（车辆工程专业论文）空气悬架系统及主动控制的研究.pdf

空气悬架系统及主动控制的研究摘要本文通过对空气悬架理论的分析和研究，在建立悬架系统振动模型时。不是将空气弹簧的弹力线性化后代入模型计算，而是采用直接将弹簧非线性力代入模型进行计算和仿真分析，通过仿真证实后者更能真实反映车辆在实际行驶中的振动响应情况。并且通过车辆行驶平顺性道路试验证实了理论分析的正确性和计算机仿真的科学性和可信性。在对非线性空气悬架系统建模的基础上，本文分别采用常规模糊控制、参数自调整模糊控制和直接自适应模糊控制对被动悬架进行主动控制，通过对三种控制方法的理论研究和仿真分析，证明了常规模糊控制器对非线性空气悬架平顺性有一定改善，但因其模糊规则有一定主观性以及具有固定量化因子和比例因子的特性，故有其局限性。参数自调整控制器实时调整量化因子和比例因子，能改善控制性能，但由于有限的误差划分区域，且加权系数依经验所定，仍有其局限性。自适应模糊控制根据系统输入实时调整模糊控制规则，有效地抑制车身振动，提高车辆的行驶平顺性，是一种较为理想的控制方法。关键词：非线性空气悬架模糊控制行驶平顺性参数自调整自适应模糊控制s t u d yo f a i rs u s p e n s i o ns y s t e ma n da c t i v ec o n t r o la b s t r a c ta n a l y z 缸2 锄dr e s e a r c l l i n go na i rs u s p e i l s i o nm e o r y ，t h i sd a p e rd o e s n ll i f l e a r i z e dt l l ea i rs p r i n g ，b u tp u tm en o r 卜l i n e a ra i rs p r i n gm t 0m o d e lt oc a l c u l a t ea n ds i m u l a t ed i r e c t l v s i m l l l a t i o nr e s u l ts h o w st l l el a t e rc a nr e d r e s e mr e a lp e r f b m l a n c eo tv i b 枷o nr c s p o n s e t h ev e h i c l er i d i n gt e s ts h o w s 廿l a tc 删协e s so ft h e o r ya i l a l y s i sa n dt b ec h a r a d ) e r i s t i co fs c i e n c ea n dc r e d i t a b i l i 讳o fc o m 口u t e rs i m u l a t i o n b a s e do nb l l i l d i n gt h en o n 1 i n e a ra i r 娜p e n s i o nm o d e l ，血i sp a p e rl l s e 血eg e n e r a lf u z z yc o n t r o l ，1 量l es e l f a ( 酗u s t i n gp a r 锄e t e rf u z z vc o m m la i l dt i i ed i r e c ls e l f _ a d a p t i v ef u z z yc o n t r lo n 伍ea i rs u s p e n s i o ns y s t e m t h e 血e o r yr e s e a r c ha n ds i i n u l a t i o na f l a l v s i sr e s u l ts h o w sm a tt h eg c n e m lf u z 2 可c o m r o u e rc a ni m p m v et h er i d i i l go ft l l en o n 1 i n e a ra i rs u s p e n s i o n ，b mi th a st l l el o c a l i z a t i o nc h a r a d 【e r i s t i cf 0 ri t ss u b j e c t i v i 锣o nf i l z z yr u l e s 趾df i xq 啪廿t yg e n e sa n dt l l es c a l eg e t h es e l f - a d i u s t i l l gp a r 锄e t b rf u z z yc o i 岫l l e ra d j u s tt l l ef i xq u 枷t yg e n e sa i l d 也es c a l e譬e n ea tr e a lt i m e ，s oi tc a ni i n p r o v ec o n 订0 1a b i l i t y b e c a u s eo ft l l el i m i t e de h d ra r e aa n dt 1 1 ea d d i l l gp o w e rm o d u l u sa c c o r d i n gt 0t h ee x p e r i e n c e ，i ta l s oh 嬲t 1 1 e1 0 c a l i z a t i o nc h a m c t e r i s t i c t h ed i r e c ts e l f 二a d a p t i v ef u z z