（电机与电器专业论文）基于车高调节的空气悬架电子控制单元的设计与实现.pdf

江苏大学硕士学住论文 a b s t r a c t s u s p e n s i o ni sc l o s e l yr e l a t e dt ov e h i c l e sd r i v i n gs m o o t h n e s sa n dh a n d i n gs t a b i l i t y p a s s i v e s u s p e n s i o nc a nn o tc h a n g ei t sp a r a m e t e r sw i t hl o a d ，s p e e d o rr o a dc o n d i t i o n sa n do t h e r u n p r e d i c t a b l ef a c t o r s ，m a k e si td i f f i c u l tt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fd r i v i n gs m o o t h n e s sa n d h a n d i n gs t a b i l i t y e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e ds e m i a c t i v es u s p e n s i o nw a sc o m p o s e db yt h ee l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ，a d j u s t a b l eh e i g h ta i rs p r i n ga n dt h ea o j u s t a b l ed a m p i n ga b s o r b e r e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i tc a l c u l a t e dt h er e g u l a t i n ga m o u n tr a p i d l yw i t ht h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a n dt h e nf i l l e da n d d e f l a t e dt h ea i rs p r i n gt or e a l i z et h ea d j u s t m e n to fb o d yh e i g h ta n dt h ea b s o r b e rd a m p i n g ，s ot h a t t h ep a r a m e t e r so fs u s p e n s i o ns y s t e mw i t ht h ee x t e m a le n v i r o n m e n tc a nc h a n g ea u t o m a t i c a l l y r e g u l a t i o n ，a n dt h u sm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es t a b i l i t ya n ds m o o t h n e s s e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e da i rs u s p e n s i o nw i l lb e c o m ea r li n e v i t a b l et r e n di nv e h i c l es u s p e n s i o nt e c h n o l o g yi n c h i n aa n dh a v eab r o a dp r o s p e c t s a tp r e s e n t ，e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e da i rs u s p e n s i o nf o rt h es t u d yi sm a i n l yb a s e do nt h e s t i f f n e s so ft h ea i rs p r i n g ，b u tb e c a u s eo ft h es t i f f n e s sc o n t r o ls t r u c t u r ei sm o r ec o m p l e xa n dm o r e e n e r g yc o n s u m p t i o n ，s ot h e r ei sn o ty e tam a t u r ep r o d u c tu s e di nt h em a r k e t i nt h i sp a p e r , b yt h e f i l l e da n dd e f l a t e dt h ea i rs p r i n g st e s t ，i d e n t i f i e dt h er e l a t i o n s h i po ft h es t i f f n e s s - t