（车辆工程专业论文）多行驶工况下客车ecas控制策略研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 悬架是车辆系统中的关键部件，它起到传递和衰减路面振动的作用，在 改善车辆的行驶平顺性和操纵稳定性方面占据关键的角色。随着人们对乘坐 舒适性要求的提高，空气悬架迅速发展起来。传统的空气悬架采用机械高度 阀，即通过高度阀的开启调节空气弹簧气囊的充放气，响应速度较慢，响应 精度较低。随着传感器技术和主动控制技术的发展，电子控制系统逐渐取代 传统的机械控制系统，大大提高了操作精度和反应灵敏度。 在电子控制空气悬架( e l e c t r i cc o n t r o l l e da i rs u s p e n s i o n ，e c a s ) 的研究领 域中，控制策略的研究一直都是一个热点。本文根据悬架系统的结构复杂性、 实时变化性，结合模糊控制不依赖系统精确模型的特点，设计模糊控制器对 空气悬架进行控制，旨在提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。 首先，进行空气弹簧充放气研究，得到了空气弹簧刚度、高度与电磁阀 开闭时间的相互关系，并且拟合空气弹簧刚度、高度与充、放气时间的关系 曲线，为空气悬架控制系统的设计提供依据。 其次，根据牛顿力学原理和状态空间理论，建立空气悬架二自由度1 4 车辆模型和八自由度整车模型。通过实车试验结果与仿真结果的对比，验证 模型的正确性，为后面悬架控制系统的设计建立基础。 再次，设计空气悬架控制系统，对于八自由度整车模型，分别建立直线 行驶、转向行驶、加速制动行驶三种典型工况下的模糊控制策略，并在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真。仿真结果表明这些控制策略能够有 效的改善车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性。 i 江苏大学硕士学位论文 最后，在所搭建的1 4 车辆空气悬架实验台上进行试验，试验结果表明 施加模糊控制以后，车身质心处垂直方向振动加速度值得到了明显降低，乘 坐舒适性得到提高。 关键词：电控空气悬架，模糊控制，车身加速度，仿真，试验 l l 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t s u s p e n s i o ni st h ek e yc o m p o n e n to ft h ev e h i c l es y s t e m ，i tc a nt r a n s f e ra n d w e a k e nt h er o a dv i b r a t i o n i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i ni m p r o v i n gt h er i d i n g c o m f o r ta n d h a n d l i n gs t a b i l i t y w i t h t h e i n c r e a s i n g o f p e o p l e s c o m f o r t r e q u i r e m e n t s ，a i rs u s p e n s i o n h a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l y t r a d i t i o n a l a i r s u s p e n s i o ni sc o n t r o l l e dw i t ham e c h a n i c a lh e i g h tv a l v e ，i tm e a n st h ea i rb a g f i l l i n ga n dd e f l a t i n gg a st h r o u g ha d j u s t i n gt h eh e i g h tv a l v eo p e n i n ga n dc l o s i n g ， b u tt h er e s p o n s ei sv e r ys l o wa n dt h er e s p o n s ea c c u r a c yi sl o w w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h es e n s o rt e c h n o l o g ya n da c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c c o m r o ls y s t e mr e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lc o n t r o ls y s t e mg r a d u a l l y , t h i s g r e a t l yi m p r o v e dt h eo p e r a t i o na c c u r a c ya n dr e s p o n s i v e n e s s i nt h ef i e l do fe l e c t r o n i cc o n t r o la i