电动汽车主动悬架设计CAD图纸UG三维模型及计算说明
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：
编号：200719620
类型：共享资源
大小：34.95MB
格式：ZIP
上传时间：2022-03-05
上传人：qq77****057
认证信息
个人认证
李**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
39
积分
- 关 键 词：
-
电动汽车
主动
悬架
设计
CAD
图纸
UG
三维
模型
计算
说明
- 资源描述：
-
电动汽车主动悬架设计CAD图纸UG三维模型及计算说明,电动汽车,主动,悬架,设计,CAD,图纸,UG,三维,模型,计算,说明
- 内容简介：
-
附件12018届毕业设计（论文）中期检查总结表（学生）姓 名学 院机械与汽车工程学院专 业学 号题 目电动汽车主动悬架设计课题类型设计类毕业设计（论文）选题情况针对一款电动轿车的1/4悬架系统的主动式结构进行创新设计，利用三维CAD软件建立三维装配模型，基于ADAMS软件建立动力学仿真模型，模拟分析其工作特性，并对其主要参数进行优化。简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果：开题以来，首先对主动悬架的国内国际现状与趋势进行分析，对比现有各类悬架系统结构，并分析出各自的优缺；。确定本次设计的主要涉及方案，计算悬架相关参数，包括悬架系统的阻尼调节机构、车身高度调节机构、悬架刚度调节机构，进行必要的校核；完成英文文档的摘要和翻译；利用UG软件画出三维装配图，并撰写设计文本。下一步的主要任务及进度安排：接下来，首先把主动悬架的三维装配模型进行修整和完善；用ADAMS对悬架建立装配文件，并进行单轮轮跳运动仿真，模拟并分析悬架系统的工作特性；对部分参数进行优化；利用AUTO CAD软件绘制两张零件图以及一张装配图；在导师指导下，对论文正文、工程装配图、零件图等进行修改，并准备毕业答辩。指导教师对该生前期工作的评价与意见： 签章： 年 月 日注：1课题类型指设计型课题、实验研究型课题、论文型课题；2总结表由学生填写，经指导教师确认签章后统一交各学院存档保留。毕业设计（论文）材料之二（2）本科毕业设计(论文)开题报告题目： 电动汽车主动悬架设计课 题 类 型： 设计 实验研究 论文学 生 姓 名：学号： 专 业 班 级：学院：指 导 教 师：开 题 时 间：2017 年 3 月 13 日2017 年 3 月 13日一、本课题的研究意义、研究现状和发展趋势1.研究意义随着现代电动汽车的飞速发展，人们对电动汽车的乘坐舒适性、安全可靠性的要求也越来越高，传统的被动悬架已很难满足这些要求。主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动灯信号，由电子控制单元控制悬架执行机构，改变使悬架系统的刚度、减震器阻尼力及车身高度等参数，使悬架系统始终处于最佳减振状态，从而提高车辆的乘坐舒适性、操作稳定性、通过性等综合性能。本课题对提高电动汽车悬架系统的设计质量、稳定性和可靠性具有重要意义。通过对本课题的研究训练，培养学生综合运用所学基础理论、基本知识和专业知识解决生产实际问题的能力；使学生熟练运用相关软件进行工程设计与分析、建立工艺文件；培养学生综合运用知识的能力以及探求未知、开拓创新的科学精神和从事工程实践的基本能力。2.研究现状2.1 国外电动汽车主动悬架的发展现状世界各国的汽车行业目前都将主动、半主动悬架列为重要的研究目标之一。早在1982年,Lotus公司就研制出有源主动悬架系统,瑞典Volvo公司在其车上安装了实验性的Lotus主动悬架系统。丰田汽车公司1986年的Soarer车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架。1989年丰田Celica车型上装置了真正意义上的主动油气悬架系统。尼桑公司在90年的InfiniteQ45轿车上也装备了液压主动悬架。此外,保时捷,福特,奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自开发的主动悬架系统。在国外，应用于电动汽车的主动悬架研究主要集中在两个方面：可靠性；执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转化为实际应用。2.2 我国电动汽车主动悬架的发展现状2012年，我国累计发布60多项电动汽车相关标准，涉及电动汽车及动力电池安全、能耗消耗量测量、充电接口及通信协议等多个领域，为实现电动汽车规模产业化，尤其是纯电驱动汽车销量达到同类车型总销量1% 左右的重要门槛提供了重要的科技支撑。 