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1第1章绪论1.1悬架系统简介汽车悬架是车架（车身）与车桥（车轮）之间弹性连接的部件，主要由弹性元件、导向装置及减振器三个基本部分组成[1]。原始的悬架是不能够进行控制调节的被动悬架，在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求。随着电液控制、计算机技术的发展以及传感器、微处理器及液、电控制元件制造技术的提高，出现了可控的智能悬架系统，即电子控制悬架系统。电子控制悬架系统按悬架系统结构形式分，可分为电控空气悬架系统和电控液压悬架系统两种。1.1.1悬架的功能悬架是现代汽车的重要总成之一，一般由弹性元件、阻尼元件以及导向机构等组成。悬架应具备的功能如下：支撑车身或车体；将车体与车轴弹性的连接起来，有效的抑制、衰减、隔离来自不平路面的冲击，以提供良好的乘坐舒适性；传递车轮和车体间一切力与力矩，使轮胎尽量跟随着地面，尽量减弱外因引起的车身姿态变化，以提供良好的操纵稳定性。其中的乘坐舒适性和操纵稳定性是两个相互矛盾的要求。例如：应用软悬架，如降低弹簧刚度，可以减小车身的加速度，满足乘坐舒适性，但同时增加了车身重心变化的幅度，加大了车轮的动载，而影响操纵稳定性，而应用硬悬架可以限制汽车姿态变化，保证轮胎良好接地，满足操纵稳定性但同时也会破坏平顺性的要求。悬架对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性等多种使用性能都有很大的影响，因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题之一。21.1.2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，如图1.1所示[2]。1、被动悬架目前在汽车上普遍采用的悬架，仍多为被动悬架。被动悬架概念是在1934年由Olley提出的。它通常是指：结构上只包括弹簧和阻尼器(减振器)的系统。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。3图1.1悬架分类2、主动悬架主动悬架的思想诞生于1955年，由GM公司的Federspiel—Labrosse提出，并最先应用到雪铁龙2cv车型上。1965年，Rockwell与Kimica探讨了伺服机械做主动动力吸振器的原理，为车辆主动悬架控制系统的设计提供了理论指导。设计主动悬架意图正是为了避免被动悬架中的一些矛盾原则，它利用可控的具有随机调节参数和信号处理能力的元件代替传统悬架的元件，来达到改善汽车行驶安全性和平顺性的目的。主动悬架通常包括三部分：传感器，控制器以及执行机构，并由它们与汽车系统组成闭环控制系统。其中控制器是整个系统的信息处理和管理中心，它接受来自各个传感器的信号，依据特定的数据处理方法和控制规律，进而决定并控制执行机构的动作，从而达到改变车身的运动状态、满足隔振减振要求的目的。在整个悬架控制中，控制算法(包括状态估计、模型辨识以及控制规律)是决定主动悬架系统控制质量的关键性因素。主动悬架的执行机构通常由能够产生具有一定频率宽度的力或力矩的作动器及相应的外加动力源构成。主动悬架系统目前常见的实现形式有两种，一种是当前使用较4多，通常称作并联式的主动悬架。它是在被动悬架的基础上，再增加一个驱动器，由于只需在被动悬架的基础上补充部分能量，因而消耗的能量小。当主动悬架出现故障时，它仍能按被动悬架方式工作。另一种是独立式的主动悬架。这种主动悬架是悬置质量和非悬置质量之间完全由作动器连接，并由作动器吸收和补充全部能量，该悬架的机械结构简单，但消耗的能量多。当主动悬架出现故障，就无法正常工作。这也是主动悬架的缺点。3、半主动悬架半主动悬架系统的概念出现得较早，概念于1937年被D.A.Crosby和D.c.Karnopp首次提出。半主动悬架旨在以接近被动悬架的造价和复杂程度来提供接近主动悬架的性能。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国内、外汽车主动悬架系统发展概况车辆主动悬架的研究在国内外，尤其在国外得到了广泛的开展，许多大学与大汽车公司对主动悬架进行了理论与实践的研究，并取得了一些成果。对主动悬架的研究主要从两个方面展开：一是各种可能模型的主动悬架及其特性的5研究。二是控制规律的研究。采用不同的控制规律和数学模型，所获得的悬架特性是不一样的，因此采用什么样的模型和控制规律以及与之对应的悬架特性是什么，是主动悬架研究的一个重要方面[3]。国外一些发达工业国家虽然己在某些车型上应用了主动悬架的产品，但在控制算法的改进、系统稳定性的增强、性能价格比的提高等方面仍有大量工作要做。例如文献中韩国的Han.S.-S.和Choi.S.-B.对一种新型的电流变化悬架系统进行了研究[4]。国内清华大学已于1997年建成了主动油气悬架试验系统，但目前国内的研究尚处于悬架系统控制算法的优化设计和理论分析阶段。所以，采用合适的控制方法，研究和开发满足主动悬架这一非线性、时变系统的有效、快速、可靠、高智能度、造价合理的控制器，是主动悬架研究的重中之重。车辆悬架振动控制系统的研究和开发是车辆动力学与控制领域的前沿课题。引入主动控制技术后的悬架是一类复杂的非线性系统，其研究进展和开发应用与机械动力学、电磁力学、流体传动与控制、测控技术、计算机技术、电子技术、材料科学等多个学科的发展紧密相关。近年来，随着相关学科和高新技术的迅猛发展，特别是高性价比微处理器的普及，使得研究实用的主动悬架振动控制系统成为可能。