rs u s p e n s i o n ，t h e r ei sn od o u b tt h a tt h e s t u d yo fa c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi sah o ts p o t i nt h ep a p e raf u z z yc o n t r o l l e rw a s d e s i g n e dt oc o n t r o lt h ea i rs u s p e n s i o n ，b e c a u s et h es u s p e n s i o ns y s t e mh a v ea c o m p l e xs t r u c t u r ea n di t sc h a r a c t e ri st i m e l yv a r y , w h i l ef u z z yc o n t r o ld o e sn o t d e p e n do na na c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e l t h ea i mi s t oi m p r o v i n gt h ed d i n g c o m f o r ta n dh a n d l i n gs t a b i l i t yo fv e h i c l e f i r s t l y , r e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea i rs p r i n gs t i f f n e s s 、h e i g h ta n d s o l e n o i dv a l v eo p e n i n g 、c l o s i n gt i m et h r o u g ha i rs u s p e n s i o nf i l l i n ga n dd e f l a t i n g g a se x p e r i m e n t f i tt h e i rr e l a t i o n s h i p sc u r v e s p r o v i d eab a s i sf o rt h ef o l l o w i n g a i rs u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m d e s i g n i i i 江苏大学硕士学位论文 s e c o n d l gb u i l dt w od e g r e e sf r e e d o mv e h i c l em o d e la n de i g h td e g r e e s f r e e d o mv e h i c l em o d e l ，b a s eo nn e w t o n sm e c h a n i c st h e o r ya n ds t a t es p a c e t h e o r y t h e n ，p r o p o s e de v a l u a t i o n sf o rv e h i c l ep e r f o r m a n c e t h e s ew o r k sm a k e a f o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gs u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h i r d l y , d e s i g n e dt h ea i rs u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a sf o rt h ee i g h td e g r e e s f r e e d o mv e h i c l em o d e l ，d e s i g n e dc o n t r o ls t r a t e g i e su n d e rt h r e ek i n d so ft y p i c a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ：d r i v i n gi nl i n e 、s t e e r i n g 、a c c e l e r a t e b r a k ed r i v i n g c a r r yo u t t h es i m u l a t i o na n a l y s i si nt 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 t h ea n a l y s i s r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ev e h i c l e r i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n gs t a b i l i t y f i n a ll y , c o n d u c tt h ea i r s u s p e n s i o n t e s tb e n c he