毕业论文-纳米磁性液体轻型汽车电子控制悬架设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 前 言 悬架是连接车架和车桥之间一切传动连接装置的总称。它主要由弹簧（如钢板弹 簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等） 、减振器和导向机构等组成。当汽车在不同的路面上行 驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支撑，有效地降低了车身与车轮的 振动，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。同时，它也引起在汽车起步、制 动、转向时车身的俯仰、点头和侧倾等现象，影响汽车的平顺性和操纵稳定性。 随着人类生活水平的提高，人们对汽车舒适性的要求也越来越高。传统的汽车悬 架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力， 它只能保证在一种特定的道路状态和速度 下达到性能最优，因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。例如降低 弹簧刚度，平顺性会更好，乘坐更舒适，但会使操纵稳定性变差；相反，增加弹簧刚 度虽可提高操纵稳定性，但会使车辆对路面不平度更敏感，平顺性降低。因此，理想 的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力， 以同时满足 平顺性与操纵稳定性的要求。 伴随电子技术、测控技术、机械动力学等的快速发展，使得车辆悬架系统由传统 被动隔振发展到振动主动控制。特别是信息科学中对最优控制、自适应控制、模糊控 制、人工神经网络等的研究，使悬架系统电子控制技术在现代控制理论指导下更趋完 善，同时已开始应用于车辆悬架系统的振动控制，使电子控制悬架系统振动控制技术 得以快速发展。 20世纪90年代以来，在汽车电子技术以及告诉公路发展的同时，各汽车公司相继 开发了电子控制悬架系统等提高汽车舒适性的电子控制系统。 电控悬架系统能够保证 汽车行驶平顺性、缓和不平路面的冲击、吸收振动的能量并减小汽车的振动，大大提 高了汽车行驶平顺性。 通过对汽车电控系统的建模来分析汽车在行驶中虽受到的动力 学分析，找到控制的关键因素，从而改善和提升汽车的行驶平顺性。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 1 章 汽车电控悬架系统的国内外发展情况分析 1.1 研究电控悬架系统的意义 悬架是车辆的重要组成部分，其主要功能是柔性的连接车身与车轮，并传递作用 在车轮与车身之间的力和力矩，并具有良好的缓冲减振能力，以降低由于路面不平传 递给车架或车身的冲击载荷，衰减振动能量，从而保证汽车的行驶平顺性。悬架系统 设计对车辆的总体性能有着重要影响。因此，设计性能优越的悬架，对提高汽车的性 能至关重要，这也成为汽车工程领域内研究的热点之一。 为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求， 悬架的结构形式一直在不断地更 新和完善，尽管这样，传统的被动悬架仍然受到很多限制，主要是难于同时改善在不 平路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性， 即使采用优化设计也只能保证悬架在 特定的激励发生变化后，悬架的性能亦随之发生变化，汽车不同的行驶状态对悬架有 不同的要求。一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感，当急转弯及制动时又需要 硬一点的悬架以求稳定性，两者之间有矛盾。另外，汽车行驶的不同环境对车身高度 的要求也是不一样的。一成不变的悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方 式去解决。为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制，在电子技术发展的带动 下，工程师设计出一种可以在一定范围内调整的电子控制悬架来满足这种需求，这种 悬架称为电控悬架。如今的汽车可变底盘系统按控制类型可以分为三大类，空气悬架 系统、液压调控悬架系统和电控磁性液体悬架系统。 1. 空气悬架系统： 与传统钢制汽车悬挂系统相比较，空气悬挂具有很多优势，最重要的一点就是弹 簧的弹性系数也就是弹簧的软硬能根据需要自动调节。例如，高速行驶时悬挂可以变 硬，以提高车身稳定性，长时间低速行驶时，控制单元会认为正在经过颠簸路面，以 悬挂变软来提高减震舒适性。 另外，车轮受到地面冲击产生的加速度也是空气弹簧自动调节时考虑的参数之 一。例如高速过弯时，外侧车轮的空气弹簧和减震器就会自动变硬，以减小车身的侧 倾， 在紧急制动时电子模块也会对前轮的弹簧和减震器硬度进行加强以减小车身的惯 性前倾。因此，装有空气弹簧的车型比其它汽车拥有更高的操控极限和舒适度。 2. 液压调控悬架系统： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 内置式电子液压集成模块是系统的枢纽部分，可根据车速、减振器伸缩频率和伸 缩程度的数据信息，在汽车重心附近安装有纵向、横向加速度和横摆陀螺仪传感器， 用来采集车身振动、车轮跳动、车身高度和倾斜状态等信号，这些信号被输入到控制 单元ECU，ECU根据输入信号和预先设定的程序发出控制指令，控制伺服电机并操纵 前后四个执行油缸工作。通过增减液压油的方式实现车身高度的升或降，也就是根据 车速和路况自动调整离地间隙，从而提高汽车的平顺性和操纵稳定性。 