yc o n n d l l e ra d i u s tt | 蛇n l l eo f f h z z yc o n 缸d 1a c c o r d i n gt o 也es y s t e l ni m p o r ta ti e a lt i t l l e ，s oj tc a f lr c s 埘c tv e h i c l ev i b r a t i o ne f f i c i e n t l ya 1 1 di m p r o v et 1 1 e d m g i ti s 锄i d e a lc o n 订o lm e t l l o d k e y w o r d s ：n o n - l m e a ra i rs u s p c n s i o nf l l z z yf o n 舡d lr i d i n gs e l f 锄u s t i n gp a r 锄e t e rf u z z yc o n 的ld 汝c ts e l f - a d a p t i v ef l l z z yc o n t r o l合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：( 工作单位、职称)主腻曼彦岛今肥以式委员：肜呜锨刁娠豹蕊嚣南2谚乱私i 蝴蚀j 4 似令面2毛力乞7 六务) 敌授图1 1图1 2图1 3图1 - 4图1 5图1 6图1 7图1 8图2 1图2 - 2图2 3图2 4图2 5图2 6图2 7图3 1图3 2图3 3图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图3 9图3 1 0图3 一l l图4 1图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6插图清单空气弹簧悬架布置简图4空气弹簧结构图5囊式空气弹簧有效直径的变化5膜式空气弹簧有效直径的变化6高度传感器7空气弹簧与钢板弹簧的特性比较”8电子控制空气悬架示意图1 0主动式空气悬架控制系统电路方框图1 0振动简化模型1 4空气弹簧的绝对弹力位移曲线1 6后悬架主视图1 8线性化空气弹簧1 2 车辆模型1 9空气弹簧非线性化1 2 车辆模型2 21 = 1 0 ，眺时仿真曲线2 6v = 2 0 挣以时仿真曲线2 7模糊逻辑控制系统3 l非线性空气弹簧主动控制的1 ，2 车辆模型3 1非线性空气悬架模糊控蒂9 系统3 2之乏“模糊子集的隶属度函数曲线3 4路面白噪声输入v = 1 0 砒仿真曲线3 6路面白噪声输入v = 2 0 n 弧仿真曲线3 7路面脉冲输入v = 1 0 删时仿真衄线3 7参数自调整模糊控制系统3 8参数自调整模糊控制仿真框图4 0v = l o ，以时仿真曲线4 0v = 2 0 砒时仿真曲线4 0自适应模糊控制系统的基本框图4 3直接自适应模糊控制系统4 5自适应模糊控制非线性空气悬架系统5 l路面白噪声输入v = 1 0 ，以线5 2路面白噪声输入v = 2 0 舶仿真曲线5 2路面脉冲输入v = 1 0 觚时仿真曲线5 3图5 3图5 4图5 5图5 6图5 7图5 8图5 9附图5 1附图5 2前悬架5 6后悬架5 6前悬架总成5 6后悬架总成5 6前后悬架空气管路原理图5 7道路试验总框图5 8测试仪器5 86 8 9 0 底盘主视图6 16 8 9 0 底盘俯视图6 1表格清单表2 1前、后空气弹簧的位移相对弹力数据1 6表2 2 系统结构参数表2 5表3 1 语言规则3 5表4 1 加速度仿真结果分析5 3表5 16 8 9 0 空气悬架整车主要技术参数和性能指标5 7表5 26 8 9 0 汽车悬架结构参数5 7表5 3车辆空载时路面试验与仿真的垂直加速度均方根。：j 比较6 0表5 - 4 车辆半载时路面试验与仿真的垂直加速度均方根阳，。z ) 比较6 0表5 5车辆满载时路面试验与仿真的垂直加速度均方根阳，。：) 比较6 0附表5 16 8 9 0 各总成质量、质心高度及至前轴距离6 2独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得盒月巴王些太堂或其他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谢意。靴论一张芍槲飙对移学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金月墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金g 垦王些盍堂可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名签字同期：文p 芯年j 月咿学位论文作者毕业后去向：三作等等：镰嘟哲通讯地址：电话邮编导师签名：7 享毛最签字日期：酶月步致谢论文完成之际，我首先要感谢我敬爱的导师陈无畏教授和王其东教授以及王窟瑞副教授。老师们深厚的学术功底、严谨的学术指导、虚怀若谷的学术作风使我的硕士论文得以顺利完成：他们的关心与爱护、鞭策与鼓励使我在学习中得到了无穷的动力和勇气；导师们对科学真理的无限热情与投入、执著与奉献深深地影响和激励着我。在硕士阶段的学习中，我从导师们这里不仅仅是学到了丰富的科学知识，更宝贵的是学习到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对理想对事业对生活的真诚态度，所有这些都将是我人生路上的宝贵财富，愈久弥坚地伴我前行。