电动车虽然也是汽车，但是和现有的内燃机汽车有着很大的区别，尤其是微型电动车，电池技术只是其中一部分，其他的关键零部件依然需要突破，比如悬架系统。而主动悬架中的作动器具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能，故而适合在电动汽车上使用。目前，悬架系统正经历着“非独立”向“独立”的过度，同时也经历着“被动”向“主动”的过度。由于独立悬架和主动悬架的先天优越性得到越来越多的重视。在微型电动汽车悬架的设计过程中由于整车结构参数的限制，各总成也必须趋于小型化。决定整车舒适性、安全性和稳定性等性能的悬架系统也必须趋于小型化，同时还要保证强度结构和性能的前提下尽量达到轻量化。当前国内生产的车辆大都采用被动悬架，主动、半主动悬架尚未普及，研究工作仍是在控制悬架系统的优化算法、理论分析和计算机仿真模拟阶段。近年来，国内许多大型汽车生产商研发了可以自适应改变悬架刚度和阻尼的半主动及主动悬架系统，但在控制方法的改进和提高系统的稳定性及成本效益的改善等方面仍然有许多工作要做。尽管中国电动汽车的发展已处于世界较为领先的水平，但在电动汽车上应用主动悬架的研究相较于国外的起步要晚，且由于目前主动悬架的集成度和成本方面的原因，主要还是用于排量较大的高级汽车。随着电动汽车和悬架技术的发展，主动悬架系统也将随之得到不断的发展和应用。我相信，将会不断有成本低廉、集成度高并且质量优越的主动悬架产品出现，在不久的将来，主动悬架系统也不再是高级汽车的专利，电动汽车上也将越来越多地使用主动悬架系统。3.发展趋势关于电动汽车悬架方面的发展趋势，虽然目前主动控制悬架系统已应用于实车,但其市场普及依然存在很大困难,这主要有两个方面的原因:一是成本太高;二是能量消耗过大。为解决上述问题,应着重进行两方面的研究: 1 对主动悬架、转向、驱动和防抱死等系统进行联合控制。联合控制涉及到车辆动力学的各个方面和环节,需要对车辆的全部状态和控制目标作总体考虑和最优的权衡策略。而大规模联合控制系统的实现,不仅使系统对传感器、油压源、控制器共同利用,以降低成本和车身质量,还可防止各种控制间的干扰，将使汽车的动态性能和可靠性得到更大的改善。 2 由于主动悬架需要消耗发动机的一部分功率,因此如何减少系统的功率消耗,也是一个值得研究的问题。从理论和实验两个方面研究了可吸收、存储振动能量,并用于悬架控制的新型系统。该系统由能量转换器、能量管理设备、能量储存单元以及控制和测量设备构成。在需要消耗悬架振动能量的时候,将能量储存起来；在需要向系统输入能量时再将其释放到系统中。考虑到车辆节能的重大意义,对悬架系统能量转换及再利用的原理和机构的研究，也将成为今后主动悬架技术的一个重要发展趋势。3 用于测定各参数的传感器精度、安装便捷性、成本、抗干扰能力、使用寿命以及悬架系统本身的使用寿命仍需改善和提高。4 另外，由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，元器件较多，从而降低了悬架的可靠性，所以，加大元器件的响应速度以及集成度，也是一个不可逾越的发展趋势。总体来看，悬架建模的合理化、控制策略的复杂化和控制过程的实用化成为现代主动悬架研究的一大趋势，这些研究一定程度上丰富了汽车悬架系统的控制理论，有力地推动了主动悬架在汽车工业的应用进程。二、主要研究内容本课题任务为设计一款电动轿车的1/4主动悬架系统结构。主要内容包括：1. 对现有的各类悬架系统结构进行比较分析对目前常用的被动悬架和主动悬架的结构和优缺点进行简单比较，并由此分析出在电动汽车上应用主动悬架的好处和优势。2. 确定悬架系统的规格和尺寸参数确定主动悬架的类型，根据要求设计减震器和悬架阻尼系统及其他机构部件的规格及尺寸参数，并结合悬架系统在电动汽车中的实际应用进行验算。3. 建立1/4悬架的三维模型结合汽车悬架的实际情况，学习并运用运动学和动力学及汽车构造、汽车设计等相关理论，对汽车悬架系统进行简化分析，建立1/4主动悬架的三维模型。1/4主动悬架系统4. 建立动力学仿真模型根据建立的主动悬架系统的三维模型，在ADAMS仿真软件上建立电动汽车主动悬架的仿真模型，模拟并分析其减震系统的工作特性。5. 仿真结果分析对模拟仿真的结果进行分析，并结合主动悬架的实际情况对主要参数进行优化。三、研究方案及工作计划1.主动悬架的结构和工作原理主动悬架是在被动悬架系统（弹性元件、减振器、导向机构）中附加一个可控制作用力装置。它通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。