（光学工程专业论文）重型货车驾驶室半主动悬置模糊控制的仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文首先论述了悬置系统作为隔振系统是现代重型货车的重要组成部分，其 组成元件和工作原理并分别列举了主动半主动悬置的特点。通过对比常规控制 和模糊控制的特点，得出选用模糊控制作为半主动悬置的控制策略。然后根据 论述了不同隔振元件的特性并详细讲解了空气弹簧的特性，继而提出研究以空 气弹簧为悬置的重型货车驾驶室悬置模糊控制系统。 结合研究的需要，悬置运用多刚体动力学理论对车辆系统进行模型简化，并 结合振动理论和相关标准在a d a m s 中建立了相应的重型货车驾驶室悬置的评价 标准模型与之进行匹配。简单介绍了下不同的路面谱建立方法，然后使用最常 用和简单的白噪声法在m a t l a b s i m 止i n k 中按照中国国家标准g b t9 2 0 - 2 0 0 2 建立b 、c 级路面在6 0 k m h 和8 0 k m h 行驶车速下的路面谱，同时根据专家经验 的指导选择二输入单输出的模糊控制系统在m a t l a b s i m u li n k 工作环境下建立 了简单的基本模糊控制器，通过a d a m s c o n t r o l 模块的接口与a d a m s v i e w 进行 联合仿真。然后，通过m a t l a b 自带的底层语言s - f u n c t i o n 编译了一种带有自 增强机制的遗传算法( g a ) 优化机制来优化初始搭建的模糊控制器( f l c ) 的结 构。首先我们将使用g a 将模糊控制器规则集作为遗传染色体的整体个体对初始 模糊控制规则集进行优化获得更好，更能适应当前路况的控制规则集，在进行 了规制集结构优化后的基础上在将模糊控制器规则集中隶属度函数作为遗传染 色体个体在进行隶属度函数参数的优化，通过在m a t l a b s i m u l i n k 环境中结合 前面介绍的白噪声路面谱，实现不同路况下遗传算法优化的模糊控制器( g a f l c ) 的运行验证了优化后的模糊控制器相对与简单的基本模糊控制器和被动控 制的悬置系统，能依据重型货车驾驶室空气悬置系统提供优异的控制性能，使 货车行驶以不同的行驶速度在不同的路面上运行时能得到良好的路况适应性， 为空气悬置在衰减驾驶室响应程度上有良好的控制功效，有效提高驾驶室的隔 振能力进一步的优化了重型货车在行驶中的乘坐舒适性。 最后，对本文研究工作进行了总结，本文的研究不仅为设计人员进行模糊控 制器的研究与设计提供了参考和依据，并在模糊控制器的建模和设计优化等方 面提供了可行的具体路线，并对下一步的研究工作进行了展望。 关键字：模糊控制，半主动空气悬置，遗传算法，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e sm o u n t i n gs y s t e ma sav i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mo fm o d e m h e a v yg o o d sv e h i c l e si sa ni m p o r t a n tp a r to fi t sc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e s a n dc o m p o n e n t sw e r eg i v e nt h ei n i t i a t i v e s e m i - a c t i v es u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s b y c o m p a r i n gc o n v e n t i o n a lc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h a tc h o i c e o ff u z z yc o n t r o la sas e m i a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o ls t r a t e g y t h e no nt h e b a s i so ft h e d i f f e r e n tc o m p o n e n t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fi s o l a t i o na n de x p l a i n e di nd e t a i lt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa i rs p r i n g , a n dt h e np u to nt h ea i rt os p r i n gf o rt h eo v e r h a n go f h e a v y g o o d sv e h i c l e sc a bo v e r h a n gf u z z yc o n t r o ls y s t e m w i t ht h en e e dt os t u d y ，u s eo fm u l t i b o d yo v e r h a n go