足之处。而ABC系统则通过感应最轻微的车轮及车身动作，在任何大的车身振动5之前及时对悬架系统作出调整，保持车身的平衡。该系统能够很好地适应各种路面情况，即使在异常崎岖不平的地方，轿车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。为了达到理想的效果，ABC系统在各条悬架滑柱内装有一套新型的液力调节伺服器，可动态调整的液压缸根据不同的路面情况自动调节螺旋弹簧座的位置，这一点很重要。当车轮遇到障碍物时，ABC系统通过传感器感知，自动调节弹簧座，并在弹簧座上施加压力，使之能最大限度地抵消传递给车身的跳动能量。同样的方法，ABC系统还能够避免轿车在制动、加速及转弯时产生的车身倾斜。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形，悬架传感器会检测出车身的倾斜度和横向加速度。微电脑根据传感器的信息，与预先设定的数值进行比较计算，并立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。几乎可以说，车身在任何状态下都能保持水平位置。ABC系统的控制感应装置由两个微型处理器及13个传感器组成，每10μs对悬架系统作一次扫描和调整。各传感器分别向微处理器传送车速、车轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较。同时，电脑能独立控制每一个车轮上的执行元件，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动以适应汽车的每一种行驶状况。ABC系统使汽车对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确，即使在路况较差的路面上，汽车的跳动也很小。而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。车身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。此外汽车的载重量无论如何变化，汽车始终能保持一定的车身高度，所以悬架的几何关系也可以确保不变。目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的C系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳的口碑，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一个里程碑。主1.3课题的目的与意义汽车悬架系统性能的优劣直接影响汽车的乘坐舒适性和操纵安全性。传统的被动悬架由于其参数固定从根本上造成了两者的矛盾，主动悬架作为最先进的悬架系统，能根据实时工况，主动及时地调整和产生所需悬架控制力，使悬架处于最优的减振状态，从而达到两者的完美结合。主动悬架拥有自身的能源，并以一个力的发生器取代了被动悬架中的减振器，采6用电液伺服阀作为悬架系统中液压作动器的控制阀，通过液压系统的设计，结合ECU的控制功能，实现对汽车车身高度的自动调节，阻尼及刚度的自动调节。主动悬架因为其有特定的结构特性而具有提高乘坐舒适性方面的巨大潜力，将逐步取代被动悬架和半主动悬架。随着控制理论的不断完善以及其