主动悬架系统主要可分为空气悬架、液压悬架和多连杆式悬架。 主动空气悬架工作原理：用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送给弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。通过汽车电脑和驾驶员模式的选择来控制空气弹簧气囊的充气量，进而能控制车身的高度及阻尼的大小。在前轮和后轮的附近设有车高传感器，按车高传感器的输出信号，微机判断出车辆高度，再控制压缩机和排气阀，使弹簧压缩或伸长，从而控制车辆高度。在减振器内设有电动机，电动机受微机的信号控制。利用电动机可以改变通气孔的大小，从而改变了衰减力的大小。其工作原理图见图：主动液压悬架结构：电子控制液压式主动悬架系统由动力源、压力控制阀、液压缸、传感器、控制器（悬架控制ECU）等组成，如图所示：工作原理：作为动力源的液压泵产生压力油，供给各轮的液压缸，使其独立工作。当汽车转向发生侧倾时，汽车外侧车轮液压缸的油压升高，内侧车轮液压缸的油压降低，优雅信号被传送至ECU,ECU根据此信号来控制车身的侧倾。由于在车身上分别装有上下、前后、左右等高精度的加速传感器，这些传感信号送入ECU并经分析后，对油压进行调节，可使转向时的侧倾最小。同理，在汽车紧急制动、急加速或在恶劣路面上行驶时，液压控制系统对相应液压缸的油压进行控制，使车身姿势变化最小。根据对空气悬架、液压悬架的比较，两者的共同性能是能为高速行驶的车辆提供足够的稳定性，当车辆在崎岖的路面上行驶时能够增加车辆的通过性。但是空气式结构复杂，制造成本和维护保养的成本高昂，实用性低。而液压式悬架早已在实车上投入了试用，较为成熟，故本次设计主要采用液压式主动悬架。2.研究方案2.1 实体建模在计算机上利用AUTO CAD、UG等工具，进行主动悬架的建模。2.2 运动仿真利用 ADAMS 软件对主动悬架的模型进行动力学仿真，目的是模拟分析出其减震系统的工作特性。2.3 优化设计通过对主动悬架运动过程的模拟分析得到了相关曲线，表征了主动悬架的运动信息，通过这些曲线可以找到零部件设计的缺陷，进而进行优化设计。3.工作重点悬架系统零部件的参数确定；悬架的实体建模；用ADAMS软件进行运动仿真。4.工作难点运用CAD软件的实体建模和运用ADAMS软件进行运动仿真。5.拟采用的途径去图书馆查阅CAD和ADAMS软件的相关资料；上网查找学习关于两个软件的相关视频；请教指导老师。6.工作计划课题名称电动汽车主动悬架的设计学生姓名孔瑞学号3140104303班级车辆143班起止日期（日/月）周次内 容 进 程完成情况补救措施26/25/31收集资料，熟悉课题已完成5/312/32查阅资料、摘录、翻译、剪辑、整理，撰写开题报告已完成12/319/33完成开题报告，并准备开题答辩已完成19/326/34总体方案设计、分析已完成26/32/45车身高度调节机构的分析与计算已完成2/49/46悬架阻尼调节机构的分析与计算已完成9/423/478悬架刚度调节机构的分析与计算已完成23/47/5910三维模型的创建、装配及修改完善已完成7/514/511在ADAMS/CAR中建立仿真模型已完成14/521/512仿真并分析其运动特性已完成21/528/513撰写正文、使用CAD画出二维工程图已完成28/54/614正文格式的修改及清单的完善已完成4/611/615二维图的修改、标注已完成11/618/616提交给导师进行审阅、修改，准备答辩已完成18/625/617进行最终修改，提交总稿已完成四、参考文献1 段俊法,陈思忠.越野车辆悬架系统的评价研究J.北京汽车,2006.(2):1821.2 张炳力.汽车设计M.合肥：合肥工业大学出版社.2010.6.3 陈家瑞.汽车构造M.北京：机械工业出版社.2009.2.4 王国丽,顾亮,孙逢春.车辆主动悬架技术的现状和发展趋势J.兵工学报，2000年S1期.5 方子帆,陈永清等.汽车半主动悬架系统的关键技术及研究进展J.三峡大学学报,2005,2(1):4651.6 陈文源.汽车主动悬架减振控制技术D.中国科学技术大学，2010.5.7 付涛,王大镇,弓清忠,祁丽等.车辆主动悬架优化设计与仿真分析J.汽车技术,2016,(6):254257.8 梁经芝,马国新.电液主动悬架的自校正控制J.汽车工程,2005,27(2):209211.9 管成,朱善安.液压主动悬架的非线性自适应控制J.汽车工程,2004,26(6):691695.10赵景波,倪彰,贝绍轶,冯俊萍.电动汽车阻尼可调减震器多模式控制切换研究J.