3. 电控磁性液体悬架系统： 利用电磁反应的一种新型独立悬挂系统，它可以针对路面情况，在1毫秒时间内 作出反应，抑制振动，保持车身稳定，特别是在车速很高又突遇障碍时更能显出它的 优势。它的反应速度比传统的悬挂快5倍，即使是在最颠簸的路面，也能保证车辆平 稳行驶。 电磁悬挂系统是由车载控制系统、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减振器组 成。 在每个车轮和车身连接处都有一个车轮位移传感器， 传感器与车载控制系统相连， 控制系统与电磁液压杆和直筒减振器相连。 直筒减振器有别于传统的液压减振器，没有细小的阀门结构，不是通过液体的流 动阻力达到减振的目的。电磁减振器中也有减振液，但是，那是一种被称为电磁液的 特殊液体(Magneto-rheological Fluid)，是由合成的碳氢化合物和微小的铁粒组成。 平时， 磁性金属粒子杂乱无章地分布在液体里， 不起什么作用。 如果有磁场作用， 它们就会排列成一定结构，减振液就会变成近似塑料的状态。减振液的密度可以通过 控制电流流量来精确控制，并且是适时连续的控制。 系统的工作过程是：当路面不平引起车轮跳动时，传感器迅速将信号传至控制系 统，控制系统发出指令，将电信号发送到各个减振器的电子线圈，电流的运动产生磁 场，在磁场的作用下，减振器中的电磁液的密度改变，控制车身，达到减振的目的。 如此变化说起来复杂，却可以一秒中进行1000次，可谓瞬间完成。 电磁悬挂系统可以快速有效地弥补轮胎的跳动，并扩大悬挂的活动范围，降低噪 音，提高车辆的操控准确性和乘坐舒适性。它的作用还不止如此，医学研究者已利用 这种技术制造出人造膝盖。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.2 纳米磁性液体的研究进展 纳米磁性液体是纳米铁磁性微粒在表面活性剂的包覆下， 稳定地分散在液体中而 形成的一种胶体体系，同时既具有固体磁性材料的磁性，又有液体的流动性。因此具 有许多独特的磁学，流动力学，光学和声学特性。即使处在重力，离心力，磁力作用 下也不会分离。磁性液体中的纳米级磁性颗粒比单畴临界尺寸还要小，因此它能自发 达到饱和。 同时由于粒子内部的磁矩在热运动的影响下任意取向， 粒子呈超顺磁状态， 因此磁性液体也呈超顺磁状态。一旦有外磁场的作用，分子磁矩立刻定向排列，对外 显示磁性。经测定，磁性液体在外磁场的作用下，它的“比重”会随外磁场的变化而 变化。变化幅度可以从每立方厘米不足1g到大于20g。20世纪60年代，美国首先把磁 性液体材料用于宇航服密封材料， 随后日本也对磁性液体的特殊性能进行广泛的探索 和研究，并把它用于科学试验和工业装置中。目前，日、俄、美、西欧诸国均可大量 生产性能稳定的磁性液体。我国起步较晚,但先后已有20余家单位从事磁性液体的研 制和开发应用，与国外相比存在一定差距。 1. 纳米磁性液体的分类纳米磁性液体的分类 纳米磁性液体按照不同的分类标准有不同的分类方法, 根据纳米磁性液体材料 中所用的铁磁性固体颗粒种类的不同可以分为:氧体磁性液体、金属磁性液体、氮化 铁系磁性液体、复合微粒磁性液体。铁氧体材料主要使用磁矿、锰锌铁氧体, 可用不 同的制备方法制备出纳米铁磁性颗粒。金属材料有铁、钴等，以及这些金属的合金， 可以电解沉淀等离子体化学气相沉积，真空蒸镀法，有机金属盐热分解法等制成金属 或合金的纳米铁磁性颗粒。氮化铁系材料主要以Fe16N2为核心成分，常采用超高真空 制得纳米磁性颗粒。复合磁性液体则是以磁性液体与非磁性小颗粒组成的复合体系。 根据纳米磁性液体材料所用的基液，可以分为水基类、水银类、碳氢化合物类、碳化 氟类、酯类等，依据纳米磁性液体的不同用途选择不同的基液。几种常见基液及纳米 磁性液体材料的特点见表1。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 表1 几种常见基液及纳米磁性液体材料的特点 表面活性剂是纳米磁性液体不可缺少的组成部分， 活性剂的选择是制备纳米磁性 液体的关键， 不同基液的纳米磁性液体要求选择不同的活性剂， 活性剂具有以下作用： 防止纳米磁性颗粒的氧化；削弱静磁吸引；克服范华力所造成的颗粒凝聚；改变磁性 颗粒的性质,形成很强的化学键。 2. 纳米磁性液体的基本性质纳米磁性液体的基本性质 纳米磁性液体的特性是磁性颗粒、界面活性剂及载液性能的综合表征。作为一种 特殊的胶体体系,磁性液体同时具有软磁性和流动性。 1) 磁化特性 胶态磁性液体中的磁性粒子，通常其直径约为10nm，属于亚畴粒子，但仍然能 自发磁化到饱和状态。当粒子表面吸附上一层表面活性剂时，就成为一个稳定的具有 磁性的胶态粒子。在没有外磁场作用的情况下，磁性粒子作无规则的热运动，微粒的 磁矩无规则分布，因而整个磁性液体系统的总磁矩为零，并不表现出对磁性物体的吸 引能力。当有外加磁场作用时，磁性液体显示出磁感应特性，能被吸引到磁场强度的 方向。图1为磁性液体的磁化曲线。由图可看出，磁化强度随外磁场的增加而近似线 形地迅速提高，以后增大的速率减缓，最终达到饱和磁化强度。外加磁场一消失，磁 性液体立即退磁，几乎没有磁滞现象。与固体磁性材料相比,磁性液体的磁化曲线为 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 对称的S形，表现为超顺磁性。通过外加磁场的作用，可以引导磁性液体定向流动或 将磁性液体保持在所要求的部位。 磁性液体的饱和磁化强度取决于磁性微粒的饱和磁 化强度及其在磁性液体中的含量。为提高磁性液体的磁化强度，应选择高饱和磁化强 度的磁性材料制作的磁性微粒。 磁性粒子含量的提高， 会使磁性液体的粘度急剧增大， 稳定性下降， 影响磁性液体的实际应用。 