x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t i n d i c a t et h ev e h i c l ev i b r a t i o na c c e l e r a t i o ni sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya f t e ra p p l y i n g f u z z yc o n t r o l ，t h ef i d ec o m f o r t w a si m p r o v d s t r o n g l y k e yw o r d 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 r s u s p e n s i o n ，f u z z yc o n t r o l ，b o d y a c c e r a t i o n ， s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t i v 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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密阢 学位论文作者签名：朱长年 指导教师签名： 2 0 1 0 年厶月夕日2 0 1 0 ：f 手6 月l 佣 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，均己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： 匙茂筝 曰期：2 0 1 0 年一绸7 扫 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们出行的频率大大提高，城市之间的 客运交流急速膨胀，客车无疑起到了举足轻重的作用，因此研究客车的先进技术、开发高 性能的客车是汽车领域的热点。 汽车悬架是汽车中弹性地连接车架与车轴的装置。它一般由弹性元件、减振器、导向 机构等三部分组成，此外，还铺设有缓冲块和横向稳定器【1 1 。悬架的主要任务是缓和由不 平路面传给车架的冲击，以提高车辆的行驶平顺性。传统客车悬架的弹性元件和阻尼元件 参数是不可调的，所以减振效果不是很好，乘客长时间乘坐这种客车，往往颠簸的很累， 舒适性较差。随着客车结构和功能的不断改进和完善，研究客车振动，设计新型悬架电控 系统，将振动控制到最低水平是提高现代客车品质的重要方面。目前，客车悬架系统已迎 来了利用电子控制器进行控制的时代。运用较优的控制方法，得到高性能的减振效果，使 能耗尽可能的低，是客车悬架系统发展的主要方向。 在汽车的可靠性和排放性日益受到重视的今天，车辆的使用寿命和舒适性等问题同样 受到人们的关注。空气悬架因其优越的性能逐渐得到了人们的青睐，我国高速公路的迅速 发展以及对高性能客货车的需求同样加速了空气悬架的广泛应用。e c a s 能够更好的衰减 振动，具有良好的舒适性，在安全性上，由于有电子系统的介入，e c a s 的极限控带i 。力 要优于普通悬架【2 8 l ：在高速转弯时，行车电脑控制外侧车轮的空气弹簧刚度自动变硬， 以减小车身的侧倾；在紧急制动时，电子模块也会对前轮的空气弹簧刚度进行加强以减小 车身的惯性前倾。e c a s 系统还将传统的底盘升降技术融入其中：车辆高速行驶时，车身 高度会自动降低，从而提高贴地性能，确保良好的高速行驶稳定性；而当汽车需要慢速通 过颠簸路面时，车身高度能够自动升高，以提高通过性能。e c a s 除了具有车辆升降功能 外还有侧倾功能，此功能是用于城市公交车的专用功能，当车辆到站时，车门一侧的空气 气囊放气，车门的高度可自动降低，便于婴儿车、轮椅车的上下，方便老、幼年乘客和残 障人士乘车。相比以高度阀为主要部件的传统空气悬架，e c a s 在很多方面都更有优势： 由于采用大截面进( 出) 气口的电磁阀而使所有升降过程变得更加迅速；车辆正常行驶振动 过程中的空气消耗更少；可以用诊断软件和检测设备进行故障诊断，便于售后维修检测。 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外空气悬架的发展历史 空气弹簧在欧美等发达国家已经有7 0 多年的发展历史，它发明于1 9 世纪中期，早期 主要用于机械系统的隔振【9 】o 二十世纪五十年代，空气弹簧开始应用在轿车、大客车、载 货汽车及轨道车辆上。1 9 4 7 年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧。1 9 5 8 年，通用汽车 公司某一牵引车悬架装配了空气弹簧。到六十年代，德国、美国等工业发达国家生产的大 部分公共汽车中都装了空气弹簧悬架，具体体现在：1 9 6 1 年，德国开始在大多数公共汽车 上使用空气弹簧，到1 9 6 4 年，德国生产的5 5 种大中型客车悬架中有3 8 种使用了空气弹 簧。1 9 6 4 年，美国生产的2 5 种公共汽车悬架中有2 3 种使用了空气弹簧。此后，英国、法 国、意大利及同本等发达国家相继对空气弹簧作了大量的研究工作。