ft h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l s y s t e mt os i m p l i f ya n di n t e g r a t et h et h e o r yo fv i b r a t i o na n dr e l a t e ds t a n d a r d si n a d a m si nt h ec o r r e s p o n d i n gh e a v yg o o d sv e h i c l ed r i v e r sc a bo v e r h a n go ft h e e v a l u a t i o ns t a n d a r dm o d e lw i t ham a t c h ab r i e fi n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n tm e t h o d st o e s t a b l i s ht h er o a ds p e c t r u m ，t a k i n ga c c o u n to fn o n l i n e a rv a r i a t i o no fa i r - s p r i n g ，w e u s ec a bd i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o na st h ei n p u td a t at ob u i l dt h ef u z z yc o n t r o l l e r m o d e lb a s e do nm a t l _ a b s i m u l i n ka n db u i l df r e q u e n c ys p e c t r u mo fr o a dl e v e lb a n dc a c c o r d i n gt oc h i n as t a n d a r d ( g b t9 2 0 - 2 0 0 2 ) i ns i r n u l i n k c a r r yt h e u n i o ns i m u l a t i o nw i t ha d a m s t h e ng aw i t han e wl o c a li m p r o v e m e n tm e c h a n i s m i sa p p l i e df o rg e n e r a t i n gf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r s ( f l c ) w ei n s tu s eg at oo p t i m i z e f u z z yc o n t r o lr u l es e tt og e tf i n ec o n t r o lr u l e ，t h e nb u i l das e l f - a d a p t i v ef l c ，o p t i m i z e m e m b e r s h i pf u n c t i o no n l i n eb yg a t h r o u g ht h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t i nf r o n to ft h ew h i t en o i s eo nt h er o a ds p e c t r u m ，a n dd i f f e r e n tt e r r a i ng e n e t i c a l g o r i t h mo p t i m i z a t i o no ft h ef u z z yc o n t r o l l e r ( g a - f l c ) t oo p t i m i z et h eo p e r a t i o no f c e r t i f i c a t i o na f t e rt h ef u z z yc o n t r o l l e rr e l a t i v e l ys i m p l ea n db a s i cf u z z yc o n t r o l l e r a n dp a s s i v ec o n t r o lo ft h em o u n t i n gs y s t e m ，b a s e do nh e a v yg o o d sv e h i c l ed r i v e r s c a bt om o u n ta i rc o n t r o ls y s t e mt op r o v i d eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e ，s ot h a tg o o d s v e h i c l e st r a v e l i n gt od i f f e r e n ts p e e d si nd i f f e r e n tr o a dw h e nr u n n i n go nt h er o a dc a n b eag o o da d a p t a b i l i t yt oa i rh a n g i n ga t t e n