现今，汽车的舒适性和安全性越来越受人们关注。并且随着高速公路网的发展，汽车车速有了很大程度的提高，而被动悬架系统限制了汽车性能的进一步提高，现代汽车对悬架的要求除了能保证其基本性能外，还致力于提高汽车的行驶安全性和乘坐舒适性，向高附加值、高性能和高质量的方向发展。随着电子技术、传感器技术的飞速发展，以微电脑为代表的电子设备，因性能的大幅度改善和可靠性的进一步提高，促成汽车电子装置的高可靠性、低成本和空间节省，使电子控制技术被有效地应用于包括悬架系统在内的各个部分。通过6采用电子技术来实现汽车悬架系统的控制，既能使汽车的乘坐舒适性达到令人满意的程度，又能使汽车的操纵稳定性达到最佳状态。因此，主动悬架必将是今后汽车悬架发展的方向，必将有一个光辉的前景。1.3课题的目的与意义汽车在行驶时，路面的不平度会激起汽车的振动，当这种振动达到一定程度时，将使乘客感到不舒适或运载货物的损坏。对弹簧刚度控制，改变弹簧刚度，使悬架满足运动或舒适的要求。悬架性能还会引起车身姿态发生变化(俯仰和侧倾)，也会使乘客感到不舒适，并且会影响行车安全。对阻尼力控制，用来提高汽车的操纵稳定性，在急转弯、急加速和紧急制动情况下，可以抑制车身姿态的变化。车高调整，当汽车在起伏不平的路面行驶时，可以使车身抬高，以便于通过；在良好路面高速行驶时，可以降低车身，以减少空气助力，提高操纵稳定性。本设计根据汽车主动悬架的工作过程和工作要求，设计一套液压式主动悬架系统，利用液压能对车辆的悬架系统的减振刚度、阻尼力强度和车身高度进行调节。由于主动悬架能根据检测到的车辆和环境状态，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，因而，随着现代汽车车速的提高和车总体质量的减轻，有关车辆主动悬架的研究己成为世界各国汽车业瞩目的热点。悬架的设计必须满足行驶平顺性(RideComfort)和操纵稳定性(HandlingStability)等性能的要求。而随着汽车工业的发展，人们对汽车的舒适性、安全可靠性的要求越来越高，传统的被动悬架系统已很难满足这些要求。主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元(ECU)控制悬架执行机构，使悬架系统的刚度、减振器阻尼力及车身高度等参数得以改变。同时，由于车轮与路面之间的动载荷，还会影响到它们的附着效7果，因而会影响到汽车的操纵性、安全性及对路面的破坏；因此，研究车辆振动和受力，采取有效措施，将其控制在最低水平，对于改善车辆的乘座舒适性、操纵稳定性具有很重要意义。本课题通过对汽车液压式主动悬架系统的设计，可为开发研制一种新型的汽车主动悬架系统提供一条新的途径，具有一定的实际应用价值和应用前景，同时通过本设计的完成也可进一步培养学生综合运用知识的能力，培养其分析问题和解决问题的能力，增强工程设计能力。1.4本课题的研究内容设计一套汽车液压式主动悬架系统。所设计的悬架系统能根据车况进行悬架刚度和阻尼力调节、车身高度的调节。主动悬架是一个动力驱动系统，包括测量系统、反馈控制中心、能量源和执行器四个部分。其原理是测量系统通过传感器获得车辆振动信息，传递给控制中心进行处理，进而由控制中心发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行控制，衰减悬架的振动。8第2章汽车液压式主动悬架系统设计现代汽车中的悬架有两种，一种是从动悬架，另一种是主动悬架。被动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器、导向机构等组成，它的功能是减弱路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为从动悬架。主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置，采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架能够自行产生作用力，因此称为主动悬架[5]。2.1从动悬架与主动悬架的优缺点从动悬架设计的出发点是满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。被动悬架的优点是成本低、有较高的可靠性。缺点是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。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。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[6]。主动悬架是由电脑控制的一种新型悬架，具有能够产生作用力的动力源，执行元件能够传递这种作用力并能连续工作，具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。因此，主动悬架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。采用主动式悬架其优点是汽车对侧倾、俯仰、横摆跳动和车身的控制都能更加迅速、精确，汽车高速行驶和转弯9的稳定性提高，车身侧倾减少。制动时车身前俯小，启动和急加速可减少后仰。即使在坏路面，车身的跳动也较少，轮胎对地面的附着力提高。缺点是装置复杂，技术要求高，价钱高昂。2.2电控空气悬架系统和电控液压悬架系统的比较电子控制悬架系统按悬架系统结构形式分，可分为