目前，国外豪华汽车悬 架上已经广泛采用空气弹簧，空气弹簧在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的使用率也超过8 0 ，如美国的f o r d ，德国的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、三菱等都装有空气弹簧悬架。同 时部分高级轿车悬架上也选装空气弹簧，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 、德 国大众a u d ia 8 以及日本丰田凌志l 4 0 0 等【1 0 1 。在一些特种车辆( 如对防振性能要求较高的 仪表车、救护车及要求带高度调节的集装箱运输车) 上，空气悬架几乎是唯一选择【】。目 前汽车工业发达国家已形成几大空气弹簧悬架和空气弹簧零部件生产厂家，如美国的 n e w a y 、r i d e w e u 、f k e s t o n e 、g o o d y e a r 和德国的s a f 、b p w 及c o n t i t e c h 等。 国外关于空气弹簧悬架的研究理论很多：j r e v a n s 等人研究了空气弹簧在火车上 的应用，并在1 9 7 0 年建立了空气弹簧垂直动态模型，进行了空气弹簧垂直特性试验【1 2 】。 k a t s u y ay o y o f u k u 等人研究了振动频率和弹簧响应之间的关系，分析了管路、气室对弹簧特 性的影响【1 3 】。j o h nw o o d r o o f f e 通过试验比较了分别装有空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的重 型载货汽车路面附着性和行驶平顺性的不同f 1 4 1 。a l f h o m e y e r 等人优化了空气弹簧结构，提 出空气弹簧设计新思想【1 5 】。 空气悬架在我国的应用落后于国外几十年，直到近几年，随着高档客车技术的引进以 及人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架在 我国才逐步发展起来。目前，我国空气悬架的应用主要集中在高等级的客车上【蚓，但受多 方面因素的影响，空气悬架的配置率还很低，基本上属于“导入 阶段。国内数量相对较 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，一汽客车和东风杭汽等 规模较大的客车及底盘厂家。经过近几年的发展，我国已经能够生产优质的空气弹簧部件， 以此为支撑，我国部分汽车厂家已经开始设计适合中国道路状况和车辆实际条件的空气弹 江苏大学硕士学位论文 簧产品，并且选装国内的优秀部件以降低成本。如郑州宇通公司成立的郑州百特零部件公 司，就是自己设计匹配，分散采购。2 0 0 2 年，宇通公司本部生产空气悬架客车2 3 5 辆，除 “猛狮 系列需从德国进口底盘外，其它车型的空气悬架部件基本上都是国内厂家生产制 造的。近几年，我国的公路条件有了大大的改善，为空气悬架汽车的使用创造了基本条件。 国内各高校、研究所、汽车厂对空气悬架技术也做了很多研究。如东风汽车研究所研 究了混合式空气弹簧悬架【1 7 1 ，交通部重庆公路科学研究所对空气悬架导向机构以及装配空 气悬架的客车的性能进行了研究【1 8 1 。吉林大学、上海交通大学、武汉理工大学等国内高校 都通过空气悬架的台架试验对空气弹簧系统的动特性进行过研究【1 2 1 ，并研究了空气弹簧 的多种主动控制策略。四方车辆研究所的张广世采用有限元分析法研究了空气弹簧的帘线 角、帘线层数、帘线的弹性模量等参数对空气弹簧弹性特性的影响【3 3 】。 1 3 车用空气悬架发展趋势 国际上汽车悬架的发展经历了“钢板弹簧悬架一钢板气囊复合式悬架一被动空气悬架 一电子控制空气悬架 的变化过程。随着电子控制技术的发展，车辆电控系统也得到了空 前的发展，电子控制终将取代传统的机械控制【3 4 1 ，e c a s 这种先进的悬架系统将成为汽车 悬架的一个发展方向。 我国高速公路的迅速发展、运输量的大幅度增加以及对高性能客车的强烈需求，都对 汽车的操纵稳定性、行驶平顺性、安全性提出更高的要求，为此，国家有关部门一直在大 力推动、引导商用车辆使用空气悬架。比如，制定和实施道路车辆外廓尺寸、轴荷及质 量限值以及营运客车类型划分及等级评定等文件。国家政策的推动，不仅加快了客 车技术的升级，而且也为空气悬架带来了广阔的市场前景。据调查，以往主要是高二级和 高三级客车配备空气悬架，因此早在2 0 0 1 年，国内空气悬架研发刚刚起步时，国内仅有 西安沃尔沃、金华尼奥普兰、安徽凯斯鲍尔等豪华客车配备空气悬架。甚至在2 0 0 6 年， 也仅有几千辆高二级及高三级客车配备空气悬架。2 0 0 7 年交通部颁布营运客车类型划分 及等级评定，规定高一级客车也要配备空气悬架【3 5 】。交通部的规定，为空气悬架市场带 来巨大商机。交通部道路运输业发展规划纲要明确指出，2 0 1 0 年，全国营运客车总量 将达到2 2 0 万辆，高级客车占2 5 以上。照此推算，2 0 1 0 年，公路客车用空气悬架的市场 规模有望达到1 2 5 亿元。加上低地板公交车的需求，预计这一市场的规模将达到2 0 0 亿元 左右。根据国家“十五 规划要求，载货汽车的重点是发展重型载货汽车。而随着重型汽 车对路面破坏机理的研究认识的进一步加深，国家对高速公路养护的重视，这就使空气悬 架在重型载货汽车上的应用也进一步扩大。