磁性液体的磁化强度与温度也有密切的关系。 温度提高，微粒热运动加剧，磁化到饱和状态所要求的外加磁场强度就越大。 图1 磁性液体的磁化曲线 2) 光学特性 在外加磁场的作用下，磁性液体中的磁性微粒有序排列。当光线通过几十微米厚 的磁性液体薄膜时，会产生双折射现象。结果是，尽管磁性液体是黑色的，但光线却 可以通过。光线通过磁性液体薄膜，还会出现二色性现象和衍射现象，且相对于磁场 方向表现出各向异性。此外，超声波在磁性液体中传播，其速度和衰减程度也和外加 磁场有关，同时相对于磁场方向也表现出各向异性。在交变磁场中,磁性液体还会有 磁导率频散、磁粘滞等现象。 3) 流变特性 在外磁场的作用下，磁性液体内的总压力增大，其增大的程度与磁化强度和磁场 强度密切相关。也就是说，磁场能量转变为磁性液体的压力能。其结果是使原来沉浸 在磁性液体中的高密度非磁性物体“漂浮”起来。还有磁性液体的粘度可以由外加磁 场的强弱来控制，随着磁场强度的提高，磁性液体粘度可增大10倍以上。分析认为， 这是因为外加磁场的作用使分散的磁性粒子流动阻力增加所致。 在磁场强度不为零的 条件下，因磁性粒子的转动，使得磁流体滑动的速度受到阻碍。因而磁流体的粘度随 之增加,其大小与磁场的强度有关。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3. 纳米磁性液体在国内外的发展状况及应用纳米磁性液体在国内外的发展状况及应用 纳米磁性液体是1965年美国宇航局为解决太空人宇航服头盔转动密封问题由 S.S.Pappel研究成功的。纳米磁性液体是一种新型的复合材料也是一种新型的功能材 料，它具有独特的性质，开拓了新的应用领域，许多过去无法解决的问题，由于纳米 磁性液体的出现便迎刃而解，因此在航空航天、化工环保、仪器仪表、医疗卫生、印 刷制造、等领域获得了广泛应用。 磁性液体的发展按纳米级被利用的时间顺序及特性可以分成三个阶段。60年代 初，第一代铁磁性液体问世。80年代第二代金属性磁性液体出现。进入90年代日本研 制出第三代氮化铁磁性液体。 第一代铁氧体磁性液体问世解决了纳米磁性液体材料的 有无问题，第二代金属磁性液体的出现把磁性能提的更高，第三代氮化铁磁性液体既 具有良好的抗腐蚀性能具有较高的磁性能。 到目前为止，人们对磁性液体材料的应用已经开拓出许多领域。减振是“磁性液 体”技术最实际的一种应用方式，许多名牌赛车或者高级轿车，车的震动吸收器里就 有“磁性液体”。电子设备能使“磁性液体”产生每秒数千次“僵硬”、“还原”过 程，从而能有效地减轻车身震动，乘坐这种车，比乘坐其他车要平稳舒适许多。 磁性液体阻尼减震器是近几年出现的一种智能型减震器， 它以磁性液体作为阻尼 介质。这种减震器具有结构简单、控制应力范围大、响应速度快、不存在老化疲劳现 象和功耗低等优点，有取代传统型减震器的发展趋势。 1.3 研究内容 在车辆系统中起主要减振作用的是悬架系统。悬架系统起到弹性连接车身车轮、 缓和路面传给车身的冲击、 衰减由此引起的车辆系统的振动和保证车辆乘坐舒适性的 作用。提高汽车舒适性就必须限制汽车车身的加速度；而保证安全性，就需要把悬架 的变形限制在很小的范围内。传统的被动悬架结构简单、参数固定，不能根据路面的 要求进行调节，从而不能满足良好的平顺性和稳定性要求。近年来，主动悬架可以通 过动力装置，根据设计者所希望的目标及预定的模糊控制策略来改变悬架的特性，同 时满足乘坐的舒适性和安全性。 纳米磁性液体电控悬架要求在原车弹性元件及导向机构不变的条件下配以纳米 磁性液体可调阻尼减振器，并以 8098 单片机为主控制器件，使用加速度传感器和电 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 荷放大器，通过采集车身地板处的振动加速度信号，根据模糊逻辑推理的控制策略， 计算相应的减振阻尼力，然后发出控制指令驱动减振器中的控制阀连续转动，以产生 实际要求的阻尼力，达到最佳减振效果。在此基础上，并可推广至各类汽车上，应用 前景广阔。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 2 章 汽车电控悬架系统的结构及工作原理 2.1 汽车悬架系统 2.1.1 汽车悬架系统的作用及组成汽车悬架系统的作用及组成 汽车悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩， 并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，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。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件 来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓 冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量(即簧载质量)、非悬挂质量 (即非簧载质量)和弹簧(弹性元件)组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及 传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件， 即减振器。汽车悬挂尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和 导向机构三部分组成。（如图1） 图1 汽车悬架组成示意图 1. 弹性元件 2. 纵向推力杆 3. 减振器 4. 横向稳定器 5. 