u a t i o nc a bh o m ei nr e s p o n s et oag o o d 武汉理工大学硕士学位论文 d e g r e eo fc o n t r o le f f e c t i v e n e s s ，e f f e c t i v e l ye n h a n c et h ec a bo ft h ea b i l i t yt of u r t h e r o p t i m i z et h ei s o l a t i o no ft h eh e a v y g o o d sv e h i c l e st r a v e l i n gi nt h ec o m f o r t h n a l l y ，t h i sr e s e a r c hw o r ko nas u m m a r y ，t h i ss t u d yn o to n l yf o rt h ed e s i g ns t a f fo f t h er e s e a r c ha n d f u z z yc o n t r o l l e rd e s i g n e dt op r o v i d ear e f e r e n c ea n db a s i sa n df u z z y c o n t r o l l e ri nt h em o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g n ，s u c ha sp r o v i d i n gav i a b l e s p e c i f i cr o u t e sa n d t h en e x tp h a s eo fw o r ko i lt h ep r o s p e c t k e y w o r d s ： f u z z yc o n t r o l ，s e m i - a c t i v ea i rs u s p e n s i o nf o rc a b ， g e n e t i ca l g o r i t h m s ，o p t i m i z e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名：尘塑日期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对大中型货车等商用车辆的 平顺性有着越来越高的要求。在传统设计中，货车的驾驶室是直接安装在车架 上的，车辆行驶的振动直接传递到了驾驶室，这样就造成了驾驶室平顺性比较 差，为了提高商用车驾驶室平顺性，一些厂家开始使用悬置隔振的概念。悬置 系统是现代商务车的重要总成之一，它是车架( 或车身) 与驾驶室弹性地连接机 构的总称，其主要任务是传递作用在驾驶室和车身之间的一切力和力矩，缓和 路面传给驾驶室的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车驾 驶室的行驶平顺性。 悬置是由弹性元件、阻尼元件和导向装置等组成。而在空气悬置中的弹性 元件为空气弹簧，它是利用压缩空气为弹性介质，将压缩空气充入密闭橡胶气 囊中的一种非金属弹簧。它可以设计成理想的弹性特性，用于车辆悬置装置中 可以明显改善车辆驾驶室行驶平顺性，在重型载货汽车上得到广泛的应用。此 外，由于它与普通金属弹簧相比有许多优点，所以也应用于压力机、剪切机、 压缩机、离心机、振动输送机、振动筛、空气锤、铸造机械和纺织机械等方面 作为隔振元件；同时可用做电子显微镜、激光仪器、集成电路及其它物理化学 分析精密仪器等的支承元件，以隔离振动。空气悬置最显著的特征在于，压力 随着负荷而改变，弹簧刚度也相应改变，使得悬置的固有频率保持恒定t i l l 。 1 2 悬置的分类 悬置按弹性元件的不同，悬置可以分成螺旋弹簧悬置、空气弹簧悬置、橡 胶弹簧悬置等。其中常用的弹性元件是螺旋弹簧。从悬置参数的可控性方面讲， 汽车悬置有主动和被动之分。从悬置参数是否完全可控角度又可分为主动和半 主动悬置。 被动悬置就是由传统的弹簧和减振器等特性不随时间而变化的元件组成， 武汉理工大学硕士学位论文 在理论研究中被认为是悬置参数不变的线性系统。人们对被动悬置的设计已积 累了相当丰富的经验，因其设计简单、价格低廉，目前仍然是汽车中应用最广 泛的悬置形式。然而，由于被动悬置参数不能调节，它只能在一个循环周期内 储存能量( 比如用弹簧) 或消耗能量( 由减振器) ，没有直接对这种悬置提供任 何外部能量，因此对于行驶工况经常变化的汽车而言，往往不能满足性能要求。 传统的被动悬置设计无法很好地满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要 求，这一直是设计师无法解决的问题。 自调水平悬置是被动式悬置的改进，其主要举升元件( 通常是空气弹簧) 可以随负荷的变化进行调节。自调水平空气悬置多应用于重型货车中。高度控 制阀控制悬置的变形，在设定的时间间隔内( 通常在5 s 以上) ，当悬置的平均 位置偏离正常行驶高度时，通过调节弹簧中的气压，从而将悬置的变形控制在 需要的范围内。 主动悬置是用一个力发生器，即作动器，替代被动悬置系统中的弹簧阻尼 元件的新型悬置系统，其控制器可根据测量系统的状态变量计算出悬置应该产 生的力，作动器可以实时跟踪所需控制力的大小和相位，形成悬置控制力的闭 环系统。