我还要感谢我的父母、爱人，他们不仅给与我生活上和经济上的帮助和支持，而且给予我精神上鼓励。在我迷茫与困顿时是他们以浓浓的亲情扰慰我，在我取得成功时是他们警醒我戒骄戒躁继续努力。求学路上，亲人们的殷殷之，隋是我奋斗的源泉。我还要感谢我的女儿，是她的懂事和善解人意给了我莫大的安慰和学习的动力。最后要感谢刘立强、徐娟、赵君卿、陈黎卿、乔明霞、姜武华、张彦如、孙海涛、石培成对我的帮助。感谢所有关心我、爱护我的人们!作者：胡芳2 0 0 4 年5 月1 5 日第一章绪论1 1 空气弹簧悬架的发展及国内外现状1 1 1 空气弹簧悬架的发展概况空气弹簧诞生于1 9 世纪中期，早期用于机械设备隔振。空气弹簧悬架是以空气弹簧为弹性元件，以气体为介质，利用气体的可压缩性实现其弹性作用的。2 0 世纪3 0 年代初，美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽车工业。1 9 3 4 年研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系统一a i r e d e 空气弹簧。1 9 4 4 年通用汽车公司在其客车上进行首轮试验，1 9 5 3 年开始生产装有空气悬架的客车，开创了商用汽车使用空气弹簧悬架的先河。目前，空气悬架在国外高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到1 0 0 ，在中、重型货车以及挂车上也超过8 0 ，如美国的f o r d ，德国的m a n 等。有些高级轿车上也选装了空气悬架，如美国的林肯，德国的b e n z 6 0 0 等。在一些特种车辆( 如对防振性要求高的仪表车，救护车及要求带高度调节的集装箱运输车) 上，空气悬架的应用更为广泛【l 】。随着空气悬架应用的推广，对空气悬架的研究也得到了重视。j r e v a n s等人对空气弹簧在火车上的应用作了深入的研究，并在1 9 7 0 年作了空气弹簧垂直特性试验，建立空气弹簧垂直动态特性模型。空气弹簧的侧向特性试验于1 9 9 4 年完成，在大频率和幅值情况下，测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和变形，并用正弦波和锯齿波输入来观察速度对侧向特性的影响【”。在空气悬架系统中，除空气弹簧外，还要有辅助气室和连接管路来实现空气弹簧刚度系数的连续变化。k a t s u y ay o y o f u k u 等人通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析管道和气室对弹簧特性变化的影响吐j o nb u n n e 和r o g e rj a b l e 研究了空气悬架对传动系统振动的影响i ”。j o h nw o o d r o o f f e 通过试验分别评价重型货车空气悬架和钢板弹簧悬架的路面附着性和行驶平顺性。随后，a 1 fh o m e y e r 等人采用有限元法优化了空气弹簧结构，提出了空气弹簧设计的新思路f 4 j a我国早在2 0 世纪5 0 年代就对空气弹簧进行了研究。1 9 5 7 年，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所制造了我国第一辆空气悬架的载重汽车，相继又设计了公共汽车、火车等车辆的空气悬架。1 9 5 8 年，长春汽车研究所等单位开发了我国第一只高度控制阀，这种高度控制阀由车门来控制。第二年设计出了高级轿车使用的控制举升系统的商度控制阀。这段时期，我国共设计出了1 0余种空气弹簧气囊和3 种高度控制阀。其中，早期的高度控制阀是一种带有油压迟滞机构的延时型阀。但这阶段对高度控制阀的可靠性和整个系统的密封性问题，悬架的稳定性问题，空气弹簧的特性等理论问题没有解决。1 9 8 0 年代初长春汽车研究所再次进行了空气悬架的研究，并为武汉客车厂等几家汽车厂设计了空气悬架。当时汽车自振频率可降低到1 1 1 2 h z ，平均车速提高了1 7 。悬架质量也比钢板弹簧悬架减轻了5 0 6 0 k g 。同年又为沈阳电车公司试制的沈阳s y 6 6 2 空气弹簧无轨电车，运行6 0 0 0 0 k m ，车身、车桥等基本没有损伤。1 9 8 7 年长春汽车研究所与沈阳飞机制造公司汽车厂共同开发了c a l 5 1 d 1 8 空气悬架客车底盘，并装在s f q 6 9 8 1 a 型客车上。虽然我国对空气悬架进行过一定研究，但是对于空气悬架特性问题没能很好地解决，又由于设计及制造等复杂因素的影响，如国产空气悬架存在橡胶气囊的寿命偏低、高度控制阀密封性差等问题。到目前为止，我国还没有整套空气悬架的生产厂家。从9 0 年代开始，国内一些客车厂开始从国外购买空气悬架及空气悬架底盘装车使用，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司等。为了满足空气悬架维修配件的需要，近年来国内已有一些企业正在生产空气悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、浙江瑞安市东欧汽车零件厂等厂家。同时，一些外资企业在中国进行整套空气悬架的生产和销售，如美国的n e w a y 公司和德国的z f 公司。1 9 9 8 年n e w a y 公司在北京设立了美国n e w a y 空气悬架中国独家代理一柯布克公司。迄今为止，国内很多豪华旅游客车及长途旅行车如安徽安凯汽车公司、亚星奔驰汽车公司、厦门金龙汽车公司等均已使用进口空气弹簧悬架。