可以预见，在将来的若干年内，载货汽车也将 江苏大学硕士学位论文 会成为空气悬架市场的支撑点。此外，在乘用车领域，目前，奔驰、宝马等高端品牌的部 分车型已采用空气悬架。与普通车辆的悬架相比，高档轿车的悬架是由减振器和空气弹簧 组合而成的。虽然目前市场份额很小，但乘用车采用空气悬架是将来的发展趋势，也是空 气弹簧的潜在市场。 由此可见，不管是在商用车市场还是在乘用车市场，空气悬架的发展潜力都是巨大的， 因此研究空气悬架的相关技术是意义重大的。 1 4e c a s 控制策略研究状况 目l i 应用于悬架控制系统的控制理论比较多，主要有天棚控制、最优控制、预测控制、 模糊控制、自适应控制、神经网络控制以及复合控制等。概括而言，半主动悬架控制方式 已经由基于精确数学模型的传统控制方法逐渐转换到基于不确定模型的现代控制【3 6 。7 】。 1 、) 天棚控制 1 9 7 4 年，美国学者k a m o p p 等提出了天棚阻尼控制思想。原理是在车身上安装一个与 车身振动速度成正比的阻尼器，可以完全防止车身与悬架系统产生共振，达到衰减振动的 目的。在天棚控制方式中，控制力取决于车体的绝对速度的反馈，不需要很多传感器也不 需要复杂的数学模型，可靠性较好。但是天棚阻尼是理论上的理想状态。k a m o p p 为实现“天 棚控制思想又提出了开关阻尼的概念。原理是根据控制信号调节阻尼器阻尼的“软”、“硬” 设置，进而调整阻尼力的大小。浙江大学的翁迪望研究了天棚阻尼控制和基于天棚阻尼控 制思想的o n o f f 控n ，表明这两种控制方法都能在合理的轮胎动载荷和悬架动行程的前 提下提高车辆的乘坐舒适性【3 8 】。 2 ) 最优控制 车辆上常用的最优控制方法有线性最优控制、h 。最优控制等。线性最优控制理论是早 期经典控制理论的代表，经过了理论和实践的考验，是目前比较成熟和完善的半主动悬架 控制理论。湖南大学的许昭应用最优控制理论进行了车辆半主动悬架的l q g ( l i n e a r q u a d r a t i cg a u s s i a n ) 控制器的设计，改善了行驶平顺性和操纵稳定性0 9 1 。吉林大学徐研也将 最优控制策略应用于装配电液比例阀液压缸的液压主动悬架系统，并进行了仿真，仿真分 析表明基于最优控制的液压主动悬架系统在车辆乘坐舒适性和操纵稳定性方面的性能都 有很大的提高i 柏】。吉林大学于树友利用预测控制的滚动优化思想，把当前时刻系统的状态 当作系统的初态，在每个优化时刻都求解带约束的l m i 优化问题，充分协调了约束和提高 性能之间的矛盾【4 1 】。 3 1 预测控制 4 江苏大学硕士学位论文 预测控制方法提出的时间比较早，工作原理是预先确定前方路面的信息，并利用这一 信息和车辆当时行驶信息来决定控制行为。由于预测控制是利用车辆前轮的扰动信息来预 估路面的干扰输入，将车辆i j 轮悬架的状态参数值反馈给控制器进行控制，因此，控制系 统有一定的时间来采取措施。然而信息的获得来自前轮，因此要求系统对信息处理速度以 及控制器的响应速度要求较高。鉴于此，目前最优预测控制多采用超声波传感器等测量仪 器对车辆前方道路的实际情况进行采集，成本相对较高。此外由于预测距离是一定的，因 此预测提前时间取决于车速，这样必然导致时变性，对系统产生复杂的影响。1 9 8 4 年日产 公司研制的声纳式半主动悬架，它能通过声纳装置预测前方路面信息，及时调整悬架减振 器的状态。西华大学的李琼将预测控制应用子半主动悬架，达到了提高平顺性的目的【4 2 1 。 合肥工业大学的吴勃夫应用预测控制理论，设计了预测控制器，实现了半主动悬架与转向 系统的集成控制【4 3 1 。 4 ) 自适应控制策略 应用于汽车悬架控制系统的自适应控制方法有自校正控制和模型参考自适应控制两 类。自适应控制考虑了车辆系统参数的时变性，通过自动检测系统的参数变化来调节控制 策略，从而使系统实时逼近最优状态。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制 器参数整定相结合的控制方法。自校正控制过程需要在线辨识大量的结构参数，所以导致 计算量大，实时性不好。而模型参考自适应控制涉及路面信息获得的精度问题，精度低时， 可靠性差。另外，当悬挂系统参数由于突然的冲击而在较大的范围内变化时，自适应控制 的鲁棒性将变坏。浙江工业大学的谢伟东研究了自校j 下控制理论在主动悬架中的应用，实 现了主动悬架参数估计自校正控制，提高了车辆的行驶性能【堋。 5 ) 模糊控制与神经网络控制 近年来，基于专家知识和专家经验的模糊控制及神经网络控制逐步成为解决具有非线 性、复杂性和不确定因素系统的有效方法。由子模糊控制和神经网络控制是建立在专家知 识和经验的基础上的，因此人为因素在其中占据着很重要的角色。专家知识在一定程度上 是“主观”的，如果专家知识的集合不能真实或准确地反应车辆的状态，那么此类控制也就 失去了准确性。在车辆悬架控制领域较早应用模糊控制的是y o s h i m u r a 教授，他将模糊控制 方法应用到汽车主动、半主动悬架当中，运用模糊推理选择合适的阻尼力。取得了良好的 效果，并在实车试验中进行了验证。近期中国征神经网络控制方面的研究很多，其中吉林 大学孙巍建立了神经网络控制器，并利用现有的试验数据对控制器进行训练，改善了行驶 平顺性【4 5 1 。 5 江苏大学硕士学位论文 6 1 复合控制 当前应用于汽车悬架振动控制的控制策略很多，但是各种控制策略都有自身无法弥补 的缺陷，解决办法就是将两种甚至多种控制策略相结合，对悬架进行复合控制。