作动器多为电液伺服系统。主动悬置的一个重要特点就是它能产生任 何形式的控制力。因此可以使用各种控制方法对其进行控制，以使车辆达到最 佳的行驶性能。国内外学者在车辆主动悬置控制方面已作了大量的理论研究工 作，尤其是近十年来，随着主动悬置在高档乘用车和商用车上的实际应用，有 关其控制方法的研究更加引起学术界和工程界关注，应用的控制研究方法几乎 涉及到控制理论的所有的分支。随着控制理论和计算机技术以及传感器、执行 元件制造技术的不断提高，进一步提高了主动悬置的可靠性，降低了制造成本 和能耗，加速了主动悬置的应用。从而满足现代社会对车辆性能及行驶速度方 面的要求，因此对主动悬置控制策略的研究显得更为迫切。 半主动悬置包括弹簧和减振器元件而其特性可以通过外部控制改变，。通过 向这些系统提供信号或者外部能源，以改变它们的特性。半主动式悬置又细分 为几种类型： ( 1 ) 慢主动：悬置的阻尼或弹簧的刚度可以根据行驶工况的变化，在几个 不连续的等级上切换。通常采用制动压力、转向角或者悬置运动，触发控制以 向更高的阻尼或刚度切换。切换在几分之一秒的时间内进行，从而使得系统具 有在较差的路况或者操控条件下，控制悬置质量的俯仰、跳动和侧倾运动的能 2 武汉理工大学硕士学位论文 力。然而一定时间延长以后，切换回较低水平的设置。因而在车辆振动的各个 循环中，这种系统不能连续地进行调节。慢主动系统也可称为自适应悬置。 ( 2 ) 低频带：弹簧刚度或阻尼可以根据低频率的悬挂质量的运动( 1 3 h z ) 响应连续进行调整。 ( 3 ) 高频带：弹簧刚度或阻尼可以根据低频率的悬挂质量的运动( 1 3 h z ) 和高频率( 1 0 1 5 舷) 的非悬挂运动响应连续进行调整。 从结构上看，半主动悬置要比主动悬置简单，如可调阻尼的半主动悬置只 需用可调阻尼减振器替代普通减振器。而且可调阻尼减振器的制造成本也比主 动悬置中的作动器低得多。因此，价格低廉且性能优良的半主动悬置及其控制 受到国内外汽车界的重视，并将其应用在现代汽车上。 1 3 半主动悬置的控制策略 1 3 1 常用控制策略 在最近的二、三十年间，国内外学者在车辆主动半主动悬置系统控制方面 己经做了很多的研究工作，成果众多。从所发表的文献来看，在悬置上所采用 的控制方法几乎涉及了现代控制理论的所有分支，同时还包含了诸如p i d 等适 应能力较强的方法。现就一些相对常用并有实用价值的半主动悬置控制策略作 如下概括性介绍： ( 1 ) p i d 控制方法 p i d 控制方法原理简单，它通过对误差输入信号的比例、积分、微分三者分 别施与一定的权重，并将其作为控制器的输出。对于被控对象模型难以建立或 模型过于复杂的情形，p i d 控制方法表现出了它良好的适应能力。p i d 控制技术 不仅适用于近似线性的模型，同时也能对非线性模型提供令人满意的控制效果， p i d 是应用最为广泛的控制方法，据调查统计估计有到9 0 9 6 至9 5 的控制问题是 通过p i d 方法解决的。车辆半主动悬置系统是一个强非线性系统，对半主动元 件及悬置系统的建模都存在很大困难，因而在半主动悬置控制中使用p i d 方法 时，往往需要技术人员利用他的经验知识并在试验过程中经多次尝试，才能最 终确定出p i d 控制器各参数。 ( 2 ) 最优控制方法 3 武汉理工大学硕士学位论文 最优控制是一种在理论上比较成熟的控制方法，它利用极小值原理( 有些文 献，亦称极大值原理) 和动态规划法( 其核心是最优性原理) ，按照被控对象的动 态特性，选择一容许控n u q ) ，在一些初终端条件和约束条件下，使性能指标函 数，取值最小值。 最优控制在理论上是最优的，然而由于车辆驾驶室悬置系统的高度复杂性 以及最优控制方法对于大量状态信息获取的需求，使控制算法的计算量大大增 大，从而限制了最优控制在车辆驾驶室悬置控制中的实际应用。 ( 3 ) 智能控制方法 智能控制在控制系统设计中引入了人们的经验知识与直觉推理，在非线性、 时变系统控制中应用广泛。它主要有模糊控制以及与神经网络技术、自适应技 术、遗传算法技术等相结合的控制方法。模糊控制系统设计不需要精确的被控 对象模型，与传统控制相比，其系统鲁棒性好，尤其适用于非线性、时变和滞 后系统。近年来，模糊控制己成为车辆振动控制中的一种新型控制方法，其理 论和实际应用都表明它是一种有效的控制方法。 1 3 2 模糊控制简介 随着社会进步和科学技术的发展，人们逐渐发现，精确数学在解决某些实 际问题时往往非常困难或十分繁琐，有时甚至无法解决。模糊数学是模糊控制 的理论基础，它是以数学方法去解决各种具有模糊性的问题。它通过隶属度函 数来描述事物的模糊性，并且把具有模糊现象和模糊概念的事物处理成精确量， 可以解决控制模型的时变性和控制过程的非线性。作为智能控制中的一个重要 分支。蟆糊控制方法与通常分析系统所用的定量方法本质不同，它有三个主要 特点“1 ： ( 1 ) 用语言变量代替数学变量或二者结合使用。 ( 2 ) 用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系。 ( 3 ) 用模糊算子来进行推理。 模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖控制对象的模型，因此模糊 控制器实现了人的某些智能。模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊 逻辑推理为基础的一种计算机数学控制。