西南大学学报,2017,39(6):158162.11Gao H J,James Lam,Wang C H.Multi-objective control of vehicle active suspension systemsvia load-dependent controllersJ.Journal of Sound and Vibration (S0022-460X),2006,290(5):654675.12韩锋钢，陈云，吴金镇.一种道路自适应液压主动悬架P.中华人民共和国国家知识产权局.2014：36.13刘白雁,陈奎生.阀控非对称缸电液系统的模型跟随自适应控制J.湖北工学院学报.2002年02期.14MortezaMontazeri-Gh&Mahdi Soleymani.Active suspension system in Parallel hybrid electric vehicles.J.International Journal of Engineering Science,20085:97104.15余东满,王笛,李晓静.基于ADAMS/CAR的麦弗逊前悬架仿真分析及优化J.制造业自动化.2015,37(2):7072.16乔长胜,李耀刚.基于CATIA与ADAMS微型电动汽车前悬架优化设计J.河北工业大学学报.2014,43(1):4044. 五、指导教师意见（签名）年 月 日电动汽车主动悬架设计摘 要悬架是电动汽车的重要部件之一，随着悬架系统的不断发展，其结构形式也逐渐多样化。近些年，随着人们对汽车乘坐舒适性和操作稳定性要求的提升，传统悬架已难以满足需求。于是，主动悬架在短时间内得到了快速的发展，并逐步应用于一些高级轿车、大型运输车辆及军用载具上。本课题通过分析不同悬架的特点，并结合实际应用中出现的问题，选定液压式主动悬架为本课题的主要研究对象。主要研究内容为：悬架刚度调节机构、悬架阻尼调节机构及车身高度调节机构；通过三维CAD软件进行建模；使用ADAMS软件对悬架系统进行运动仿真并优化部分参数。主动悬架的出现解决了传统悬架无法同时兼顾乘坐舒适性和行驶平顺性这一矛盾。此外，液压式主动悬架还有着反应速度快、使用寿命长等优点。因此，本课题除了对提高电动汽车悬架系统的设计质量、稳定性和可靠性具有重要意义外，还培养了学生综合运用所学基础理论、基本知识和专业知识解决实际问题的能力。关键词：主动悬架；电动汽车；液压系统；三维CAD软件；ADAMSActive Suspension Design of Electric VehiclesAbstractSuspension is one of the important components of electric vehicles. With the continuous development of the suspension system, its structure has gradually diversified. In recent years, with the increase in the requirements for vehicle car comfort and operational stability, traditional suspensions have been unable to meet the needs. As a result, the active suspension has developed rapidly in a short period of time, and has gradually been applied to some limousines, large transport vehicles, and military vehicles.This subject selects the hydraulic active suspension as the main research object of by analyzing the characteristics of different suspensions and combining with the problems in practical use. The main research contents are: suspension stiffness adjustment mechanism, suspensiondamping adjustment mechanism and body height adjustment mechanism; three-dimensional modeling by UG software; motion