为了提高对空气悬架的自主开发能力，国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行过开发设计和理论研究，如东风汽车研究所对混合式空气悬架进行过设计，中国重型汽车集团公司在斯太尔车上安装了浮动桥空气悬架。交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬架的导向机构进行了研究，北京理工大学也进行了日野r c 4 2 0 型客车空气弹簧的台架实验，并进行了空气弹簧静动特性和气室容积特性的分析【l l 。1 1 2 空气悬架的国内外现状随着电子技术的迅速发展和汽车性能的要求及各种法规的严格限制，电子技术在汽车工业中尤其是在现代汽车各个总成的控制系统中得到了广泛应用。2 0 世纪9 0 年代，一些高级轿车上开始使用电控空气悬架系统( e l e c t r i c i a lc o n t r 0 1a i rs u s p e n s i o ns y s t e m 简称e c a s ) 。它是一种按标准模式设计的电子控制系统，通过传感器测试不同的信号以获取信息，并将之输送给中央控制单元( e c u ) 。e c u 处理信号后，发出指令给各控制单元，采取相应的调整措施，及时地调节空气弹簧的刚度、减振器的阻尼和车身高度。e c a s可在1 0 1 2 j 1 1 s 内对路面或行驶条件作出反应，较大程度地提高了行驶平顺性和操纵稳定性。近年来，国外的一些大汽车公司已成功地将电控式空气悬架制成产品，应用到实际车辆上。但e c a s 在国内的研究刚刚起步，仅处于理论研究、仿真2分析与开发试制阶段。汽车采用电子装置的情况是衡量汽车水平高低的一个重要标志，未来汽车市场的竞争就是汽车电子化的竞争，随着电子技术的迅猛发展和汽车性能要求及各种法规的严格限制，电子技术在现代汽车各个总成的控制系统中的应用日趋广泛，现代汽车的发展方向是安全化、智能化、清洁化。悬架系统的智能化代表了悬架发展的方向。目前，汽车控制系统的智能化程度越来越高，电控式空气悬架将成为未来发展的必然趋势。1 2 空气弹簧悬架的发展阶段传统的被动悬挂只能保证在一定特定的道路状态和速度下达到性能最优折衷，一旦工况发生变化，悬架的动特性便不再为最优。人们希望悬挂的冈度、车身高度能随汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件而变化，使悬挂性能总是处于最佳状态附近，同时满足汽车行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求，而传统的弹簧元件改进余地已不大。随着高速公路在我国的不断延伸、交通运输量的日趋增加，旅游事业的迅速发展，需要汽车具有更好的操纵稳定性和行驶乎顺性，这就为空气悬架的使用提供了广阔的市场。此外，随着对载重汽车对高速公路路面破坏机理的认识和研究，在高速行驶时具有较低动载荷的空气悬架必将得到进一步广泛的应用。空气弹簧悬架按进气的控制方式分为机械控制式和电子控制式两种。机械控制式空气悬架价格低，但在路况不好时频繁进放气影响性能，而且只能设定一个平衡高度；电子控制空气悬架系统( e c a s ) ，又称主动空气悬架系统，是目前最先进的空气弹簧系统。它是出现于2 0 世纪5 0 年代的空气悬架系统的替代品。它能根据汽车行驶状态和外界激阵的变化自动调节空气弹簧的刚度，减振器的阻尼以及车身高度，从而缓和路面传来的冲击和振动，提高车辆行驶的平顺性和操纵稳定性等。与机械控制式空气弹簧相比，电子控制式空气悬架系统可根据不同的路面条件、不同的载荷、不同的行驶速度等行驶工况采用一定的控制策略来提高车辆在路面上行驶时的性能，使整车具有更好的舒适性和操纵稳定性但其价格较高。1 2 1 机械式空气弹簧悬架机械式空气悬架系统是通过压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化进行自动调节，保持车身高度不变。空气弹簧是一种具有可调非线性静、动态刚度及阻尼特性的隔振元件，由其组成的隔振系统的固有频率在载荷变化时几乎不变，且该系统具有自动避开共振，从而抑制共振振幅的特性。空气弹簧悬架是客车，尤其是高速旅游大客车或豪华型大客车的理想悬架系统，在相同的载荷作用下，空气弹簧可以得到比钢板弹簧低得多的振动频率，高速时其行驶平顺性较钢板弹簧尤为突出，其3降低舒适界限时间一般能超过国际对旅游客车规定的2 5h ，而达到4 5 h 的水平吼一、空气弹簧悬架原理和结构朔空气弹簧悬架由空气弹簧、高度控制阀、节流管和辅助气室等组成，其结构如图1 1 所示。1i 3i j1 车体2 _ 韵 叫糯饩室哇- 告同单簧5 _ 铴行l6 _ 杠杆7 _ 拉杆8 _ b 氆猕0 阎图卜1 空气弹簧悬架布置简幽辅助气室通过节流孔与气囊相通，气囊则通过气管与高度阀相通，高度阀固定于车架上，并通过杠杆和拉杆与车桥连接，空气经贮气筒引至高度阀。当空气弹簧上载荷增加时车架下降，高度阀的杠杆在拉杆的作用下逆时针方向转动，高度阀进气阀打开，空气因压力差而开始进入空气弹簧，直到车架升至原设计标准高度为止，杠杆恢复到原来水平位置，此时高度阀进气阀被关闭。当空气弹簧上的载荷减少，车架上升，高度阀的杠杆顺时针方向转动，高度阀的排气阀被打开，空气从空气弹簧和辅助气室排出，直到车架降至原设计标准位置，此时高度阀的排气阀关闭。在高度阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持不变从而使得车身高度基本不变。