横向推力杆 此外， 悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对 于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。 导向机构决定了车轮跳动时的 运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在 很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。 在有些悬架中还有缓冲块和横向 稳定杆。 2.1.2 对汽车悬架系统的要求对汽车悬架系统的要求 汽车悬挂系统对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性都有较大的影响。 所谓行驶平顺 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 性是指汽车在行驶过程中，保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度，或 保持所载物资完好的能力。汽车的操纵稳定性则包括两方面的含义，一是汽车是否具 有正确遵守驾驶员操纵转向机构所给规定方向行驶的能力，即所谓的操纵性，二是汽 车在外界条件，如地面不平、坡道、大风等干扰下，能否保持原方向行驶的能力，即 所谓的稳定性。在悬挂系统设计时应尽可能做到既能使行驶平顺性，即乘坐舒适性， 达到令人满意的程度，又能使其操纵稳定性，即行驶安全性，也达到最佳的状态。然 而，这两个要求在悬挂系统的设计中往往是矛盾的。 平顺性和操纵稳定性对汽车悬挂系统这一互为矛盾的要求， 在传统的被动悬挂系 统设计中几乎无法同时满足。即使经过慎重的权衡，通过最优控制理论使悬挂系统在 平顺性和操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案， 而这种最优的折衷也只能是在特定的 道路状态和速度下达到。 为了克服传统的被动悬挂系统对其性能改善的限制， 在现代汽车中采用和发展了 新型的电子控制悬挂系统。电子控制悬挂系统可以根据不同的路面条件，不同的载重 质量，不同的行驶速度等来控制悬挂系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小，甚至可 以调整车身高度， 从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组 合。 2.1.3 汽车传汽车传统被动悬架统被动悬架 被动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器、减振筒、导向机构等组成，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。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。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。 2.2 汽车电控悬架系统 2.2.1 汽车汽车电控电控悬架悬架系统的功能系统的功能 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 汽车电控悬架系统能在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力， 既满足平顺性的要求又满足操纵稳定性的要求。 电控悬架系统的基本目的是控制调节悬架的刚度和阻尼力， 突破传统被动悬架的 局限性，使汽车的悬架特性与道路状况和行驶状态相适应，从而保证汽车行驶的平顺 性和操纵的稳定性要求都能得到满足，其基本功能主要有三点： 1. 车高调整：无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度一定，车身保持水平， 从而使前大灯光束方向保持不变；当汽车在坏路面上行驶时，可以使车高升高，防止 车桥与路面相碰，当汽车高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高 操纵稳定性。 2. 减振器阻尼力控制：通过对减振器阻尼系数的调整，防止汽车急速起步或急 加速时车尾下蹲，防止紧急制动时的车头下沉，防止汽车急转弯时车身横向摇动，防 止汽车换挡时车身纵向摇动等，提高行驶平顺性和操纵稳定性。 3. 弹簧刚度控制：与减振器一样在各种工况下，通过对弹簧性系数的调整来改 善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。 总结起来，电子控制悬架系统能根据不同的路面状况、载重量、车速等控制悬架 系统的刚度和减振器的阻尼，调节车身高度以提高车辆的通过性。根据有无动力源， 可以将电子控制悬架分为两大类：半主动悬架及主动悬架。 2.2.2 汽车半主动悬架及其特点汽车半主动悬架及其特点 半主动悬架可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调 整，使车身的振动被控制在某个范围内。半主动悬架系统无动力源。因此，汽车在转 向、起步、制动等工况时不能对刚度和阻尼进行有效控制。半主动悬架的特点是可看 作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统， 虽然它不能随外界的输入进行最优的 控制和调节， 但它可按存储在计算机的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令 来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。