h et i m e t h e h e i g h t ，a n db a s e do nt h et e s td a t ap r o c e s s e ds i m u l a t i o n ，c o m p a r ea n da n a l y s i sb e t w e e ns t i f f n e s s a d j u s t m e n ta n dh e i g h ta d j u s t m e n tt h e s et w oa i rs p r i n g s ，d r e wt h a tt h el a t t e ri sb e t t e r , a n dt h e r ea r e e a s yt oa c h i e v e ，e n e r g y s a v i n g ，s i m p l es t r u c t u r et h e s ea d v a n t a g e s t h i sa r t i c l ed e s i g na n dd e v e l o p t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tb a s e do nt h eh e i g h ta d j u s t m e n ta i rs u s p e n s i o n t h ec o r ec o n t e n to ft h e f u l lt e x t 。t h ec o n t r o lu n i tc h o o s e st h em c 9 s 0 8 g b 6 0m c u b yf r e e s c a l ec o m p a n ya st h ec o r e ，t h e p e r i p h e r a lc i r c u i t s ，i n c l u d e dh e i g h ts i g n a ld e t e c tc i r c u i t ，s p e e ds i g n a ld e t e c tc i r c u i t ，o u t p u td r i v e c i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i te t c i nt h ee x t e r n a lc i r c u i td e s i g nt h ee x p a n d a b i l i t y a n dg e n e r a l i t yo ft h ec o n t r o l l e rh a v eb e e nc o n s i d e r e d ，s ot h a ti tc a nb es u i t a b l ef o rm a n yo t h e r a p p l i c a t i o n s i nt h ec o u r s eo fd e v e l o p i n gt h es o f t w a r es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f r e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y , c o n f i g u r a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o dw e r ea d o p t e d ，t a k e s i n t oa c c o u n tt h ec o n t r o l l e rw i l lb eu s e df o rm o r es e r i o u sc o n d i t i o n s ，i ti st h es y s t e ms o f t w a r ea n d h a r d w a r et oc a r r yo u tt h ea n t i - j a m m i n gd e s i g n i nt h eu p s h o t ，b yd e t e c t i n gt h ee l e c t r o n i cc i r c u i tb o a r da n ds t u d yt h er e s u l t so ft h ev e h i c l e r o a dt e s ta n d c o m p a r e de l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e da i r s u s p e n s i o nw i t hp a s s i v es u s p e n s i o n ， e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tc a ne f f e c t i v e l ya n dt i m e l yc h a n g et h eh e i g h ta n d a b s o r b e rd a m p i n ga c c o r d i n gt od e t e c t i n gs i g n a l s ，i m p r o