空气弹簧和高度阀是组成空气弹簧悬架的两个重要构件，以下分另b 介绍。空气弹簧空气弹簧大体上是由上盖、胶囊，下座( 或活塞) 组成，气囊与接口的连接方式可分为自封式、螺栓固定式和密封式三种。( 一) 空气弹簧的种类，根据橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式、膜式和混合式空气弹簧三大类f 8 1 2 2 】，如图卜2 所示，其它各种类型均系这三大类的变异。4a 囊式空气弹簧b 膜式空气弹簧c 混台式空气弹簧图1 2 空气弹簧结构图1 囊式空气弹簧囊式空气弹簧主要靠橡胶的屈挠来获得弹性形变，它一般多采用单曲式、双曲式、三曲和四曲型式，双曲以上的胶囊其曲与曲之间均加镀锌或包胶的金属胶环将各个曲囊分隔开来，以防胶囊在充气时产生径向膨胀或两断面之问的摩擦，囊式空气弹簧的特点是：( 1 ) 胶囊曲数越多，弹簧刚度越小，但曲数太多，会降低空气弹簧的横向稳定性，故一般以四曲为限；( 2 ) 囊式空气弹簧有效面积变化率较大，压缩时其受压面积增大，而伸张时受压面积减小。图卜3 表明了囊式空气弹簧有效直径的变化情况。这种弹簧的刚度较大，振动频率较高；串审矗伸张设计高度压缩图1 3 囊式空气弹簧有效直径的变化( 3 ) 选择适当的附加气室，可得封较低的振动频率；( 4 ) 对于通常的结构形式，包括使用任何附加容积情况下，只有超过约2 5 h z的自振频率时可调节；( 5 ) 使用寿命长。2 膜式空气弹簧膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形，它的空气囊伸缩时可沿活塞壁面发生变形，受压面积随变形而变化，这就可以获得在标准高度下很软，而在大位移时变硬的特性，即合适的非线性弹簧特性。根据各种运动方式和承载能力，膜式空气弹簧可设计成多种形式，膜式空气弹簧的主要特点是：( 1 ) 膜式空气弹簧有效面积与挠蓝变形的关系随活塞的形状而变化，因此通过对活塞形状的合理设计，可有效地控制其有效面积的变化率，从而得到理想的反”s ”形弹性特性曲线；( 2 )即使无附加气室，仍可得到较低的振动频率。在空气容积小的情况下，垂直自振频率可以达到1 h z 以下：( 3 ) 无论是在压缩或伸张时，膜式空气弹簧的有效面积变化都不显著。图卜4反映了膜式空气弹簧有效直径的变化情况：( 4 ) 膜式空气弹簧制造简单，便于大量生产。宙审面伸张设计高度压缩图卜4 膜式空气弹簧有效直径的变化3 囊膜复合式空气弹簧囊膜复合式空气弹簧的气囊上部与囊式气囊上部基本相同，它的下部则与膜式气囊类似，其运动时在活塞的表面滚动。此种空气弹簧综合了囊式和膜式两种空气弹簧的优点，由于制造工艺比较复杂，目前采用不多。( 二) 空气弹簧的特性( 1 ) 空气弹簧具有非线性特性，其特性曲线可设计成理想形状。其静、动刚度随载荷的增大而增大；( 2 ) 空气弹簧质量轻，内摩擦极小，对高频振动有很好的隔振、消声能力：( 3 ) 空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节橡胶气囊内的压力来调整；( 4 ) 空气弹簧只能承受垂直负荷，需要有导向机构传递纵向力、横向力及其力矩，导致悬架机构较为复杂：( 5 空气弹簧及悬架系统要求有较高的气密性，因此其设计难度大、制造工艺复杂，成本较高。高度控制阀高度控制阀用来感知车身与悬架之间高度变化，即空气弹簧挠度变化，并通过调节空气弹簧的内部气压来调整空气弹簧的刚度，并使之维持在设定高度值附近，来平衡外界的载荷，其结构如图卜5 所示。6l1 阀芯2 阀管定位销3 芯管4 左管接头5 两用阀门6 回位弹簧7 单向阀门8 进气管接头9 密封国l o 阀体1 1 有管接头1 2 限位销1 3 气道1 4 感应柱塞图1 5 高度传感器当车身下移时，感应柱塞1 4 带动阀芯和芯管上行，关闭两用阀门5 处的排气阀顶开进气阀，悬架储气简体充入两侧空气弹簧，刚度增大，阻止车身下移。车身上移时，芯管3 下行，关闭进气阀打开排气阀，空气弹簧内气体经芯管3 上的小孔从1 3 排入大气，悬架刚度下降，阻止车身上移，当进、排气阀都关闭时，车身保持标准高度，悬架刚度不变。二、空气悬架对整车性能的影响( 1 ) 利用一个高度控制系统，使车体在任何载荷下，与地面保持一定的高度，这不仅对载荷变化很大的大客车十分有利，能适应多种结构上的要求，而且提高乘客上下车的方便性。此外，可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦路面上，可降低车身高度，使空气阻力系数为最佳值，从而减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速；在崎岖不平的路面上，可提高车身高度以通过障碍物：( 2 ) 空气弹簧的刚度是随载荷改变的，空载、满载时静挠度几乎不变，因而在任何载荷下，空气弹簧悬架系统振动频率几乎不变，可按照要求选择不同的气囊工作高度来获取理想的固有频率，使汽车具有良好的行驶平顺性。且空气弹簧的刚度可依靠改变空气的压力来加以选择，而与载荷无关。