优缺点介于被动悬架与主动悬挂之间。 2.2.3 汽车主动悬架及其特点汽车主动悬架及其特点 主动悬架是一种有源控制，可以根据汽车行驶条件的变化，主动改变悬架的刚度 和阻尼系数。在汽车行驶路面、速度变化以及在汽车起步、制动、转向等工况时，主 动悬架都可以进行有效控制。 此外， 主动悬架还可以根据车速的变化控制车身的高度。 主动悬架的特点表现在以下几个方面。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1. 悬挂刚度可以设计得很小，使车身具有较低的自然振动频率，以保证正常行 驶时的乘坐舒适性。汽车转向等情况下的车身侧倾、制动、加速等情况下的纵向摆动 等问题，由主动悬挂系统通过调整有关车轮悬挂的刚度予以解决。而对于传统的被动 悬挂系统，为同时兼顾到侧倾、纵摆等问题，不得不把悬挂刚度设计得较大，因而正 常行驶时汽车的乘坐舒适性受到损失。 2. 采用主动悬挂系统，因不必兼顾正常行驶时汽车的乘坐舒适性，可将汽车悬 挂抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，即汽车的行驶 安全性得以提高。 3. 先进的主动悬挂系统，还能保证在车轮行驶中碰抵砖石之类的障碍物时，悬 挂系统在瞬时将车轮提起，避开障碍行进，因而汽车的通过性也得以提高。 4. 汽车载荷发生变化时，主动悬挂系统能自动维持车身高度不变。在各轮悬挂 单独控制的情况下，还能保证汽车在凸凹不平的道路上行驶时车身稳定。 5. 普通悬挂在汽车制动时，车头向下俯冲。而装有某些主动悬挂系统的汽车， （如沃尔沃740型小轿车）却不存在这种情况。制动时，该车尾部下倾，因而可以充 分利用后轮与地面间的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。 6. 装有某些主动悬挂系统的汽车在转向时，车身不但不向外倾斜，反而向内倾 斜，从而有利于转向时的操纵稳定性。 7. 主动悬挂可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，保持 与地面垂直，因而可提高车轮与地面间的附着力，使车轮与地面间相对滑动的倾向减 小，汽车抗侧滑的能力得以提高。轮胎的磨损也得以减轻，转向时车速可以提高。 8. 在所有载荷工况下，由于车身高度不变，保证了车轮可全行程跳动。而传统 的被动悬挂系统中，当汽车载荷增大时，由于车身高度的下降，车轮跳动行程减少， 为不发生运动干涉，不得不把重载时的悬挂刚度设计得偏高，因而轻载时的平顺性受 到损失。而主动悬挂系统则无此问题。 2.2.4 汽车电控悬架系统的基本工作原理汽车电控悬架系统的基本工作原理 电子控制悬架系统由传感器与开关、控制单元、执行元件等电子器件组成。传感 器和开关将路面输入的模拟信号转换为数字信号传送给控制单元ECU， 控制单元ECU 将传感器输入的电信号进行分析处理后输出控制信号给执行元件， 执行元件的机械动 作改变减振器的阻尼和弹簧的刚度。工作原理如图2。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 主动悬架系统的基本工作原理是传感器将采集的反映悬架振动的信号传给控制 器，控制器控制主动悬架的力发生器，产生控制力控制车身的振动，从而大大提高了 车辆的平顺性等性能。 图2 电控悬架系统基本工作原理 半主动悬架系统基本工作原理是用可调弹簧或可调阻尼元件组成悬架， 并根据悬 架的振动响应等反馈信号，按照一定的调节规律调节车辆悬架系统的刚度或阻尼状 态，提高车辆的行驶平顺性和安全性。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 3 章 汽车悬架的结构选型与分析 3.1 悬架的设计要求 悬架的主要功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并缓 和汽车行驶过不平路面时所产生的冲击，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。 在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求： (1)通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性， 即具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的 压缩或伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力； (2)合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递， 保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大， 并且能满足汽车具有良好的操纵稳定 性的要求； (3)导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能 引发转向轮摆振； (4)侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加 速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时车身纵倾； (5)悬架构件的质量要小尤其是非悬挂部分的质量要尽量小； (6)所有零部件应具有足够的强度和使用寿命； (7)制造成本低； (8)便于维修、保养。 3.2 悬架的结构形式分析 3.2.1 悬架结构形式的分类 悬架可分为非独立悬架和独立悬架两类。