v e dt h ed r i v i n gs m o o t h n e s sa n dh a n d i n g s t a b i l i t y , s ot h er e s u l to f t e s ti si d e a l k e yw o r d s ：s e m i a c t i v ea i rs u s p e n s i o n ，a i rs p i n g , h e i g h tc o n t r o l ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s u p p o r t e db ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f f i c eo fz h e j i a n gp r o v i n c e l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口， 在年解密后适用木授权书。 不保密。 嘞。乃扩 签字日期：叼7 年莎月7 日 导师签名： 签字f 1 期：舯7 年f 月歹同 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、鸯孑， 日期： 妒年月了e l 江苏大学硕士学位论文 1 1 汽车悬架系统概述 第一章绪论 悬架是汽车的重要总成之一，汽车悬架是车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间 的弹性联结装置的统称，主要由弹性元件( 如钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧) 、 阻尼元件( 减振器等) 和导向机构组成。汽车悬架的主要作用是把路面作用于车轮 上的垂直反力( 支承力) 、纵向反力( 牵引力和制动力和侧向反力) 以及这些反力所 造成的力矩传递到车架或承载式车身上，缓和路面传给车身的冲击载倚，衰减由 此引起的承载系统的振动；同时要导向车身与车轮的运动，决定车轮定位：在汽 车侧倾或俯仰时，悬架要能及时控制车身姿态，以保证汽车的正常行驶。因此， 汽车悬架系统的设计必须满足行驶平顺性和操纵稳定性的要求。 汽车悬架按照工作原理的不同可以分为被动悬架、半主动：悬架及主动悬架三 种列。 1 被动悬架 被动悬架由弹性元件和不可变参数的减振器组成，是传统的弹簧阻尼系统， 在理论研究中被认为悬架参数不变的线性系统。其优点是结构简单、无需控制输 入能量、价格低廉、可靠性高。有的被动悬架还装有补偿悬架静载变化的水平调 节机构。由于被动悬架的这些优点以及人们对被动悬架的设计积累的丰富经验， 目前仍然是汽车中应用最广泛的悬架形式。然而，由于被动悬架的弹簧刚度和减 振器阻尼系数不可调，一般是预先按照经验提前固定选取的，造成了其只能在特 定工况下达到最优，而一旦载倚、车速和不可预测路况等因素发生变化，其不能 随之而自动调节，这种较低的适应性极大地限制了被动悬架统的性能，使得传统 的被动悬架没计无法很好地满足人们对汽行驶平顺性和操纵稳定性的要求。 被动悬架较低的适应性这一缺点曾长期闲扰着悬架设计师们，直到近十年来 可控悬架系统( 半主动、主动悬架系统) 在高档轿车上使用才使得悬架系统的适 应能力大大增强，可控悬架系统的参数能够随着外部环境的变化而变化，更好的 满足了汽车行驶平顺性和操作稳定性的要求。 2 主动悬架 主动悬架是用一个力发生器( 即作动器) 代替被动悬架系统中的弹簧阻尼元 江苏大学硕士学位论文 件的新型悬架动力驱动系统，包括测量系统、控制器、能量源和执行机构四个部 分。原理是控制器可根据测鼍系统的状态变量计算出悬架应该产生的力，并发出 指令给能量源使其产生控制力，执行机构实时跟踪控制力的大小和相位，形成悬 架控制力的闭环系统。主动悬架的一个重要优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。 然而由于主动悬架系统结构复杂，成本高，需要很大的能量消耗，它的发展受到 了一定的制约，目前仅仅只在少数高档轿车和f 1 方程式赛车中有所应用。 3 半主动悬架 半主动悬架与主动悬架结构相似，用可调刚度的弹性元件和可调阻尼的减振 器代替主动悬架的力发生器，其性能接近主动悬架。半主动悬架控制器从传感器 接收速度、位移和高度或加速度等信号，按事先存储的各种行驶条件下最佳弹簧 刚度或减振器参数指令来计算出相心的值，给出控制信号到电磁阀驱动器或阻尼 系统，经电磁阀驱动器调节阀门，使空气弹簧刚度或减震器阻尼系数随着路况、 载倚、速度等因素的变化而变化。半主动悬架兼顾了被动悬架与主动悬架的特点， 且其系统结构比主动悬架简单、安装容易、反应迅速、所需能耗较小、价格低廉， 性能远远优于被动悬架接近主动悬架，因此半主动可控悬架系统已经成为汽车电 子领域研究的一个热门问题，有着广泛的发展前景。本文所设计开发的悬架系统 就属于电子控制半主动悬架系统。 1 2 国内外空气悬架的发展与市场前景 1 2 1 国内外空气悬架发展的历史与现状 空气悬架的核心部件是空气弹簧，其原理是利用气体的可压缩性实现弹性作 用，通过改变空气压力可以实现悬架刚度的调节，从而提高汽车的乘坐舒适性。 空气弹簧诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备的隔振。