因此可根据需要将刚度选择得很低，因而适用的车型范围广；( 3 ) 空气悬架质量轻，弹簧刚度小，高速行驶时，轮胎与地面的附着能力强，制动距离短；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，7从而提高了整车的操纵稳定性；( 4 )空气弹簧具有非线性的特性，可以将它的载荷曲线( 载荷一挠度曲线)设计成理想的形状，最理想的形状是“s ”形，如图卜6 所示，即在曲线的中问区段具有比较低的刚度，而在拉伸和压缩行程的边缘区段刚度逐渐增加，这样可以保证汽车在正常行车范围内运行性能柔软，而在通过沟坎等偶然场合空气弹簧被大幅度拉伸和压缩时，它逐渐变硬，从而限制车体的振幅【2 3 】；图卜6 空气弹簧与钢板弹簧的特性比较( 5 ) 空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量，可取空气压力为信号，控制制动缸内的气压，来控制锖动时的制动力，更好地保证了行驶安全性；( 6 ) 空气弹簧具有高吸振和低噪声性能，能提高汽车零部件的使用寿命。与钢板弹簧相比，空气弹簧对高频振动的具有良好的吸收性能，又由于没有金属相碰和摩擦部分，工作时几乎没有噪声，这对高级旅游车是特别需要的；( 7 ) 在承受剧烈的动载荷时，空气弹簧的使用寿命比钢板弹簧长。1 2 2 电子控制空气悬架系统一主动空气悬架系统结构和原理功能全面的主动空气悬架系统包括高度、转向、速度、加速度等传感器和信号开关、空气压缩机、空气弹簧电磁阀、悬架阻尼调节器、e c u 和系统开关、报警灯、模式开关【1 8 l 【5 3 1 。( 1 ) 高度传感器和转向传感器此两种传感器均为遮光盘式光电转换装置，可分别将车轮跳动量、跳动速度和转向盘转动角速度、角度转换成电信号，输送给e c u 。( 2 ) 速度传感器和加速度传感器8前者装在变速器输出端，将转速转换为电信号输送给e c u ，有电磁感应式，光电转换式和霍尔感应式。加速度传感器大多装在驾驶员座椅下，靠内装水银开关将加速度转化为电信号。( 3 ) 信号开关制动开关装在制动总缸上，当翎动油压达到设定值时，开关闭合并向e c u输送电信号。门控丌关一般设置驾驶员门控开关和乘客门控开关两个，当车门打开时向e c u 输送电信号。点火开关向e c u 输送发动机运行信号。( 4 ) 空气压缩机活塞连杆机构由1 2 v 直流电机驱动，压缩空气经压缩机上的硅胶干燥器除水后送至空气弹簧管路，压缩机顶部装有常闭式排气电磁阀，当弹簧排气时使用。( 5 ) 空气弹簧电磁阀浚阀装于空气弹簧顶部，串联与空压机与弹簧之间，控制气路的通断，为两位两通常闭电磁阀，由e c u 控制。当弹簧电磁阀通电时，压缩空气充入弹簧，刚度增大，车身提高；当弹簧电磁阀断电时，车身维持标准高度，弹簧气压和刚度不变，当弹簧电磁阀与排气电磁阀通电时，空气弹簧放气，刚度和车高下降。( 6 悬架阻尼调节器安装于减振器顶部，通过受柔软稳固两个继电器控制的直流电机或电磁铁带动减振器可变量孔旋转，实现减振器“柔软”或“稳固”两神阻尼状态，以获得平顺性和操纵稳定性。( 7 ) e c u 和系统开关e c u 多装在行李箱内，将各传感器和开关信号处理后向各执行器输送控制信号，实现车辆高度和减振器阻尼调节。并在系统出现故障时，点亮报警灯，具有自诊功能。系统开关装在e c u 附近，连接蓄电池正极和e c u ，用以进入或退出悬架调节功能。( 8 ) 报警灯打开点火开关，当某个e c u 命令不能再3 m 加之内执行时，表明系统出现故障，仪表盘上报警灯闪烁。( 9 ) 模式开关变速箱手柄旁边或仪表板，分自动运行和稳固状态两个位置。具有以上结构功能全面的主动空气悬架系统是目前最先进的悬架系统，能够根据汽车行驶状态和外界激振的变化自动调节空气弹簧的刚度、减振器的阻尼以及车身高度，在高速、低速、启动、制动、转向等工况下，在各种道路上行驶时，主动悬架均可自适应地改变参数，缓和路面传来的冲击和振动，提高车辆行驶的平顺性和操纵稳定性。本课题所研究的是通过对空气悬架高度的控制而自动调节车身高度和悬9架刚度的主动悬架系统，日p 在不同的负荷、不同的行驶条件下，所设计的e c a s能使汽车保持在一个固定的设计高度，并能抑制车辆侧倾、起步仰头和制动点头。其工作原理是：e c a s 从高度传感器获得高度信号，若检测到的高度信号值低于设定值，悬架e c u 就启动电机带动压缩机运转泵气，并操纵高度控制阀，让压缩空气通过空气干燥器、高度控制阀进入空气弹簧室，弹簧室内压力增加，车身高度提高；当e c u 检测信号值小于设定值时，就使排气阀和高度控制阀丌启，空气弹簧室内的压缩空气通过排气阀和高度控制阀溢出，弹簧室内压力减小，车身高度下降吲。其结构如图1 7 所示，电路图见图l 一8 。1 - 车身高度传感器2 一空气弹簧3 - 空气压缩机4 电控单元5 四路进排气阀6 一车况输入图1 - 7 电子控制空气悬架示意图图】8主动式空气悬架控制系统电路方框图二、主动空气悬架系统的优点与机械式空气悬架系统相比，e c a s 具有以下优点【6 1 ：1 0线( 1 ) 而且可设定多个平衡高度，进一步提高空气悬架的自动控制性能 0 ，式( 2 一1 5 ) 右边第二项比第一项小得多。因此，刚度肠和表压力p d 的关系接近于正比关系，并且当静载荷改变时，系统振动频率变化不大。但若( 相舔) 。 0 ，式( 2 1 5 ) 右边第一项减小，并且系统振动频率的变化可能较大；( 5 ) 由式( 2 7 ) 可知，空气弹簧的刚度不仅与静平衡位置时压力和容积有关，还与空气弹簧的有效面积变化率及有效体积变化率有关。有效面积的变化率和有效体积变化率对刚度和频率的大小起着决定作用，应尽量加以控制，往往需要结构型式来确定空气弹簧的有效面积及有效面积的变化率和有效体积变化率”。基于以上分析可知弹簧刚度是一个随载荷变化而改变的变量，弹簧弹力，与其位移s 不成线性关系，因此不能直接用分析线性系统常用的频率响应函数或传递函数等方法来描述空气弹簧悬架系统的振动特性。