非独立悬架的结构特点是，左、右车轮 用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接；独立悬架的结构特点是，左、 右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接。 （图 3-1） 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 3-1 悬架的结构形式简图 a) 非独立悬架 b)独立悬架 以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，其主要优点是：结构简 单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不 可能有足够的长度（特别是前悬架） ，使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质 量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜；当 两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆使前轮容易产生败阵；前轮跳动时，悬架 易于转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右 两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的 轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴（桥）上方 要求有与弹簧行程相适应的空间。这种悬架主要用在总质量大些的商用车前、后悬架 以及某些乘用车的后悬架上。 非独立悬架主要用于货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架。 独立悬架的优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力， 所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车的行驶平顺性；由于采 用断开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车 的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减小车身的倾斜和振动，同时 在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力； 独立悬架主要用于轿车和部分轻型货车、客车及越野车 。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.2.2 悬架的组成及各部件作用 悬架作为一个完整的系统主要包括四大部分： (1) 弹性元件 作用是：避免道路冲击力直接传到车架、车身并缓和冲击力。 用于悬架的弹性元件主要有： a. 钢板弹簧，大多用于非独立悬架； b. 螺旋弹簧，广泛用于独立悬架，特别是前轮独立悬架，有些后轮非独立悬架，必 须加减振器和导向机构； c. 扭杆弹簧，扭杆本身扭转刚度是常数，但采用扭杆弹簧的悬架是变刚度的； d. 气体弹簧，变刚度弹簧，一般要导向机构； e. 橡胶弹簧，多作悬架副簧和缓冲块。 (2) 减振器 作用是：加速车架与车身振动的衰减，改善汽车行驶的平顺性。 用于悬架的减振器有以下几种： a. 油液式双向作用筒式减振器，在压缩和伸张两行程内部起减振作用； b. 油液式单向作用筒式减振器，仅在伸张行程起减振作用； c. 油气充气式减振器 d. 阻尼可调式减振器，当悬架系统某一参数变化时，减振器阻力也随之变化。 (3) 导向机构 作用是：作传力机构的同时，使车轮按照一定的轨迹相对于车架和车身跳动，起 导向作用。 (4) 横向稳定器 作用是：安装于多数轿车和客车上，目的是为了防止汽车转向时，发生过大的横 向倾斜。 3.3 悬架方案的选择 本次设计采用麦弗逊式悬架。 麦克弗逊悬架是以福特汽车公司的工程师 Earle S. McPherson 的名字命名的。典 型的结构如图 3-2 所示。麦弗逊悬架相对双横臂悬架而言，它不仅简化了结构，减小 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 了质量，还节省了空间，降低了制造成本，并且几乎不占用横向空间，有利于车身前 部地板的构造和发动机布置，这一点在用于紧凑型轿车的前悬架时，具有无可比拟的 优势。麦弗逊悬架的另外一些优点包括：铰接点的数目较少；上下铰点与车轮接地点 之间的距离较小， 这对减小铰点处的受力有利； 弹簧行程较大、 另外， 当车轮跳动时， 其轮距、前束及车轮外倾角等均改变不大，减轻了轮胎的磨损，也使汽车具有良好的 行驶稳定性。 图 3-2 麦克弗逊式前悬架结构简图 麦弗逊悬架的缺点是：由于自由度减少，悬架运动特性的可设计性不如双横臂悬 架；振动通过上支承点传递给汽车头部，需采取相应措施隔离振动、噪声；减振器的 活塞杆与导向套之间存在摩擦力，使得悬架的动刚度增加，弹性特性变差，小位移时 这一影响更加显著；对轮胎的不平衡较敏感；减振器紧贴车轮布置，其间空间很小， 有些情况下不便于采用宽胎或加装防滑链。 纵置板簧式非独立悬架的优点：由于钢板弹簧本身可兼起导向机构的作用，并有 一定的减振作用，使得悬架的结构大为简化。因而在非独立悬架中大多数采用钢板弹 簧作为弹性元件。结合本设计是研究轻型货车，在后悬架的选择时，对舒适性的要求 不高，结构简单、易于布置，故后悬架采用纵置板簧式非独立悬架。