simulation of the suspension system using ADAMS software and optimization of some parameters.The appearance of the active suspension solves the contradiction that the traditional suspension cannot take both vehicle car comfort and operational stability into consideration. In addition, the hydraulic active suspension has the advantages of fast response and long service life. Therefore, in addition to the importance of improving the design quality, stability, and reliability of the electric vehicle suspension system, the subject also cultivates the ability of students to comprehensively apply basic theories, basic knowledge, and professional knowledge to solve practical problems.Keywords: active suspension; electric vehicle; hydraulic system;3D software;ADAMS目 录引言- 1 -第1章 绪 论- 2 -1.1 汽车悬架系统简介- 2 -1.1.1 悬架的功能- 2 -1.1.2 悬架的分类- 2 -1.2 国内、外电动汽车主动悬架系统的研究现状和发展趋势- 4 -1.2.1 国外研究现状- 4 -1.2.2 国内研究现状- 4 -1.2.3 国内外的发展趋势- 4 -1.3 本课题的研究目的与意义- 5 -1.4 本课题的研究内容- 6 -1.5 本章小节- 6 -第2章 主动悬架类型的选择- 7 -2.1 两种电控式主动悬架的比较- 7 -2.2 液压系统方案确定- 8 -2.3 悬架的性能要求- 8 -2.4 液压式主动悬架的工作原理- 9 -2.5 液压系统的设计特点- 9 -2.5 本章小节- 10 -第3章 车身高度调节机构设计- 11 -3.1 车身高度调节系统设计- 11 -3.2 液压缸参数的确定- 12 -3.2.1 供油压力的选取- 12 -3.2.2 液压缸的基本规格参数确定- 12 -3.2.3 液压缸外形尺寸的计算和强度校核- 14 -3.3 液压泵的选取- 16 -3.3.1 液压泵的种类及特点- 16 -3.3.2 液压泵的参数选取- 16 -3.4 电动机的选择- 17 -3.5 传感器的种类和选择- 18 -3.6 本章小节- 18 -第4章 悬架阻尼调节机构设计- 19 -4.1 悬架阻尼的自动调节- 19 -4.2 确定节流阀阻尼孔- 20 -4.2.1 阻尼孔的流量特性公式- 20 -4.2.2 阻尼孔半径的的计算- 21 -4.2.3 压差变化对流量稳定性的影响- 21 -4.2.4 油温变化对流量稳定性的影响- 22 -4.3 节流阀- 22 -4.4 溢流阀的选择- 23 -4.5 三位四通电磁换向阀的选择- 24 -4.6 本章小节- 24 -第5章 悬架刚度调节机构设计- 25 -5.1 悬架刚度调节机构的结构和工作原理- 25 -5.2 空气压缩机的选择- 25 -5.3 蓄能器的选择- 26 -5.4 悬架系统的三维装配模型的建立- 27 -5.5 本章小节- 28 -第6章 基于软件的仿真分析与优化- 29 -6.1 在ADAMS中建立简化模型- 29 -6.1.1 ADAMS软件的简介- 29 -6.1.2 生成悬架系统模型- 29 -6.2 在ADAMS软件中进行轮跳仿真- 30 -6.2.1 基本参数设置- 30 -6.2.2 轮跳行程和制动力的设置- 31 -6.2.3 仿真结果分析- 31 -6.3 参数的优化- 33 -6.3.1 主销内倾角的优化曲线- 33 -6.3.2 主销后倾角的优化曲线- 33 -6.4 本章小结- 34 -结论与展望- 35 -致 谢- 36 -参考文献- 37 -附录B 主要参考文献摘录- 39 -插图清单图1-1悬架的类型- 3 -图2-1空气式悬架- 