常见的复 合控制有：最优预测神经网络、模糊p i d 、模糊神经网络、模糊滑模、神经网络滑模等等。 研究表明，复合控制方法更适用于汽车悬架这种复杂非线性系统，可以预见复合控制方法 将是今后控制策略研究的一个重要方向。南京农业大学的王辉采用自适应神经模糊方法， 对半主动悬架系统进行控制，能够有效地提高行驶平顺性【钢。浙江大学的程杰利用复合控 制的优点，设计了神经网络滑模控制器，与被动悬架相比，基于神经网络的滑模半主动控 制明显改善悬架加速度性能，具有良好的控制效果【轫。 1 ，5 研究目的和意义 目前，我国在汽车悬架系统方面，除了钢板弹簧悬架的设计和应用技术比较成熟以外， 其它的悬架技术的应用绝大部分还处在引进技术，仿制和直接购买产品的阶段。悬架系统 的设计开发落后，主要是因为设计手段落后，虚拟样机分析、动态仿真在企业中的应用还 比较少，没有一套完整的设计评价体系。在国内，谁先掌握了汽车空气悬架的开发技术， 谁就能领先开发出配置空气悬架的成熟车型，也就等于掌握了今后若干年内商用车市场的 先机和主动权。而且，随着我国加入w t o ，我国的汽车行业将受到国外汽车的强烈冲击。 没有领先的技术，国内的汽车公司在将来就难以生存。对我国的汽车行业而言，空气悬架 项目不仅仅是一个难得的商机，更重要的意义在于，空气悬架的广泛使用，可以较快地提 升我国商用车的档次、技术水平和市场竞争力，大大缩短与国外商用车在技术和等级方面 的差距，巩固和扩大国内的商用车在国际市场上的份额。 1 6 研究内容 本课题来源于江苏省科技支撑项目“城市公交( 电动) 客车电子控制空气悬架研制与 开发”，项目编号为( b e 2 0 0 8 1 1 4 ) 。主要研究内容有： 1 ) 阐述国内外车辆空气悬架的发展历史及发展趋势，表明电控空气悬架的巨大发展潜 力，揭示电子控制空气悬架研究的重要意义。 劲进行空气弹簧充放气实验研究，寻找空气弹簧高度、刚度与电磁阀开闭时间的内在 联系，拟合空气弹簧高度、刚度与空气弹簧充放气时间的关系曲线，为下面模糊控制器的 设计提供理论依据。 3 ) 基于牛顿力学定理及车辆系统动力学理论，建立空气悬架力学模型，包括二自由度 6 江苏大学硕士学位论文 模型和八自由度整车模型；结合现代控制状态空间方程理论，构建悬架模型状态方程，并 阐述车辆行驶平顺性和操纵稳定性评价体系，为后续仿真工作做好准备。 4 ) 分别建立车辆二自由度模型和八自由度模型的模糊控制器，并在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下进行在线仿真调试，旨在改善车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。 5 ) 在1 4 车辆空气悬架试验台上进行控制试验，比较控制前后车辆的性能。试验结果 表明施加模糊控制以后，车身垂直加速度值得到了明显降低，乘坐舒适性得到提高。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章空气弹簧充放气特性研究 2 1 空气弹簧的分类 空气弹簧是由帘线层、内外橡胶层或钢丝圈经成型后硫化形成一种挠性体，是利用 充入空气的可压缩性实现弹性功能的一种橡胶元件，是一种非金属弹簧，俗称气囊、气 胎或皮老虎等。 空气弹簧按照结构型式的不同分为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧和混合式空气弹簧 三种类型，如图2 1 所示。 ( a ) 囊式空气弹簧c o ) 膜式空气弹簧( c ) 混合式空气弹簧 图2 1 不同种类的空气弹簧 f i g 2 1d i f f e r e n tt y p e so fa i rs p r i n g 1 ) 囊式空气弹簧的曲囊数通常为1 3 曲囊，为了承受内压张力，各段气囊之间镶有 金属轮缘。囊式空气弹簧有效面积变化率较大，其结构为平面形式，与弹簧有效振幅成 比例。弹簧刚度较大，振动频率也较高。通常采用附加气室减小空气弹簧的刚度，但过 大的附加气室对降低振动频率的效果不显著，设计时附加气室的容积最大不超过原气囊 的3 倍。由于气囊的变形可由各个曲部平均分担，当增加气囊的曲数时，有效直径变化 率就愈小。可见增加气囊曲数会减小囊式空气弹簧的刚度，降低弹簧的振动频率。双曲 囊式空气弹簧可在有限的高度获得较大的弹性变形，是汽车上最适用的囊式空气弹簧。 2 ) 膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之间放置一圆柱形橡胶气囊，通过气囊挠曲 变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧在其正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式小，同 时也可通过改变底座形状的方法，控制其有效面积变化率，以获得比较理想的弹性特性； 此外，其有效面积的变化率也比囊式小。因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下， 也可得到较低的自振频率。根据橡胶气囊止口与接口的连接方式又可分为约束膜式和自 r 江苏大学硕士学位论文 由膜式空气弹簧。约束膜式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封，自由膜式空气弹簧采用 气囊内的压力自封。