计算机虽然具有极高的计算速度和极 大的存储能力，但却难以实现人具有的模糊决策和推理能力，模糊控制正是试 4 武汉理工大学硕士学位论文 图模仿人的这种功能。现代控制论在工业生产、军事、航天技术等方面虽取得 了相当成功的应用，但现代控制的一个重要特点，就是要建立被控对象的精确 数学模型，但现实中许多过程或对象的模型过于复杂，很难按普通方法对其进 行定量分析，也很难建立精确的数学模型。若用模糊数学作为工具，对这些系 统进行分析、控制，则有其优越性。它的这些优点使得它应用于在具有随机激 励和复杂数学模型的车辆悬架系统的应用中表现出了极强的优势。在过去的几 十年中，基于专家知识和经验的模糊控制逐步成为解决具有非线性、复杂和不 定因素系统的有效方法。 虽然模糊控制的研究已经取得了丰硕的成果，但模糊控制理论远非成熟， 尤其是在系统化地设计与分析方法、控制规则的自动获取、多变量模糊控制的 设计，以及模糊控制方法与其他智能控制方法的互补集成等多方面都值得进一 步研究。模糊控制规则来源于以下四个方面钉 ( 1 ) 专家经验和控制工程的知识。 ( 2 ) 对操作员控制动作的建模。 ( 3 ) 基于过程的模糊模型。 ( 4 ) 基于学习和自组织。 在模糊控制的应用中，第一种方法是最常用的。这大大限制了模糊控制器 的应用前景和性能的提高，因为对于复杂的多变量的控制对象，专家知识往往 不全面，而且难于总结。因此采用第四种方法，寻找一种高效率的、自动设计 模糊控制器规则和模糊集隶属函数的机器学习的方法，成为当前待解决的问题。 1 4 本文研究的目的和意义 随着商务车技术的不断升级，如何提高驾驶员的乘坐舒适性、减轻驾驶员 的疲劳强度、提高车辆的安全性已经成为设计者考虑的重要因素。驾驶室悬置 系统可以减轻驾驶疲劳，从而使驾驶员可以将注意力集中在路面上，这无论对 于随行人员、驾驶员、物流业主，还是路面行人，都有重要的安全意义；因此， 设计驾驶室悬置对于长途运输业很有必要。驾驶室悬置是用来联结驾驶室和车 架的，以保证汽车的正常行驶，其主要作用包括： ( 1 ) 悬挂驾驶室，承受驾驶室的质量，引导垂直运动。 ( 2 ) 确保驾驶员可以感受到路面情况。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 优化驾驶舒适性，隔离或减小振动，减小噪声。 ( 4 ) 提高安全性，承受最大冲击力，吸收碰撞能量。 为了更好的发挥空气悬置的特性，提高其性能，关键是拥有良好的控制策 略。本文使用汽车动力学的分析方法，建立了重型货车驾驶室悬置系统模型， 并建立了控制器模型与其进行联合仿真，了解模糊控制器参数对其控制性能的 影响，通过遗传算法调节控制器的参数，从而达到优化的目的。研究模糊控制 器的控制参数对空气悬置的影响，有助于指导控制器的设计，提高空气悬置的性 。能。并且对自主研制开发驾驶室半主动空气悬置有一定的帮助，对我国商务车 的发展也具有重要的意义。 1 5 本文研究的内容 本文研究的内容是来源与企业研发项目，其主要内容可以归纳如下： ( 1 ) 在阅读大量有关空气弹簧和空气悬架研究文献基础上，系统地分析 了国内外对空气悬架的研究历史与现状；在充分研究半主动悬架的发展历程与 各种控制策略的基础上，根据空气弹簧的非线性刚度特性，选择模糊控制策略 作为空气悬架的控制手段。 ( 2 ) 对半主动空气弹簧悬置系统而言，其核心技术是控制规则的优化， 由于空气弹簧具有很强非线性特性和较大的时间滞后，同时车辆数学模型中存 在某些参数不确定性，拟设计基于空气弹簧悬架1 2 车辆模型的模糊控制器。 ( 3 ) 拟利用s i m u l i n k ，在模拟路面输入下，针对基于驾驶室半主动空气 弹簧悬置1 2 车辆模型，分别采用模糊控制和基于遗传算法优化的模糊控制， 以悬置动行程为控制目标，对空气弹簧刚度进行控制仿真分析，通过分析仿真 结果，判断采用遗传算法优化的半主动模糊控制是否达到预期的控制效果。 6 武祝理1 人学硕学位论文 第2 章空气弹簧系统特性介绍 21 空气弹簧简介 空气弹簧弹性使用的介质是空气。利用密封在橡胶气囊内部的压缩空气的 反力作为弹性恢复力。由于气体的高可压缩性，仅需较少的质量，气体就可以 储蓄相同的能量，即单位质量蓄能量高。如在6o n r a m 2 工作压力下的氢气，其 单位质量的储能量可达33 x1 0 5 n m k g 而钢板弹簧储能量仅为7 6 1 1 5 n m h 、螺旋弹簧仅为1 7 8 2 8 0n m b 、扭杆弹簧仅为1 2 5 4 3 8 0 n m k g 。 目前，车辆对高性能悬置的需求，是空气弹簧普遍应用于商用车中。空气弹簧 的结构形式主要有两种即囊式和膜式，具体结构如图2 - 1 所示。 壅0 a 囊式空气弹簧b 膜式空气弹簧 图2 一l 空气弹簧示意图 ( 1 ) 囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气所组 成。气囊的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊一般做 成如图a 所示的多节，但也有单节的。节数越多，弹性越好。节与节之间围有 钢质的腰环，使中间部分不致有径向扩张，并防止两节之间相互摩擦。气囊的 上下盖板将气囊密闭。 ( 2 ) 膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成如图b 所示。 