2 1 2 空气弹簧特性曲线分析图2 2 为某客车厂8 9 米客车( 文中所用参数均为同一车辆参数，整车结构和参数见附图5 一l 、附图5 2 和附表5 - 1 ) 以车速v = 2 0 删在c 级路面上行驶时，在工作气压下其前、后空气弹簧的绝对弹力一位移曲线图( 气体多变指数m = 1 3 0 ) 。图2 2 空气弹簧的绝对弹力位移曲线在工作气压下，空气弹簧的绝对弹力f 总是向上的，即为正值。但是相对于静平衡位置的弹力只来说，却有时为正，有时为负，即相对弹力f 有正、负之分。空气弹簧处在静平衡位置之下位移( 压缩) 时相对弹力为正，方向向上：当其处在静平衡位置之上位移( 拉伸) 时相对弹力为负，方向向下。相对弹力对簧载质量体而言，即为一种使其产生振动的恢复力，其值等于绝对弹力减去静平衡位置的弹力唧，即f = f r令s 、趣分别为前、后弹簧的相对位移，只、e 分别为前、后弹簧的相对弹力。根据图2 1 ，通过取点法可得到弹簧在不同位移时的相对弹力，表2 。1 中所列即为前、后空气弹簧在工作气压下的相对位移及对应的相对弹力数据。表 1前、后空气弹簧的位移一相对弹力数据前空气弹簧后空气弹簧相对位移& ( m m ) 相对弹力( k n )相对位移( m m )相对弹力疋( k n )9 0一8 9 1 3 29 0一7 9 1 7 48 0一8 1 9 0 68 07 3 0 6 77 0一7 4 2 8 57 0一6 6 5 5 76 06 6 1 5 26 05 9 5 2 95 0一5 7 3 8 95 05 1 8 6 74 0一4 7 8 7 94 0- 4 3 4 5 51 63 0一37 5 0 23 03 4 1 7 72 02 6 1 4 22 0一2 3 9 2 01 01 3 6 8 11 01 2 5 6 60ooo1 01 5 0 1 81 01 3 8 9 32 03 1 4 9 22 02 ，9 2 2 83 04 9 5 3 93 04 6 1 2 2_ 4 06 9 2 7 74 06 4 6 9 05 09 0 8 2 45 08 5 0 4 76 01 1 4 3 06 01 0 7 3 1静平衡位置绝对弹力为1 4 3 7 2 k n静平衡位置绝对弹力为16 9 8 7 k n采用最小二乘法意义下的多项式拟合法，运用m a t l a b 软件对表2 1 中参数进行拟合，得出以下f ( 缸) 的函数关系式：觚= 口l 血卜啦厶+ 吗血i( 2 - 1 6 )蝇= 6 l 厶；+ 6 2 血；+ 玩血2( 2 1 7 )2 2 空气悬架振动系统线性与非线性模型的建立预测汽车的振动响应，首先应该建立一个尽可能反映真实系统的数学模型。模型选择时考虑因素的全面与否同预测结果的精度有很大关系。建立理论模型的一般法则：把系统刚度较大的某一部分看作是具有集中质量的刚体，而把刚体较小的那一部分当作弹性连接元件，然后将这些刚体和连接元件组合起来，就形成一个机械振动体系。通常认为理论模型的自由度数目越多，它就越接近真实的物理结构。但多自由度系统的计算要求测定的有关参数就多，在车辆设计阶段许多参数并不能准确测定，会给计算结果带来误差。另外就研究汽车平顺性而言，由路面不平激起的各种振动成分的作用也有大小和主次之分。在试验的基础上得知车身地板左右数值就很小，对平顺性影响不到3 f 7 】。通常在研究平顺性时，着重于车辆垂直平面内的运动，暂时忽略汽车的侧向运动。2 2 1 线性空气弹簧悬架系统模型空气弹簧的弹力与位移不成线性关系，在建立线性空气悬架模型，首先将空气弹簧弹力进行线性化，这里所采用的方法是将非线性函数在工作点附近展开成泰勒级数，只保留线性项。因为忽略泰勒级数展开式中的高阶项，与其工作条件仅仅有微小偏差【1 0 】。分别将蚯、帆在她= o 、厶，= o 处泰勒展开，并去掉高次项得1 7媚= 吒厶( 2 - 1 8 )e = 岛血2( 2 1 9 )则前、后空气弹簧的动态刚度分别为k = d e d ( 厶。) = d ( e 只o ) d ( s 1 ) = d ( 曩) d ( 厶i )( 2 2 0 )丘! = ( 幔d ( ，2 ) = d ( e e o ) d ( 屯) = d ( e ) d ( s 2 )( 2 2 1 )其中墨、k ：分别为前、后弹簧刚度；e 、五分别为前、后空气弹簧的绝对弹力；鼻。、分别为前后空气弹簧静平筏位置绝对弹力。令c l = e l 一玛g( 2 2 2 )只2 = 只2 一g( 2 2 3 )其中，e 。、e ：分别为前后轴绝对负荷；c 、只：分别为前后轴相对负荷；令、分别为前、后簧载质量。本文所选车型中，前空气弹簧通过支架坐落在前桥上，所以，e 。= m 。g 。而后空气弹簧通过导向杆与后桥相连，后桥主视图见图2 3 。图2 3 后悬架主视图图中，为吊耳中心到弹簧中心的距离；f 2 为吊耳中心到后桥中心的距离。由力矩平衡可得，后空气弹簧= 等峨g 由前悬架结构可知，前悬架刚度就等于前弹簧刚度出图2 3 可知，在后悬架中蝇：= 告幔8即毛= 墨( 2 2 4 )( 2 2 5 )血。：孕血：z l( 2 2 6 )式中厶。：为后轴处车身质量相对位移量。由式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 可得：女z 刊( 峨：) m ( 蝇z ) 2 唼) 2 d ( 峨( 厶z ) = ( 丢) 2 k z( 2 - 2 7 )式中k 为后悬架刚度。本文所建模型中，汽车的悬架( 车身) 质量为肛，它由车身、车架及其上的总成所构成，该质量通过质心的横轴y 的转动惯量为j 。