底座多为深拉钢板成型或轻质铸钢铸造成型，并且表面镀铬处理， 减小气囊与底座之间的摩擦。膜式空气弹簧由于其寿命较长、制造方便、刚度较大，在 火车和客车上得到了广泛的应用。 3 ) 混合式空气弹簧结合了囊式和膜式空气弹簧的特点：上部分与膜式相同，下部分 与囊式相同。 空气弹簧根据联接方式的不同可以分为三大类：一类为固定式法兰联接型，空 气弹簧的两端边缘尺寸和曲囊最大外径相等或略小一些，钻若干个孔后用法兰环和 端板紧固联接；另一类为活套式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸比曲囊最大 外径小得多，无须钻孑l ，用一个特制的法兰环和一个普通端板紧固联接；第三类为 自密封型，不用法兰联接，压入端板，充入压缩空气则自行密封。 2 2 空气弹簧的优点 空气弹簧以其巧妙的结构设计、独特的工作原理，被各行各业广泛采用，它被 安装在火车、汽车、造纸机、振动磨机等需要进行行程控制和减振、隔振的设备上， 以达到力的柔性传递以及减小振幅与振动载荷的目的。空气弹簧之所以被广泛推广 主要是它具有以下优点： 1 ) 固有频率低：作为一种可压缩的减振介质，空气提供了一个非常低的弹性系 数，也就相当于一个非常软的垫子，空气弹簧的固有频率低于3 h z ，可以避免共振。 并且空气弹簧的自振频率基本保持不变，不随载荷的变化而改变。 2 ) 卓越的减振性能：能够高效吸振、减振和隔振，工作噪音小。可实现力的连 续、平稳和柔性传递，气动灵敏度高，可曲挠，可偏转，伸缩自如。 3 ) 使用寿命长：多层次，高强度柔性骨架增强材料，保证高性能安全使用寿命 周期。台架试验表明：目前国内橡胶气囊疲劳试验寿命已经可以达n 6 5 0 万次以上， 比钢板弹簧的1 0 2 0 万次要长很多【4 8 1 。优良的橡胶衬里，保证了一流的动力学特 性。特别的弹簧外层覆盖橡胶，保证了优良的耐磨性和抗老化性能，工作温度范围 最低可达零下5 0 ，最高可达1 0 0 。 4 ) 安装维护容易：重量轻，安装更换方便，操作维护保养简单，不需经常检修。 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 空气弹簧的刚度特性 空气弹簧的刚度具有非线性特性，其刚度可以随气囊压力、辅助气室容积以及底座 形状的变化而改变，因此可根据自己需要将空气弹簧设计成具有理想刚度特性的形式【4 9 】。 车辆悬架装置中最理想的刚度特性像一反“s 形：即在曲线的中间段刚度较低；而在较 歹的伸长和压缩行程时其刚度迅速增加。这样，可以保证车辆在正常行驶时，空气弹簧 的刚度基本保持不变，提高了行驶平顺性；而在急转弯、急加速和制动等行驶工况下， 空气弹簧在大幅度拉伸和压缩时，其刚度迅速增加，从而限制车身的运动，提高了操纵 稳定性。普通金属弹簧的设计参数确定后，其刚度固定不变，其刚度特性曲线为线性， 车辆载荷发生变化时其自振频率变化大，无法保证在任何载荷下都具有较好的行驶平顺 性。若使金属弹簧悬架具有非线性特性，势必导致结构复杂化。图2 2 为金属弹簧和空气 弹簧的刚度动特性对比曲线。从图中可看出：空气弹簧具有可变刚度的特性，在整个工 作范围内空气弹簧的刚度具有非线性特性，区别于金属弹簧的线性刚度特性。但是在正 常行车挠度范围内空气弹簧刚度的非线性特性是不明显的。 ji 动载荷 有效行程 一 正常行车 1 空盎 挠度范圈 钐 钢板! 一 满载 | 多 一哆萝 设 计 委 | 申张 一空竣蚵板弹簧静挠度一 压缩 一空载空气弹簧当量静挠度一 图2 2 金属弹簧和空气弹簧的刚度特性对比 f i g 2 2c o m p a r i s o nb e t w e e n l e a fs p r i n ga n da i rs p r i n g 2 4 空气弹簧充放气试验 2 4 1 试验目的 空气弹簧是空气悬架中刚度可调的弹性原件，且刚度随充放气量的变化而变化【跏5 6 1 。 空气弹簧的高度也会随充放气时间的变化而变化，进行空气弹簧充放气实验，旨在寻找 1 0 江苏大学硕士学位论文 刚度、高度与充放气时间的内在关系，为模糊控制器的设计提供理论基础。 2 4 2 试验设备 1 ) 气源设备：用于产生、处理和贮存一定能量压缩空气的设备。 空压机( 空气压缩机) ：将电能转换为压缩空气的压力能，为气路提供压缩气体。 本次试验选用的空压机的相关参数如表2 1 所示。 ( 客车用) 储气筒：贮存一定量压缩空气。用于贮存制动管路里面空压机来的压缩 空气，给整个制动系统提供足够的工作气压，并将压缩空气中的部分水分凝结聚积于底 部，通过自动放水阀排入大气。 表2 1 主要试验设备参数 t a b 2 1m a i nt e s te q u i p m e n t sp a r a m e t e r s 分类参数内容 空气压缩机 空气弹簧 电磁阀总成 型号 功率 额定转速 排气量 排气压力 生产厂 型号 工作高度 固自频率 极限负荷 工作压力 生产厂家 型号 动作方式 型式 使用电压范围 功率 t 作温度 w - 0 9 1 2 5 7 k w 2 9 0 0 r r a i n 0 9 0 m a m i n 1 2 5 m p a 上海捷豹压缩机制造有限公司 6 4 4n 2 2 5 2 9 5 m m 1 2 5 1 4 5 h z 2 9 0 0 k g o 3 0 7 m p a 德国c o a t i t e c h 公司 2 w 系列 先导式 常断式 。