与囊式空气弹簧相比，其弹性特性曲线比较理想因其刚度较囊式小t 车身自 然振动频率较低，且尺q - 较, j 、，在车上便于布置故多用于轿车上：但制造较 困难，寿命也较短。 与传统钢制弹簧想比较，空气弹簧具有很多优势，是重要的一点就是弹簧 武汉理工大学硕士学位论文 的弹性系数也就是弹簧的软硬能根据需要自动调节。例如，高速行驶时悬置可 以变硬，以提高车辆驾驶室稳定性，长时间低速行驶时，控制单元会认为正在 经过颠簸路面，以悬置变软来提高减震舒适性。另外，车轮受到地面冲击产生 传递到车身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，外侧驾驶室的空气弹簧和减震器就会自动变硬，以减小驾驶室的侧倾，在 紧急制动时电子模块也会对驾驶室弹簧和减震器硬度进行加强以减小驾驶室的 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舒适度。 2 2 空气弹簧的特性 由于空气弹簧的气囊是由帘布和橡胶硫化而成的复杂结构体，并且底座形状 不同，因此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，使空气弹簧具有较强的非线性刚度特性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。如 车辆悬架装置中最理想的反“s 形 1 0 l ，即在曲线的中间段具有比较低的 刚度，而在较大的伸长和压缩行程时 其刚度逐渐增加这样，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。而普通金属弹簧，其 刚度特性曲线是线性的，刚度固定不 量力 i 空气- 膏l 1 ，j ， 7 7 “制 冁，少 压 |，r| 图2 2 金属弹簧和空气弹簧的动 特性比较曲线 变。要使金属弹簧悬架具有上述非线性特性，势必使结构复杂化。从图中可以 看出当空气弹簧变形量较大时，其刚度明显增加。同时在图中还可以发现，在 正常行车范围内空气弹簧刚度的非线性特性是不很明显的。 理论计算时，空气弹簧刚度可以直接由载荷f 对位移s 求导得到， k = , w a s ，考虑到f = p 4 ，所以有： k ：尸丝州堡 ( 2 1 ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 式中，之为空气弹簧内部气体有效压力：4 为空气弹簧的有效承载面积。 考虑到空气弹簧变形时其内部气体变化满足气体变化方程：p v 4 c o n m ， 将其两边对位移s 求导，得到 。 坚。堡。一鲨坐：一一n p a e ( 2 2 ) 一= 一j 一= 一一 ，一，j 嬲d svd s v 其中负号表示压力的变化趋势与容积的变化趋势相反，即容积减小时压力 增加，在计算刚度时取其绝对值。注意到其中4 一a v d s 。将式( 2 - 2 ) 代入( 2 1 ) k = 尸丝+ 以p a 2( 2 3 ) d sv 这是计算空气弹簧刚度的一般表达式。式中，必豳表示有效面积4 变 化率对空气弹簧刚度的贡献。不是固定不变的。但不同结构形式的空气弹簧， 有效面积的变化是不同的，图2 3 分别表示了囊式、膜式空气弹簧的有效面积 的变化曲线 f ， j f 一 、， a 囊式空气弹簧 b 膜式空气弹簧 图2 - 3 空气弹簧有效面积变化示意图 对于n 得取值要根据空气弹簧的刚度类型来选择。空气弹簧进行低频振动 ( 厂 0 2 ) 时的刚度称为动刚度， 由于空气弹簧振动比较快，假定空气弹簧内部气体和外界没有热交换，其内部 气体的热力学变化过程为绝热过程，取以= 1 4 1 0 i 。 在实际工程中是用实验的方法来测定空气弹簧刚度，通过测定在不同压力 9 武汉理工大学硕士学位论文 下空气弹簧载荷，和位移s 的关系，得出一组空气弹簧刚度特性曲线，该曲线 纵坐标为载荷，横坐标为空气弹簧高度( 位移) ，曲线的斜率就是空气弹簧刚度 传统的金属弹簧悬架的弹簧刚度一般都是固定的，当悬架簧载质量发生变化时， 根据公式 厂一去悟尝挎 沿4 ， 则悬架的固有频率也发生变化，随着簧载质量1 1 1 增加，悬架系统的固有频 率，下降，反之，上升，如果汽车的簧载质量变化较大的话，这种影响就更加 突出。固有频率的剧烈变化会恶化汽车的舒适性，汽车设计时一般希望保持固 有频率不变，因此要求：k fm lc o n s t 。 对于膜式空气弹簧，采用圆柱形活塞座，就可以利用前面简化的空气弹簧 刚度计算公式：k 一摆蹦v 代入计算。所以有 生。土。坐! 兰! 垒尘。f 1 + 墨1 兰 ( 2 5 ) 一_ 一i 一一l il + 一i 一厶一；， f 足4 y ij h 式中：h 一叫4 ，表示空气弹簧的有效高度，对于空气悬架可以通过控制系统 使其保持不变，它决定了汽车的悬架高度。 这样就可以推导出固有频率计算公式 厂一c 1 + ( 2 6 ) 式中：c 。】h 馏肛为常数。说明了空气弹簧内的压力和固有频率的关 联关系。可以代入数值试算，空气悬架的固有频率不是不变的，而是随着空气 弹簧内部气体有效压力的变化而变化，但变化幅度很小。图2 - 4 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特性比较曲线。