1 9 0 1 年在美利坚出 现了空气弹簧最早应用于有轨电车悬架的专利，7 年后，g e o r g eb a n c r o f t 申报了 第一个汽车悬架空气弹簧专利，且与l9 10 年获得授权。 然而由于生产空气弹簧的橡胶材料质量问题等原因，早期的空气弹簧专利没 有得到商业应用，直到2 0 世纪3 0 年代纤维帘线叠层橡胶制作技术的出现，空气 弹簧j 走上快速发展的轨道。1 9 4 4 年，通用汽车公司与凡世通公司合作，第一 次将空气弹簧悬架安装在客车上进行试验，试验结果显示了空气弹簧悬架系统的 2 江苏大学硕士学位论文 优越性。此后，通用汽车公司便经过大量的产品研制开发t 作，于1 9 5 3 年丌始 生产装有空气弹簧悬架的客车，这就是商用汽车采用空气悬架的丌端，通用汽车 无疑是这一开端的鼻祖。 在随后的几十年里，由于空气悬架的优越性，空气弹簧的理论和试验研究得 到广泛的重视，并取得了很大的进展，国际上掀起了空气弹簧及其相关心用研究 的热。对空气弹簧研究越深，采用空气悬架的汽车发展越迅速。1 9 9 2 年欧洲重 型载重车只有3 2 采用空气悬架，到1 9 9 8 年这一比例己经达到6 5 ，采用空气 悬架的拖挂车则从1 9 9 2 年的6 5 发展到1 9 9 8 年的8 2 。国外8 5 的重型货车 采用了空气悬架，如美国的f o r d ，德困的b e n z 、m a n 、n e o p l a n ，瑞典的v o l v o ， 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b e n z 3 0 0 s e 和b e n z 6 0 0 等。目前在 同本1 0 0 的载客列车及5 0 以上的客车使用空气悬架，欧洲客车和载客列车几 乎全部采用空气悬架。特别是在一些特种车辆( 如对防震性要求高的仪表车、救 护车及要求；特高度调节的集装箱运输车) 上，空气悬架是唯一的选择。目前汽车 工业发达国家已形成几大空气悬架和空气弹簧生产厂家，如美国的n e w a y 、 r i d e w e l l 、f i r e s t o n e 、g o o dy e a r 和德图的s a f 、b p w 等。 2 0 世纪8 0 年代，为了使汽车的悬架特性与行驶道路状况相适应，保证车辆 的行驶平顺性和操纵稳定性，欧美等发达国家出现了在传统的被动空气悬架系统 的基础上加上电子控制单元( e c u ) ，构成的电子控制空气悬架系统 ( e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o ra l rs u s p e n s i o n ，简称e c a s ) 。 e c a s 能对空气悬架参数进行实时控制，能自动控制车辆悬架的刚度、阻尼系数 及车身高度等；汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制， 并增加了许多辅助功能( 如故障诊断功能等) ；可最大限度地提高汽车的行驶平 顺性和操纵稳定性，适应了现代汽车对乘座舒适性、行驶安全性的更高要求【3 圳。 而空气悬架在我国的应用要落后国外数十年。尽管我国在2 0 世纪5 0 年代就 对空气弹簧进行了研究，当时是长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作制 造出了我国第一辆装有空气弹簧的载重汽车。不少高校的相关专家及研究机构多 年来也做了大量卓有成效的工作，并取得了许多重要研究成果。但是由于种种原 因，这些研究成果的产业转化率非常低，导致许多有价值的研究没能继续坚持和 深入下去，以至于我国汽车悬架技术的研究和应用明显落后于欧美等发达国家。 江苏大学硕士学位论文 直到近几年，随着高档客车制造技术的引进以及人们对舒适性要求的提高， 加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架才开始逐步应用起来。目前空气 悬架主要集中应用在高等级客车上，但是受多方面因素的制约，空气悬架的配置 率仍然很低，基本上还属于“导入”阶段。据不完全统计，国内部分数量相对较大 的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、扬州亚星、一汽客底、东风 杭汽等规模较大的主要客车及底盘厂家。此外，国内其它一些客车厂家也都是以 选装国外空气悬架产品为主1 5 1 。 在空气悬架的自主研发方面，由于国内已经能够生产优质的宅气悬架部件， 以此为支撑，部分汽车主机厂已经开始自己设计符合中国道路状况和车辆实际条 件的空气悬架弹簧产品，并选装国内优秀的部件以降低成本。目的国内拥有空气 悬架项目的公司为数众多，但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造的寥寥无几， 规模也十分有限。目前国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多，主要以 代理美国j 德国、韩国、r 本产品为主，公司规模一般不大，产品有限。由于代 理公司主要是以追求经营利润为导向，对设计匹配等技术环节往往存在先天不 足，导致主机厂出现问题时无法及时解决等问题，影响被代理产品的声誉及市场， 因此国外的制造公司也纷纷以不同的方式直接介入中国市场4 卅。 