一1 0 v 1 5 w 5 8 0 江苏大学硕士学位论文 2 ) 空气弹簧：空气弹簧是整个实验系统的核心部件，本试验以德国c o n t i t e c h 公司生 产的自由膜式6 4 4 n 空气弹簧为试验对象。6 4 4 n 型空气弹簧参数如表2 1 所示。 3 ) 电磁阀：控制空气弹簧的充气和放气，试验选择美国瓦博克公司生产的一款电磁 阀，所选电磁阀参数如表2 1 所示。 4 、) 传感器及转换元件、压力变送器及二次仪表：显示空气弹簧内部气压；保护空气弹 簧，防止内压过高损坏气囊。 5 ) 激振头：采集空气弹簧的位移和所受载荷两种信号。 2 4 3 试验过程及结果分析 1 ) 通过加载装置对空气弹簧进行缓慢加载，也可以以正弦模式或者随机信号的模式 进行缓慢加载。 2 ) 在定载情况下，对空气弹簧进行充气，充气量的多少可以以充气时间来衡量。 3 ) 充气实验结束后，进行放气实验，放气量的多少也以放气时间来衡量。 4 ) 在充气、放气实验过程中，时刻监测空气弹簧位移、气压、时间等测量量的变化， 并做好记录。 经过数据相互换算，可得到空气弹簧充气和放气时，刚度与充放气时间的相互关系。 各项数据如表2 2 、2 3 所示【5 7 1 。 表2 2 充气时间与刚度和高度的关系 t a b 2 2r e a l a t i o n s h i po fa i ri n l e ta n da i rs p r i n gd y n a m i cs t i f f n e s s 表2 3 放气时间与刚度和高度的关系 t a b 2 3r e a l a t i o n s h i po fa i re x h a u s tt i m ea n da i rs p r i n gd y n a m i cs t i f f n e s s 1 2 江苏大学硕士学位论文 对表2 2 和2 3 数据进行曲线拟合，得到充( 放) 气时间冈度，充( 放) 气时间高 度以及刚度与高度之间的关系。如图2 3 所示： 喜 蚕 趟 甚 撤 教 扩 悄 e e 赵 挺 报 教 f 州 充气时间( s ) ( a ) 弹簧刚度与充气时间的关系曲线图 3 2 0 3 0 0 邑2 魁 臻2 6 0 教 旷2 4 0 纠 2 2 0 2 0 0 1 012 充气时闽( 3 ) 萋 堑 蒙 蒂 制 e e 越 妲 撤 教 矿 州 放气时间( s ) 嘞弹簧刚度与放气时间的关系曲线图 30123 放气时间( s ) ( c ) 弹簧高度与充气时间的关系曲线图( d ) 弹簧高度与放气时间的关系曲线图 6 01 7 01 8 01 9 02 0 02 1 0 空气弹簧刚度( k n m ) e e 螂 恒 撤 教 f 甜 空气弹簧刚度( k n m ) ( e ) 充气时弹簧高度与刚度的关系曲线图瞅气时弹簧高度与刚度的关系曲线图 图2 3 空气弹簧充放气试验 f i g 2 3a i rs p r i n gi n l e t t i n ga n de x h a u s t i n ge x p e r i m e n t 1 3 江苏大学硕士学位论文 充( 放) 气时间。刚度，充( 放) 气时间高度以及充放气时刚度与高度之间的二次拟 合函数分别是： 刚度与充气时间的关系函数为： k = 0 8 4 0 1 1 2 + 1 2 2 7 5 4 t + 1 6 8 0 3 3 8 ( 2 1 ) 刚度与放气时间的关系函数为： k = 1 7 2 0 2 t 2 1 5 4 9 2 1 1 + 2 1 4 9 0 1 7( 2 2 ) 高度与充气时间的关系函数为： h = - 3 2 6 5 7 t 2 + “3 8 0 2 t + 2 1 3 9 3 5 2( 2 3 ) 高度与放气时间的关系函数为： h = 一1 6 1 6 1 1 2 1 5 4 0 7 1 t + 3 3 4 3 1 9 8( 2 4 ) 充气时，高度与与刚度的关系函数为： h = 一0 。0 2 1 6 k 2 + 1 0 5 0 1 8 k 一9 3 7 6 1 2 6( 2 5 ) 放气时，高度与与刚度的关系函数为： 好：一0 0 1 3 9 k 2 + 7 ，2 d 9 9 k 一5 7 4 9 0 2 5( 2 6 ) 通过分析试验数据分析可知： 1 ) 空气弹簧的刚度随充( 放) 气时间增大( 减小) 而增大( 减小) ， 的线性关系。 2 ) 空气弹簧的高度随充( 放) 气时间增大( 减小) 而增大( 减小) ， 度的线性关系。 具有一定程度 且具有一定程 3 ) 空气弹簧充放气时，高度和刚度变化趋势基本一致，充气时，高度升高，刚度变 大；放气时，高度减小，刚度减小，具有一定程度的线性关系。 2 5 本章小结 本章首先对空气弹簧的分类和特点进行了介绍，然后进行了空气弹簧充、放气特性 试验，获取了空气弹簧刚度、高度与充放气电磁阀开关时间的关系曲线，同时对曲线进 行拟合，得到空气弹簧刚度、高度与充放气时间的关系函数，为建立空气悬架控制系统 设计提供了依据。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章空气悬架系统模型的建立 模型是对现实存在的实体的抽象和简化，模型提供了系统的蓝图，模型过滤非本质 的细节信息，抽象出问题的本质，使问题更容易理解。建模的实质是利用物理参数描述