由图2 4 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，从图2 4 b 也可以看出当载荷变化 时金属弹簧悬架的自振频率变化比空气弹簧悬架大。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 牲 搭 柱 镉 位移频率 a 载荷一绕度特性 b 载荷一频率特性 图2 4 金属弹簧和空气弹簧的静特性比较 此外，空气弹簧具有变刚度特性，其刚度可以依靠改变内压加以变化，从 而适应车高、路况等的变化，提高汽车的平顺性和操纵稳定性。同时，对于同 一空气弹簧，当充气压力改变时，可以得到不同的承载能力。因而一种空气弹 簧可以适应多种载荷的要求，具有较好的通用性和经济性；空气弹簧的空气介 质内摩擦极小，工作时几乎没有噪声，对于高频振动的吸收和隔音性能极好； 使用空气弹簧作为汽车悬架的弹性元件可节省大量的弹簧钢；空气弹簧具有较 高的疲劳寿命，决定空气弹簧寿命的主要元件是橡胶气囊。当然空气弹簧也有 制造工艺复杂，成本较高，密封要求严格等缺点。 2 3 本章小结 空气弹簧悬架具有自振频率低、固有频率基本保持不变、弹簧刚度可调、 振动及噪声小、使用寿命长等优点。通过理论分析可知，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。而且，空气弹簧刚度特性具有一定 的非线性，其产生原因有：橡胶材料非线性、帘布一橡胶复合材料非线性、几 何非线性和接触非线性。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章重型货车半主动空气悬置系统模型 3 1 路面激励模型 汽车以高速行驶，所以承受宽带频谱的振动。这一振动通过触觉、视觉和 听觉途径传至乘客。“舒适性 ( 行驶平顺性) 这个术语通常用于涉及触觉或 视觉的振动，而听觉则归类为“噪声”。振动频谱按频率可分类为乘适性( o - 2 5 h z ) 及噪声( 2 5 - 2 0 0 0 0 h z ) 阳1 。2 5 h z 这个分界点大约为听觉的低频界限，也是所有 机动车辆常见基本振动的频率上限。由于不同类型的振动通常相互密切关联， 故难以分开单独考虑；即，当承受较低频率振动激励时通常同时存在噪声。 振动环境是人们判断车辆涉及和制造“品质 较重要的标准之一。对振动 环境的判断主要根据人的主观感觉，由此出现为了把乘适性作为汽车的一个性 能指标而要发展客观工程方法的巨大困难。 通常对所有橡胶轮胎机动车辆，较低频率的乘适性振动是其振动特性的表 现。因此，这些问题的研究成为车辆动力学的一个重要领域。将整个动态系统 按图3 1 来表示，有助于建立乘适性的系统框图。车辆是一个动态系统，只对 激增的输入产生振动响应。这些响应特性确定加在驾驶室振动的大小和方向， 且最终决定乘员对车辆的感受。 图3 - 1 乘适性动态系统 根据上图所示，振动来源事实上大体上分为两个部分，一个来自与路面， 个是车体本身。在这小节主要讨论的是路面激振。 路面不平度包括从局部路面损坏产生的凹坑到反映路面建设精确度界限的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 随机的路面高度的变化。不平度可以沿车辆经过轮辙的轮廓高度来描述。通常 把路面相对基准平面的高度记为q ，沿道路走向长度i 的变化口( j r ) ，称为路面 不平度函数如图3 2 所示。 在测量不平度时，可以用水准仪或专 门的路面计来得到路面轮廓的不平度值，由 于路面轮廓符合“宽带随机信号 的通常范 畴，故可以用轮廓本身或其统计特性来描 述。最有用的表达方式之一是功率谱密度 ( p s d ) 函数一般记为g 。仍) 。 根据国家标准局发布的车辆振动输入 一路面平度表示方法( g b 7 0 3 1 - - 8 6 ) 建议 路面功率谱密度e 仍) 用下式作为拟合表 达式 咖叫玎 图3 2 路面不平度曲线 ( 3 - - 1 ) q ( 1 ) 式中，n 为空间频率，是波长a 的倒数，单位为m ，表示每米长度中包括 几个波长；n o 为参考空间频率，n o 一0 1 m 一；g 口( n 。) 为参考空间频率以。下的功率 谱密度值，称为路面不平度系数，单位为胁3 ；w 为频率指数，它决定路面功率 谱密度的频率结构。 设车速为y ，则空间与时间频谱之间的转换关系为： q ( ，) 一q ( 甩) v ( 3 2 ) 式中，厂为时间频率( h z ) ；v 为车辆行驶速度( m s ) 空间频率一和，时 间频率之间的关系为： 厂一v n ( 3 - - 3 ) 则可推导出 q ( ，) 一q ( n o ) ( f n o v ) “】矿 当形一2 时，上式可表示为： g q o ( 、f 、) in ；g q ( n f 1 ( 3 - - 4 ) ( 3 - - 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 根据g b 7 0 3 1 - - 8 6 按照路面功率谱密度值把路面的不平度分成了8 个等级表 3 1 规定了路面不平度系数值范围及其几何平均值 表3 1 各等级路面不平度系数 路面不平度系数 路面等级g d 0 。) 1 0 4 聊2 m 一万。