一言以概之：国外汽车空气悬架的发展经历了“钢板弹簧气囊复合式悬架_ 被动全空气悬架一主动全空气悬架( 即e c a s 电子控制空气悬架系统) ”的四个 阶段。 1 2 2 电控空气悬架系统在我国的市场前景 如今，国内高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客车的需求， 都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，空气悬架客车将逐 渐得到广泛的应用，客车市场的快速发展将大大拉动空气悬架产品的需求增长。 2 0 0 2 年7 月，交通部颁布实施营运客车类型划分及等级评定( j t t 3 2 5 2 0 0 2 ) 行业标准，新颁布实施的标准里面对大中型客车配置悬架类型作了规定，其中高 级大中型客车必须采用空气悬架，这为窄气悬架产品的推广使用创造了一个良好 的外部环境。 此外，随着对重型载货汽车对路面破坏机理的研究和认识进一步加深，政府 对高速公路养护的重视，限制超载逐步在圉内各地受到重视，使空气悬架在重型 4 江苏大学硕士学位论文 车市场的应用也将进一步扩大，为适应高速公路运输的需要，大型载货车都必须 使用空气悬架。同时，汽车控制系统的智能化程度越来越高，电子控制空气弹簧 悬架将成为未来发展的必然趋势，在我国有着广泛的发展前景。 1 3 本文的主要内容 电子控制空气悬架取代中国传统的钢板弹簧悬架和被动悬架既是必然趋势 也是现实的客观要求。对于我国汽车业界而言，空气悬架项目是一个难得的商机。 掌握了先进的汽车空气悬架的开发技术，领先开发出了配置高级电子控制空气悬 架系统的成熟车型，就掌握了今后若干年内商用车市场的先机。更重要的意义在 于电子控制空气悬架的广泛应用，可以较快提升我国商用车的档次、提高整车技 术含量，特别是大大缩小了我国在高档客车和重型货车与国外的技术、等级、制 造方面的差距，巩固和扩大国产车的市场份额。 论文的研究内容是基于浙江省科技厅重大科技专项重点项目“电子控制空气 悬架系统的开发应用”( 项目编号：2 0 0 6 c 1 1 0 8 9 ) 的核心部分。论文首先分析了 电子控制空气悬架系统的原理和功能需求，然后按照功能要求提出了一种新的合 适的控制方案，接着对系统核心部分的实现，即电子控制单元e c u ( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ) 的软硬件设计与丌发进行了详细描述，最后通过汽车整车试验验证 了本文设计的电子控制单元的性能。其主要内容可以归纳如下： 第一章：在阅读大量有关空气弹簧和空气悬架研究文献及通过对国内相关企 业广泛调研的基础上，系统地分析了国内外对空气悬架的研究历史与现状及电子 空气悬架系统在我国的应用前景和意义。 第二章：介绍电子控制空气悬架的理论基础，为系统的设计提供依据。并探 讨了电子控制空气悬架的几种不同的控制方法，基于牛顿力学运动规律，建立2 自由度的1 4 车辆半主动悬架的动力学方程，建立了相应的数学模型；主要考虑 积分白躁声路面谱的情况，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立相应的模型仿真，最 后通过仿真研究提出了一种基于车高调节与可调减震器变阻尼结合的控制方案， 这种控制方法简单易实现且效果好。 第三章：以第二章的内容为理论指导，构建电子控制译元( e c u ) 硬件系 统。建立以m c 9 s 0 8 g b 6 0 作为核心的电子控制器，外围电路包括高度检测电路、 速度检测电路、输出控制电路、电源电路、通信电路等。在外围电路设计时考虑 江苏大学硕士学位论文 系统的可扩展性和通用性，使本硬件系统能适用于多种场合。 第四章：详细描述了系统应用软件的开发。程序平台为c o d e w a r r i o r ，控制程 序采用c 和汇编混合编程，控制系统的软件是根据系统的功能而设计的，在可 靠与实用的设计要求下，它需要实现的功能主要有：启动程序、信号检测程序( 包 括高度信号榆测、速度信号检测等) 、输出控制程序、通信协议等。 第血章：对所开发的空气悬架电子控制单元进行了整车试验，根据空气弹簧 电子控制单元的工作状况以及试验结果的分析，对空气悬架的电子控制单元的整 体性能做出了评价。 第六章：总结论文所做的工作及取得的研究成果，并且对进一步需要研究的 工作进行了展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章电子控制空气悬架设计的理论研究 2 1 电子控制空气悬架( e c a s ) 的原理 2 1 1e c a s 的工作原理 e c a s 的英文含义是e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e da i rs u s p e n s i o n ( 电子控制空气 悬架) 。它是由电子控制单元( e c u ) ，高度传感器、电磁阀、空气弹簧、速度传 感器、减震器，车高升降控制键盘等组成。其最大的特点是在四个轮子处用充有 压缩空气的空气弹簧代替了传统的螺旋弹簧，并配备了电子控制装置。电子摔制 单元能够根据车辆的行驶状态，自动调节车身高度、刚度或阻尼等参数。