如图 3-3： 图 3-3 纵置钢板弹簧非独立悬架结构简图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 4 章 悬架的设计计算 4.1 影响悬架平顺性的参数确定 悬架设计的主要目的之一是确保汽车具有良好的行驶平顺性。 汽车行驶时振动越 剧烈，则平顺性越差。 1平顺性评价指标 ISO2631 规定，当振动波形峰值系数9时，用加速度的加权均方根值来评价振 动对人体舒适性和健康的影响。评价时采用人体坐姿受振模型，如图 4-1，不仅考虑 座椅支撑面处输入点 3 个方向的线振动, sss x y z，还考虑该点 3 个方向的角振动 , xyz r r r及 座 椅 靠 背 和 脚 支 撑 面 两 个 输 入 点 各3个 方 向 的 线 振 动 , bbbfff xy zxyz和，共 3 个输入点 12 个轴向的振动。对于每个轴向的振动，其加 权加速度均方根值 w a可由下式得到： 80 2 0.5 wa aWf Gf df （式 4-1） 式中 a Gf振动加速度功率谱密度函数，可由加速度时间历程 a t得到； Wf考虑人体对不同频率振动的敏感程度不同而引入的频率加权函数。 图 4-1 人体坐姿受振模型 考虑到不同输入点、不同轴向的振动对人体影响的差异，总的加权加速度均方根 值 v a可求出为： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2 vjwj ak a （式 4-2） 式中 wj a用式 4-1 求出的各轴向振动加速度均方根值； j k各轴向加权系数。 总的加权加速度均方根值与人体主观感觉之间的对应关系如表 4-1： 表 4-1 加权加速度均方根值与人途主观感觉之间的关系 加权加速度均方根值/ 2 /m s 人体主观感觉 2.0 极不舒适 汽车的振动输出由道路激励输入和汽车对振动的传递特性共同决定。 路面不平度 可以用道路功率谱 q S表征，其中为空间频率，是路面不平度波长的倒数。当汽 车以车速(/ )v m s驶过给定的路面时，道路激励的时间功率谱可表述为： 2 1 qqsp v SfSC vf （式 4-3） 式中 sp C路面不平度系数， 2 /m s； f时间频率，Hz。 大量的研究和实践结果表明，对平顺性影响最为显著的三个悬架特性参数为：悬 架的弹性特性、阻尼特性以及非悬挂质量。 2悬架的弹性特性和工作行程 对于大多数汽车而言，其悬挂质量分配系数 2 /0.81.2 y ab，因而可以近 似地认为1，即前后桥上方车身部分的集中质量的垂向振动是相互独立的，并用 偏频 1 n， 2 n表示各自的自由振动频率，偏频越小，则汽车的平顺性越好。一般对于采 用钢制弹簧的轿车， 1 n约为11.3(6080/minHz次）， 2 n约为1.17 1.5Hz非常接近 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 人体步行时的自然频率。载货汽车的偏频略高于轿车，前悬架约为1.3Hz，后悬架则 可能超过1.5Hz。为了减小汽车的角振动，一般汽车前、后悬架偏频之比约为 12 /0.85 0.95nn 。具体的偏频选取可参考表 4-2： 表 4-2 汽车悬架的偏频、静挠度和动挠度 车型 满载时偏频/n Hz 满载时静挠度/ c fcm 满载时动挠度/ d fcm 1 n 2 n 1c f 2c f 1d f 1d f 汽车 1.512.04 1.672.23 611 59 69 68 由上表选取汽车满载时前后悬架的偏频分别为： 1 1.9nHz， 2 2.1nHz 所以 12 /1.9/2.10.90nn ，满足要求。 当1时，汽车前、后桥上方车身部分的垂向振动频率 1 n， 2 n与其相应的悬架 刚度 12ss CC和以及悬挂质量 12ss mm和之间有如下关系： 11 1 11 22 2 22 1 2 1 2 ss ss ss ss CgC n mG CgC n mG （式 4-4） 式中 g重力加速度， 2 9810/gmm s； 12ss CC,前、后悬架刚度，/N mm； 12ss GG,前、后悬架簧载重力，N。 为了求出前后悬架的垂直刚度，必须先求出前后悬架的簧载质量 12ss mm和。而 12ss mm和可以通过满载时前后轮的轴荷减去前后非簧载质量得到。即： 1 2 1 2 1 2 s s mmm mmm 前轮轴荷前轮非簧载质量 后轮轴荷后轮非簧载质量 （式 4-5） 为了获得良好的平顺性和操纵性，非簧载质量应尽量小些。根据同类车型类比， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 取前悬架的非簧载质量为 50kg，后悬架的非簧载质量为 100kg。 将数据代入式 4-5 得出： 1 1 1.38250.050.66625 2 s mttt； 2 1 2.56750.11.23375 2 s mttt。 将计算所得的 12ss mm和代入式 4-4，得到： 前、后悬架的刚度分别为： 1 94.86/ s CN mm； 2 214.58/ s CN mm。 由于悬架的静挠度/ css fm g C，因而式 4-4 又可表达为： 1 1 2 2 15.76 15.76 c c n f n f （式 4-6） 式中， 12 , cc ff的单位为mm。 所以，由式 4-6 求出前、后悬架的静挠度分别为： 1 68.8 c fmm 2 56.32 c fmm。 悬架的动挠度 d f是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形 （通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/21/3或）时，车轮中心相对车架（或车身） 的垂直位移。