= o 1 m d 下限几何平均 上限 a 81 6 3 2 b 3 26 4 1 2 8 c1 2 8 2 5 6 5 1 2 d5 1 21 0 2 42 0 4 8 e2 0 4 84 0 9 68 1 9 2 f8 1 9 21 6 3 8 43 2 7 6 8 g3 2 7 6 86 5 5 3 61 3 1 0 7 2 h 1 3 1 0 7 22 6 2 1 4 45 2 4 2 8 8 常规的路面谱模型的建立方法主要有以下几种： ( 1 ) 基于快速傅里叶变换的a r - 自回归模型法和a r m # , 自回归滑动混合模型 法 ( 2 ) 谐波叠加算法，也称为蒙特卡洛法( 三角级数合成法) ( 3 ) 积分单位白噪声法、滤波器整形白噪声法 ( 4 ) 逆空间变换法 在这里采用最常见和使用的白噪声法来进行路面不平度的模拟。在白噪声 激励中将路面轮廓的随机波动看作为满足一定条件的白噪声，然后经过假定系 统进行适当变换而拟合出路面随机不平度的时域模型。 按照前面所述，路面不平度是指当车辆沿道路行驶时经历的高度变化，也 就是把不平度作为对车轮输入的垂直位移，激励乘适性的振动，还可以采用不 平度函数q ( ，) 对纵向长度，的一阶导数，即速度功率谱密度q o ) 和二阶导数， 即加速度功率谱密度e 仍) 来描述统计特征。 g o ) ( 朋) 和g 仍) ( 脚1 ) 与q o ) 的关系如下 g ( ，1 ) t ( 2 石n ) 2 g ：( ，1 ) ( 3 一一6 ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 g 弘) = ( 幼万) 4 q ( ，1 ) 当频率指数2 时，可得 g ：d ) 一( 幼力。) 2 q ( ，l 。) 目 。 ( 3 - - 7 ) ( 3 - - 8 ) 可以看到，此时路面速度功率谱密度幅值在整个频率范围为一常数，即为 一“白噪声 ，幅值大小只与不平度系数q ( ，l 。) 有关。 车轮所受到的路面随机激励时域数学模型可用下式描述 q ( t ) + a v q ( t ) = 心) e 3 一一9 ) 式中，鼋( f ) 为车轮所受到的路面随机激励：w o ) 为一白噪声；a 为常数，是 所选路面的空间频率；y 是车速。 当车速为定值时，路面速度功率谱密度为常数 g ；( ，1 ) 2 ( 幼，) 2 g q ( f ) _ 锄2 q 仇) 疗 ( 3 1 0 ) 将方程在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建出，如下图3 - 3 所示： 图3 - 3 积分白噪声法路面谱建模 1 5 武t 太学硕士学位论文 图3 - 4b 、c 级路面不平度( 单位：m ) 图3 4 是在6 0 k m h 的速度下的b 、c 级路面不平度。 图35b 、c 级路面不平度( 单位：州) 图3 - 5 是在8 0 胁h 的速度下的8 、c 级路面不平度。 3 2 悬置系统动力学模型 321a d a m s 仿真软件介绍 d 删s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 即为机械 系统动力学分析软件，美国b i d i 公司产品，现已被m s c 公司收购。a d a m s 软件是 世界上占有率最高的机械系统仿真m s s ( m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 软件。 a d a m s 软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释其子系统或整个系 统即产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能、预测精确的载荷变 化过程计算其运动路径，以及速度和加速度分布图。 【川帅川州叫1_ 一i川叩1 i 卜w j 一“忡一 一蝴* 一i“删 j 一叭骱洲mi 扩 一=；萋一 t叫巾捌川4 武汉理工大学硕士学位论文 a d a m s 将强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，使该软件使用 起来即直观又方便，还可以用户专门化。 a d a m s 软件的特点如下： ( 1 ) 利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化 模型。 ( 2 ) 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性 动力学分析，包含刚体和柔性体分析。 ( 3 ) 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 ( 4 ) 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变 化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。 ( 5 ) 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 ( 6 ) 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 ( 7 )自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和 曲线图形。 ( 8 ) 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算