其结构 如图2 1 l 。 图2 1 电控空气悬架示意图 1 控制器( e c u ) 2 电磁阀3 车身高度传感器4 空气弹簧5 控制终端 6 可调阻尼减振器7 空气压缩机8 速度传感器9 后轴1 0 前轴 7 江苏大学硕士学位论文 e c a s 的基本工作原理是高度、加速度等信号传感器负责检测车身高度( 车 架和车桥问的距离) 、加速度的变化，并将整车高度变化、加速度变化转换为电 子信号，转换后的电子信号经过放大滤波等信号处理过程后传递给电子控制单元 ( e c u ) ，e c u 内部保存若干指标高度或是参考加速度、二级可调阻尼值，这些 参考值与弹簧的舒适性、驾驶安全性和应用规范保持一致。车速在不同的行驶条 件下由e c u 自动执行相应的指标高度，或是调节到相应的刚度。e c u 通过比较 信号传感器检测结果和内部存放的参考值，通过电磁阀对空气弹簧进行充放气， 从而达到调节刚度或高度的目的，保证车辆行驶平顺性和操作稳定性。除高度、 加速度信息外，e c u 还接受其它的输入信息，如车速信息、制动信息、车门信 息和供气压力信息等，e c u 综合这些输入信息，判断当前车辆状态，按照其内 部的控制逻辑，激发电磁阀工作，通过电磁阀控制空气弹簧的进出气等过程，当 然也町以由驾驶员手动控制。 2 1 2e c a s 的主要零部件， e c a s 系统概括其组成是由电子控制单元( e c u ) ，高度控制电磁阀，车身 高度传感器( 加速度、速度等其它传感器) ，空气弹簧，可调阻尼减振器，空气 压缩机，导向传力机构等组成，其主要零部件的功能如下： l 、电子控制单元 电子控制单元( e c u ) 通常安装在驾驶室或者电气仓内，可实现不同高度值、 阻尼值或刚度值的管理和储存，控制包括正常高度在内的多个车辆高度，e c u 负责与诊断工具进行数据交换，同时监测系统所有部件的操作，检测并储存系统 故障。 2 、空气弹簧 空气弹簧是空气悬架中最为关键的部分，空气弹簧的性能直接决定着整个空 气悬架的性能。按照结构特点，空气弹簧可以分为囊式和膜式两大类。囊式空气 弹簧结构相对简单，制造方便，但刚度较高，因而常用于大型客车、无轨电车和 载货汽车，并且常配有辅助气室以降低弹簧刚度。膜式空气弹簧刚度小，适合于 用作轿车悬架，但其载荷能力小。由于空气弹簧的重要性，其特性及工作原理将 在2 2 节中详细介绍。 3 、可调阻尼减振器 8 江苏大学硕士学位论文 电子控制悬架系统中常用变阻尼减振器系统。该系统相对于使用普通空气减 振器系统有许多优点，其中最大的优点就是重量轻，阻尼系数可根据外部条件由 电子调节。大多数使用变阻尼减振器的系统是根据汽车行驶状况或行驶状况加上 驾驶员选择的运行模式来调节控制的，而有的则只根据驾驶员操作开关来调节控 制。本文设计的变阻尼减振器系统，使用两个开关作为输入装置，包括软硬两个 档位，可以由驾驶员根据路况手动选择阻尼类型，e c u 也可以根据路况自动执 行相应的阻尼力。 4 、空气压缩机 空气压缩机用来产生提供车身高度、刚度调：例听需的压缩空气。空气压缩机 一般采用单缸活塞式结构，直流电动机带动空气压缩机工作，从压缩机中出来的 压缩空气进入干燥器，经丁燥器后被送到高度控制电磁阀，由电磁阀来控制悬架 空气弹簧的充气鼍，空气室的压力由调压阀实行控制，排气阀打开时，空气弹簧 内的压缩空气从排气阀排入大气，同时将干燥器中的水分带走。 当车内乘客人数或汽车载荷增加时，车身高度降低，车高传感器给出的信号 将与控制装置内存贮的车高量小符，控制装置会发出指令，启动空气压缩机，打 丌高度控制电磁阀，给空气弹簧主气室充气，直到车高达到规定的高度为止；当 车内乘客人数或汽车载荷减少时，车身高度上升，在电子控制装置的控制下，打 开高度控制电磁阀，空气弹簧主气室的气体通过高度控制电磁阀，空气管路，排 气阀排出，车身下降引。 5 、电磁阀 电磁阀通常安装在车架或车架横梁上。e c a s 电磁阀是高度集成化和模块化 的设计。取决于不同的配置，在通用的外部壳体内可以布置不同数量的电磁阀部 件。e c a s 组合电磁阀可大大节省了零部件数鼍和安装空间以及装配费用。为了 降低排气噪声，电磁阀排气口带有消音器。 本文采用的是w a b c o 的4 7 2 9 0 0 0 5 7 0 电磁阀( 安装如图2 7 ) ，电磁阀接受 从电子控制单元e c u 传来的电子信号，并由电信号控制阀体动作，即控制气路 的连通或阻断过程，从而控制相应的空气弹簧的充气和放气过程，即控制空气弹 簧的动态状态。由e c u 传出的信号通过插口和电线束与电磁阀的插口连接。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 素 6 2 1 ( 2 】米 6 2 2 陬、陲 c4 ) 米 6 2 4 ( 3 】来 6 1 3 ( 2 】米 6 1 2 ( 1 ) 来 6 1 1 4 ) 来阀 6 1 4 ， _ 1 t 一一t 2 211 后桥右气囊供气 一厂 翦桥右气囊2 6 2 7 翦桥左气囊 2 3 后桥左气囊 图2 2 电磁阀的安装 供气：1 1出气：2 2 ，2 3 ，2 6 ，2 7 ( 2 2 ，2 3 ) 电磁控制：6 1 1 ，6 1 2 ，6 1 3 ，6 1 4 ，6 2 。1 ，6 2 2 ，6 2 。