7 -图2-2液压式悬架- 8 -图2-3液压式主动悬架工作原理图- 9 -图2-4液压伺服控制系统原理图- 10 -图3-1车身高度控制原理图- 11 -图3-2液压缸三维模型- 16 -图3-3液压泵三维模型- 17 -图4-1阻尼调节控制系统原理图- 19 -图4-2扇形齿轮旋转方向和位置- 20 -图4-3阻尼孔流量特性曲线- 21 -图4-4节流阀结构图- 22 -图4-5节流阀三维模型- 23 -图4-6溢流阀三维模型- 23 -图5-1悬架刚度调节机构系统图- 25 -图5-2蓄能器三维模型- 27 -图5-3液压式悬架系统三维装配模型- 28 -图6-1硬点坐标的输入- 29 -图6-2坐标系的建立- 29 -图6-3部件的建立- 30 -图6-4基本参数设置- 30 -图6-5跳动行程设置- 31 -图6-6制动力设置- 31 -图6-7主销内倾角特性曲线- 31 -图6-8主销后倾角特性曲线- 32 -图6-9车轮外倾角特性曲线- 32 -图6-10优化后硬点坐标- 33 -图6-11主销内倾角优化曲线- 33 -图6-12主销后倾角优化曲线- 34 -VII表格清单表3-1基本参数- 12 -表3-2液压缸往复速度比推荐值- 13 -IX引言悬架是电动汽车上的重要总成之一，它的主要任务是传递作用在车轮和车架的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，悬架系统性能的将优劣直接影响电动汽车乘坐舒适性和操纵稳定性。根据悬架工作原理不同可主要分为被动悬架、半主动悬架以及主动悬架三种，但随着电动汽车的不断发展，人们对乘坐舒适性和操纵稳定性的要求越来越高，传统的被动悬架已难以满足需求，主动悬架便应运而生。自主动悬架的概念提出以来，许多国家对车辆悬架及其振动控制系统的研究和开发进行了大量的理论和试验研究。主动悬架系统需要通过附加的作用力来实现性能的改善，作用力的产生一般通过液压系统、气压系统或者电磁系统来完成。目前，液压系统和气压系统依然是主动悬架系统作用力的主要产生方式。相较于液压系统，气压系统和电磁系统造价昂贵，维修保养困难，且零部件寿命不高。据统计，国内外应用主动悬架的车辆及军用载具，有70%以上都采用液压系统。国内在上世纪八十年代末也展开了对主动悬架及半主动悬架的研究，但与国外想比，还存在一定差距。随着相关学科技术的发展，研究和开发高性能的悬架系统及其振动控制系统正在逐渐成为现实。- 1 -第1章 绪 论1.1 汽车悬架系统简介是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。 汽车悬架又可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架（或车身）连接。当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆动，故称为非独立悬架。独立悬架的结构特点是车桥做成断开的，每一侧的车轮可以单独的通过弹性悬架与车架（或车身）连接，两侧车轮可以单独跳动，互不影响，故称为独立悬架1。 1.1.1 悬架的功能悬架是现代汽车上的重要总成之一。它把悬梁（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车行驶的平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力2。1.1.2 悬架的分类按悬架工作原理不同可主要分为被动悬架、半主动悬架以及主动悬架三种。如图1-1所示。1. 被动悬架目前在汽车上普遍采用的悬架，仍多为被动悬架。被动悬架概念是在1934年由Olley提出的。 通常，被动悬架主要由弹簧、减震器等组成。主要功能是减弱由来自路面的冲击力，衰减由冲击力引起的承载系统的振动。其中，弹簧的主要作用是减小冲击力，减震器的主要作用是衰减震动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为被动悬架3。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但因为其参数固定，所以局限性较大。主要表现在：在汽车行驶过程中，悬架的参数是固定的，不能随路况做出相应的变化，只能针对某种特定工况，对固定参数进行优化；且被动悬架的元件仅对局部的相对运动做出响应，限制了悬架参数的取值范围。研究表明在人体共振频率附近，振动的不适主要是由弹簧的刚度决定，而在非簧载质量共振频率附近，阻尼力起决定性作用。减小悬架刚度后对改善乘坐舒适性有利，但对改善轮胎的动载荷不利，故在被动悬架设计中需要针对这些矛盾因素选择折衷方案。