为了防止汽车行驶过程中频繁撞击限位块，应当有足够的动挠度，选取 汽车前后悬架的动挠度等于静挠度，即： 11 68.8 dc ffmm 22 56.32 dc ffmm。 此时悬架总的工作行程即静挠度 c f和动挠度 d f之和等于： 1 137.6,fmm 2 112.6fmm 3悬架的阻尼特性 当汽车悬架仅有弹性元件而无摩擦或减振装置时， 汽车悬挂质量的振动将会延续 很长的时间，因此，悬架中一定要有减振的阻尼力。对于选定的悬架刚度，只有恰当 地选择阻尼力才能充分发挥悬架的缓冲减振作用。 对于一个带有线性阻尼减振器的悬架系统或弹簧质量阻尼系统， 可用相对阻 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 尼比来评价阻尼的大小或振动衰减的快慢程度。 相对阻尼比可表达为： 2 ss k C m （式 4-7） 式中 s C弹簧刚度； s m悬挂部分的质量。 上式表明，减振器的阻尼作用除与其阻尼系数k有关外，也与悬架的刚度及悬挂 质量有关。不同刚度和不同质量的悬架系统匹配时会产生不同的阻尼效果。为了获得 良好的平顺性，典型的相对阻尼比如表 4-3： 表 4-3 汽车悬架的偏频及相对阻尼比 空气弹簧 钢制弹簧 轿车 载货汽车 轿车 载货汽车 前悬架 后悬架 前悬架 后悬架 前悬架 后悬架 前悬架 后悬架 偏频n 0.5 0.8 0.8 1.2 1.0 1.2 1.3 1.5 0.8 0.6 0.8 0.6 0.4 0.2 0.4 0.3 4.2 悬架螺旋弹簧的设计计算 1悬架静、动挠度和螺旋弹簧静、动挠度的关系 麦弗逊悬架在振动时，由于弹簧与车体并不垂直，所以悬架的静挠度并不等于螺 旋弹簧的静挠度。 可以通过振动时螺旋弹簧位置的改变来寻找几何关系根据已知的悬 架静挠度来求出螺旋弹簧的静挠度，如图 4-8 所示： 图中 c f前悬架的静挠度，已知68.8 c fmm； 1c f螺旋弹簧的静挠度。 由图中的几何关系可以得到下式： 解三角形 ABC： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1 2 22 1 40068.8400 cos4 2 400 68.8 68.6 c c f fmm 图 4-8 悬架振动示意图 同理，可以求出螺旋弹簧的动挠度为： 11 68.6 dc ffmm。 2螺旋弹簧基本参数的选择 (1) 弹簧中径 D 和钢丝直径 d 初步取 D=120mm d=18mm。 (2) 工作圈数i可按下式求得： 4 3 8 Gd i cD 式(4-14) 式中 G弹簧材料的剪切弹性模量，取 4 8.3 10GMPa； c螺旋弹簧刚度。 对于螺旋弹簧的刚度可以由螺旋弹簧的静挠度反求出，因为 1 68.6 c fmm，根据 式 4-6 得出螺旋弹簧的偏频为1.9n ，根据式 4-4 式求出螺旋弹簧刚度为 94.86/cN mm。 代入式 4-14 求出工作圈数为： 444 33 8.3 1018 6.6 88 94.86 120 Gd i cD 所以取工作圈数为：7i 圈。 (3) 弹簧的刚度、动静挠度 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 由上面的分析，已知了弹簧的刚度为94.86/cN mm，弹簧的动、静挠度为： 11 68.6 dc ffmm。 3螺旋弹簧端部形状和材料的选择 首先，采用弹性特性为线性的等节距螺旋弹簧，由于钢丝直径d=18mm10mm， 所以在热处理工艺上需要成形后淬火并回火，即热成形弹簧。在端部形状的选择上采 取两端碾细的端部结构，这种结构节约材料，占用垂向空间小，特别是由于两端都平 整，安装时可以任意转动，因而设计时弹簧的圈数可以去任意值，不必限于整数。 螺旋弹簧材料的选择可参考下表 4-4: 表 4-4 部分弹簧钢种在汽车上的应用 弹簧钢种 应用 65、70 、85 汽车板簧、圆形螺旋弹簧、12mm 的小型弹 簧 55Si2Mn 55SiMnB 用作25mm 汽车板簧、螺旋弹簧、气缸阀簧 55SiMnVB 汽车板簧、螺旋弹簧、气缸阀簧 60SiMn 60SiMnA 汽车板簧、螺旋弹簧、气缸阀簧 55CrMnA 60CrMnA 50mm 的螺旋弹簧和钢板弹簧 50CrVA 60Si2CrVA 阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧 这里选用弹簧的材料为：60CrMnA。 4螺旋弹簧强度校核 螺旋弹簧的扭转应力可以表示为： 1 2 c c f Gd D i 式(4-15) 动载荷下的扭转应力表示为： 1 2 d d f Gd D i 式(4-15) 将已知数据代入上式，其中动、静挠度: 11 68.6 dc ffmm,剪切弹性模量： 4 8.3 10GMPa，螺旋弹簧中径：120Dmm，钢丝直径：18dmm，工作圈数为： 7i 圈。 所以， 4 2 68.6 8.3 1018 324 1207 cd MPa 。 选取弹簧许用扭转应力时，应根据悬架结构型式和工作特点来确定，一般推荐满 载需用扭转应力为500 700MPa，弹簧最大扭转应力在9801078MPa范围内。可见 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 这里计算所得的扭转应力324500 cd MPaMPa，故强度可靠。 4.3 独立悬架导向机构的设计 4.3.1 设计要求 独立悬架的导向机构承担着悬架中除垂向力之外的所有作用力和力矩， 并且决定 了悬架跳动时车轮的运动轨迹和车轮定位角的变化。因此，在设计独立悬架的导向机 构时，应使其满足以下要求： (1) 形成恰当的侧倾中