4 6 、车身高度传感器 高度传感器的外形看起来与机械高度阀相似，它们的安装方式和安装位置完 个棚同，通常布置在车架上。传感器内部包含线圈和枢轴，当牟桥与车身之间的 距离发生变化时，高度横摆杆转动并带动相应的电楸在线圈中上下直线运动，造 成线圈的感应系数变化，e c u 检测此感应系数的变化并将其转换成高度数字信 1 0 关于高度传感器更为详细的介绍参见3 2 节。 2 1 3e c a s 的主要功能 e c a s 的功能主要有以下几个方面【9 】： l 、抗后坐控制 通过车速、加速度等传感器进行信号检测，当车速低于2 0 k m h 且加速度大 时，e c u 通过电磁阀对后空气悬架进行充气，后悬架高度趋于不变，减振器阻 三力到达高值，从而抵抗汽车起步时车身后坐。 2 、抗侧倾控制 山装在转向轴的光电式传感器检测转向盘的操作情况，急转弯时，e c u 通 过电磁阀对侧悬架进行充气，侧悬架高度趋于不变，减振器阻尼到达高值，以抵 抗- 乍身侧倾。 3 、抗“点头”控制 作车速高于6 0 k m h 时紧急制动，e c u 通过电磁阀对前悬架进行充气，前悬 架t ：j j 度趋于不变，减振器阻尼到达高值，以抵抗车身自订部下冲。 l o 江苏大学硕士学位论文 4 、车速感应控制 当车速大于6 0k m h 时，e c u 通过电磁阀对空气弹簧进行放气，以降低车身 高度，减少风阻，从而提高高速行时操纵稳定性。 5 、前、后关联控制 车速在4 0 一- - 6 0 k m h 范围内时，若前轮车高传感器检测出路面有小凸起，则 在后轮越过该凸起之前，系统将对后悬架充气，使得高度趋于不变，减振器阻尼 力达到低值，从而提高汽车乘坐舒适性。 6 、车身高度摔制和驻车控制 车高控制是指汽车的高度可根据人员数量和载荷大小自动调整。自动高度调 整不仅可以保持汽车平稳地行驶，而且减小了车前灯光线角度的变化( 如前照灯 的光线向上，则会使迎面丌来的汽车产生眩目) 。当在恶劣路面上行驶时，控制 空气弹簧动行程在固定的范n 习内，防止车体与车架发生刚性撞击。当汽车高速行 驶时，降低车高会减小空气阻力，保证行驶稳定性。车高控制可采用对4 个车轮 或仅对2 个后轮实行控制，e c u 根据车高传感器信号判断汽车的高度，如果检 测到车高过低，则摔制高度控制阀，向空气弹簧主气室内充气，使车高增加；当 需要车高降低时，则使空气弹簧主气室向外排气。当汽车处于驻车控制模式时， 为了使车身外观平衡，保持良好的驻车姿势，当点火开关关闭后，e c u 即发出 指令，使车身高度处于的低控制模式。 7 、过载保护( o v e r l o a dp r o t e c t i o n ) 过载保护是通过在e c u 中设置气囊的保护气压( 最大允许气压) ，一旦空气 弹簧中的气压超过了此设定值，空气弹簧将被放气，整车高度降低并压到空气弹 簧中的缓冲块。如果要恢复到证常操作状态，必须将过载的货物卸掉，直到气压 可低于保护气压。当发动机重新启动后，车辆将恢复正常状态。 2 2 空气悬架关键部件一空气弹簧的特性研究 2 2 1 空气弹簧的特性及工作原理 空气弹簧是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的 一种弹性元件，用在车辆：悬架系统中可以大大改善车辆的动力性能。其工作原理 为：气囊内充入压缩空气，形成一个压缩空气柱。当振动载荷增加时，空气弹簧 的高度降低，有效容积减小，气囊内空气柱的有效面积变大，刚度变大，因此空 1 1 江苏大学硕士学位论文 气弹簧的承载能力上升。当振动载荷减小时，空气弹簧的高度升高，有效容积增 大，气囊内空气柱的有效面积减小，刚度减小，因此空气弹簧的承载能力下降。 这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、有效容积、承载能力随着振 动载荷的增减发生了平稳的柔性传递。其作为空气悬架的主要弹性元件，它的特 性与空气悬架的性能息息相关，现将空气弹簧特性总结如下： 1 、空气弹簧刚度和高度可调 空气弹簧通过对气囊的充放气来控制空气弹簧的内部压力，从而实现对悬架 的刚度和高度的调节，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。由图2 3 可以看出，对于金属弹簧悬架，其静挠度随载荷增加而增大，其 自振频率随载荷变化而变化较大；而对于空气悬架，其静挠度在所有载倚条件下 几乎保持不变；其自振频率在所有载衙条件下基本保持不变。 2 、空气弹簧刚度具有非线性 非线性的特性使得车辆在正常行驶时保证了平顺性，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，即刚 度固定不变。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。 a 载荷一绕度特性b 载荷一频率特性 图2 3 空气悬架和金属弹簧悬架的静特性比较 3 、空气弹簧隔振性能好 由于空气弹簧是以压缩空气为弹性元件，内摩擦极小，对高频振动具有很好 的隔振、消声能力。 4 、适应性强 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 江苏大学硕士学位论文 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。