，悬架质量通过减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连接。车轮、车轴构成的非悬架( 车轮) 质量为m 1 和m 2 。车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承在不平的路面上。由于研究对象对称于其纵轴线，假定左、右车辙的不平度函数相同，此时汽车车身只有垂直振动和俯仰振动，这两个自由度的振动对平顺性影响最大。因为轮胎的阻尼较小，我们将其忽略。作用于模型的外力为由于地面不平度引起的激励【2 引。因假设汽车对称于其纵轴线，且左、右车辙的不平度函数x ( i ) = y ( i ) ，此时汽车车身只有垂直互和俯仰角m ，则根据汽车动力学知识删，l ，2 车辆空气弹簧悬架可简化为以下具有4 个自由度的模型，如图2 4 所示。乃l弓l彩硅一互l幔i ，。图2 4 线性空气弹簧1 ，2 车辆模型根据牛顿第二定律可得出以下运动微分方程组1 9jz ，j 乞叮2m ，z t = 一c ( z 1 一z 。+ 口中) 一七i ( z l z 。+ d ) 一七矿( z ，一目- )珊。z ：= 一c ：( z 2 一z 。一6 中) 一七2 ( z 2 一z 。一6 中) 一七”( z2 一g2 )m c 乙= 一。1 ( z c 日中一z i ) 一。：( z c + 6 巾一z2 ) 一女【( z r 一盘巾一z 1 )( 2 2 8 )一是! ( z 。+ 6 m z 2 ) 中= 日c ，( z a 一口。一z 一) 一6 cz ( z c + 6 巾一zz ) + 口尼l ( z 。一日中一z 1 )一6 七2 ( z 。+ 6 0 z 2 )式中：m ，为簧载质量；巾为俯仰角位移；啊、为前、后非簧载质量：，为转动惯量：口、6 为质心到前、后轴的水平距离；c l 、c ：为前、后悬架系统的等效阻尼：毛、t ：为线性化后的空气悬架刚度；、墨，为前、后轮胎的等效刚度：乏、2 。、宝。质心垂直位移、速度和加速度；z ，、之、尘。和z ：、2 ：、之：为分别为前、后轴非簧载质量垂直位移、速度和加速度；吼、g ：为路面对前、后轮的激励。通过选取状态变量，并将式( 2 。2 4 ) 和( 2 2 7 ) 代入，则式( 2 2 8 ) 可写为如下状态方程的形式蚓【驯：j z 2 删+ 曰( 2 - 2 9 )i j ，= c r式中b =x=状态变量选取如下：墨= z 。一日巾一z jx 1 = z ：+ 确一z 2x 产z cx 。= 龟x 产z 1五= z 27 = 9 1 一z i五= 如一z 2口一6口c l 一6 c 2m 口2 c l + 6 2 c 2j ，n c m -6 c m ooo0o100c 2m ：6 c 2j ：0c 2m 2o一10oo0生om k ，肼2oo2 2 2 非线性空气弹簧悬架系统模型如考虑到空气弹簧的非线性特性，在建立悬架振动系统模型时，采取将空气弹簧的非线性恢复力直接代入系统进行振动分析，则建立非线性空气弹簧悬架系统模型。车身模型建立的假设条件同上节所述，则空气悬架系统非线性化模型可简化为图2 5 所示。，。玉丝旦以上码。q 。一m一丝一一也立蔓。n ，甲亨：。审。峥：制割。案：。旦坂些以玉。1j一吼吼，ll iu1j墨匕e。，li iyr1llj0oooooooo0oo00o0o1010loo。，l=c鼠如厶豇凡局凡oo0o0o0l00ooo01o乃l置l口1li蟛。jz 。j 乞9 2图2 5非线性空气弹簧1 ，2 车辆模型根据牛顿第二定律可得出以下二阶非线性运动微分方程组，竹，z ，= 一c ，( z 一z c + 口西) 一( f ，一m 盯) 一七矿( z - 一g ，)，竹z zz = 一cz ( z ，一z c 一6 中) 一( e ：一肘。，) 一七”( z2 一g2 )胁z 。= 咱( z c 一口中一z 1 ) 咱( z f + 6 中一z2 ) + ( 只t m 矿) ( 2 3 0 )+ ( 只，一m 。，)山m = 口c ，( 乙口西一z ，) 一6 c ：( z c + 6 中一zz ) 一口( 只一m 。r )+ 6 ( f z m 。，)将式( 2 - 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 代入式( 2 3 0 ) ，则研t z ，= 一c ，( z - 一z c + d 中) 一只t 一七，( z - 一g )m2 乏2 一c2 ( j j t _ 6 7 ) 一- z 一岛：( z2 _ 9 2 )( 2 捌)m c z 。= 一c l ( z c 一口中一z 。) 一c ，( 厶+ 6 西一z ：) + 巴 + c 2 西= 口c ，( z c 一盘中一z ) 一6 cz ( 乙+ 6 中一z ：) 一日e l + 6 e 2由式( 2 1 7 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 得峨：= 岛唼) 4 3 + 6 2 寺3 缄：2 + 岛喹) 2 蝇：1 1hf 由前述可知蝇。= 觚，根据式( 2 一1 6 ) ，可得c l = 口l 砖l + 口2 s ；+ q l( 2 3 2 )( 2 3 3 )将式( 2 3 2 ) 和( 2 3 3 ) 代入式( 2 3 1 ) ，并选取同上节所述相同状态变量则微分方程组可写成如下形式：，f、，lx 、一q x 。一x l2 = 3 + 6 d 一爿6耻击h 计姒