此外，还可 以通过高度控制阀的作用，控制车身高度，以适应不同结构和用途的需要。且与 金属弹簧比较，空气弹簧节省大量的弹簧钢，且寿命较长。 但空气弹簧也有制造工艺复杂，成本较高，机构布置困难，密封要求严格等 缺点。 2 2 2 空气弹簧的高度与刚度计算 1 、空气弹簧的高度及其计算 空气弹簧高度1 1 0 j 有设计高度和标准高度之分，根据国家标准g b t 1 3 0 6 1 9 1 汽车悬架用空气弹簧橡胶气囊中描述，空气弹簧标准高度是一个设定高度， 以此高度为计算其变形量的起始点，压缩为正向，伸张为负向。标准高度就是初 始位置高度。每种型号的空气弹簧在出厂时都会在其参数表中给出空气弹簧的设 计高度区域，标准高度处于该区域时，空气弹簧能够最大限度地发挥其优越性能 并保证其使用寿命。在车辆窄气悬架匹配时，空气弹簧的安装高度应该在设计高 度范围内进行选择。所选择的某一安装高度就是此时空气弹簧的标准高度。标准 高度对应于空气悬架系统高度控制阀需要控制的高度，即车辆运行过程中空气弹 簧以这个高度为中心上下波动。在空气弹簧标准高度下，内部气体压力为标准内 压时，空气弹簧处于标准状态。空气弹簧长期工作在标准状态下，才能最大限度 的发挥其优越性并延长其使用寿命。本文在研究的过程中，假定标准设计高度为 变形量的起始点，即初始高度位置。 为表述空气弹簧在最终状态气体相对压力下的受力情况，设空气弹簧的有效 面积4 ；，则空气弹簧的有效面积可表示为： a f = f p ( 2 1 ) 式中：f 一空气弹簧受力；p 一弹簧内部气体有效压力 本文在计算空气弹簧有效面积变化的时候，将其简化成一个随空气弹簧位移 线性变化的量1 4 0 。最终状态空气弹簧的有效面积，可通过初始状态有效面积来 表示。任意时刻空气弹簧的有效面积可以表示为： a e = a f d + 办 ( 2 - 2 ) 式中：彳肋一弹簧初始状态有效面积； 江苏大学硕士学位论文 厅一弹簧垂向位移，压缩为正，拉伸为负； 一空气弹簧有效面积随垂直位移的变化率 空气弹簧有效容积随垂直位移发生改变【1 0 l ，最终状态有效容积可以通过试验 的方法，用初始状态有效容积和有效容积变化率来表示。空气弹簧最终状态有效 容积可用式( 2 3 ) 表示： v = v o a h ( 2 - 3 ) 式中：圪一最终状态有效容积 t 2 一有效容积随垂直位移的变化率； 由公式v = a h ，并结合上述式( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 得空气弹簧高度h 的表 达式为： 圪一a h = ( a d + f l h ) h ( 2 4 ) 设空气弹簧初始状态标准高度也，h l = h 。+ 办，结合式( 2 1 ) ，( 2 4 ) 得 如下递推公式： 1 3 h k 2 + l 一( f i l l t 只p k a h ) 何一( c t h + v o ) = 0 ( k = o ，1 ) ( 2 5 ) 2 、空气弹簧的刚度计算 汽车空气悬架中空气弹簧具有非线性刚度特性。理论计算时【l l l ，空气弹簧刚 度可以直接由载荷f 对位移h 求导得到，考虑到f = p ，a e ，则有： 后= 面d f = 只篆地鲁 协6 ， 忙面2 只前制f 翥 旺。6 ) 式中：h 一弹簧垂向位移，压缩为正，拉伸为负； b 一空气弹簧内部气体有效压力； a f 一空气弹簧的有效面积。 空气弹簧变形时其内部气体变化满足气体状态方程：p v 疗= c o n s t ，其中p 为空气弹簧内气体绝对压力，p = 仍+ 髟为大气压力；v 为气体容积，n 是热力 学指数( 常数) ，将其两边对位移h 求导，得到： 生=一可np面dvdh= 一丝v ( 2 7 ) y 幽 、7 其中负号表示压力的变化趋势和容积的变化趋势相反，即容积减小时压力增 1 4 江苏大学硕士学位论文 加，在计算刚度值时取其绝对值，且其中面d v = 彳e ，将式( 2 - 7 ) 代入式( 2 - 6 ) 得： 后= 等= b 面d a e 地训等 亿8 ， 这是计算空气弹簧刚度的一般表达式。 空气弹簧刚度常用的是空气弹簧的静刚度和动刚度。所谓静刚度是指空气弹 簧低频振动时的刚度( 一般认为频率f 0 2 ) ，由于空气弹簧振动比较快，假定空气弹簧内部和外界没有热交换，其内 部气体的热力学变化过程为绝热过程，取n = 1 4 。在式( 2 8 ) 中，p ，鱼箸表示 有效面积爿e 变化率对空气弹簧刚度的影响，由于空气弹簧是一个弹性体，一般 情况下在空气弹簧变形时有效面积a e 不是固定不变的，而且不同结构形式的空 气弹簧，有效面积a e 的变化也是不同的。对于活塞座轮廓为圆柱形的膜式空气 弹簧，华：0 ，此时可以将空气弹簧刚度计算公式( 2 8 ) 简化为： 扣a 砌f = n ( p o 训等 ( 2 - 9 ) 2 2 3 空气弹簧充放气实验 空气弹簧是空气悬架系统中最为重要的弹性元件，本文研究的电控悬架系统 是是以空气弹簧的高度和刚度为基础的，所以确定在不同的气囊初始压力和不同 电磁阀开关时间下的弹簧的高度与刚度特性，对于本文所研究的电控空气悬架系 统至关重要。而空气弹簧具有较强的非线性，仅仅利用有限元理论分析其非线性 特性有一定的难度，且有着许多不确定的因素而造成较大的偏差。故作者与本项 目组的老师和汽车学院的同学，在江苏大学江苏省汽车工程重点