由于存在这种本质性的矛盾问题，故而被动悬架难以实现乘坐舒适性和操纵稳定性的完美结合。所以在这种情况下智能悬架系统应运而生了，基于电子控制的智能悬架系统主动悬架、半主动悬架，得到了迅速发展，并逐渐在乘用车上应用。2. 主动悬架主动悬架的思想诞生于1955年，由GM公司的FederspielLabrosse提出，并最先应用到雪铁龙车型上。1965年，Rockwell与Kimica探讨了伺服机械做主动动力吸振器的原理，为车辆主动悬架控制系统的设计提供了理论指导。这种悬架可以根据汽车的行驶条件（车辆的行驶状态和路面状况等）自适应调节其自身的系统刚度和阻尼特性，使悬架系统始终处于最佳减振状态。主动悬架系统目前常见的实现形式有两种，一种是当前使用较多，通常称作并联式的主动悬架。它是在被动悬架的基础上增加一个驱动器，由于只需在被动悬架的基础上补充部分能量，所以能量消耗较小。当主动悬架出现故障时，该系统仍能按被动悬架方式工作。另一种系统是独立式的，这种悬架系统中簧载质量和非簧载质量之间完全由作动器连接，并由作动器吸收和补充全部能量，该悬架系统的机械结构简单，但消耗的能量多4。3. 半主动悬架半主动悬架的概念于1937年由D.A.Crosby和D.c.Karnopp首次提出。半主动悬架系统的构造与主动悬架类似，它利用弹性元件和阻尼器并列支撑簧载质量。不同之处是半主动悬架系统中可控阻尼器代替了主动悬架的主动力作动器。通常，由于悬架的弹性元件需承载车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制比实施阻尼控制困难的多，所以对半主动悬架的研究目前大多数都只限于阻尼控制，它可提供介于主动悬架和被动悬架之间的性能。半主动悬架除了需要少量能量驱动电磁阀外，并不需要外加动力源，代表了提高性能和设计简单的折衷5。图1-1悬架的类型1.2 国内、外电动汽车主动悬架系统的研究现状和发展趋势1.2.1 国外研究现状世界各国的汽车行业目前都将主动、半主动悬架列为重要的研究目标之一。早在1982年,Lotus公司就研制出有源主动悬架系统,瑞典Volvo公司在其车上安装了实验性的Lotus主动悬架系统。丰田汽车公司1986年的Soarer车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架。1989年丰田Celica车型上装置了真正意义上的主动油气悬架系统。尼桑公司在90年的InfiniteQ45轿车上也装备了液压主动悬架。此外,保时捷,福特,奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自开发的主动悬架系统。在军用车辆方面，由于越野和高速行驶的需要，所以使用主动悬架的愿望更为迫切。英国早在二十世纪七十年代，就在“蝎”式轻型坦克上实验了AP液压件公司研制的液力机械主动悬架系统。Lotus公司与美国陆军坦克自动车司令部和大陆汽车公司联合组成小组在1992年10月把一种简化的主动悬架装置安装在轮式车辆上，最大限度地提高了车辆在崎岖不平路面上上的行驶速度。应用于电动汽车的主动悬架研究主要集中在两个方面：一个是作动器，另一个则是控制策略。作动器是实现控制目标的重要环节，因此对作动器的研究也是主动悬架研究的重要内容。为保证主动悬架的良好性能，作动器必须具有灵敏、可靠、能耗低、成本和总量低等特点。目前，在主动悬架应用的作动器主要是伺服阀控制的液压结构。例如Lotus公司开发的主动悬架通过控制液压缸活塞两侧的压力差，推动活塞跟踪车身运动。日产公司则开发了蓄能式减震器，它将蓄能器和液压缸结合起来，使路面不平度引起的振动被蓄能器吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而耗能有所降低4。1.2.2 国内研究现状当前国内生产的车辆大都采用被动悬架，主动、半主动悬架尚未普及。相较于国外而言，国内对电动汽车的研究起步较晚，同时，对主动悬架的研究也非常少，研究工作主要处于理论研究与仿真以及可行性试验阶段，相应的试验验证比较少，还没有进入产品研制开发阶段。北京理工大学的章一鸣教授较早地开展了主动悬架的理论及试验研究，主要根据路面的统计特征来调节悬架阻尼，具体方法是：先由微机对路面的统计特征进行估计，以确定路面激励的功率谱结构，求得最优阻尼，然后又微机发出指令将悬架阻尼调到最优值，实现减震目的。中南工业大学刘少军以高速开关阀作为控制器件，使得整套悬架系统的造价较低。在正弦路面的干扰下，系统具有很好的控制效果，但其动态特性较差。尽管国内的相关研究起步晚，但随着近年来随着相关学科和高新技术的迅猛发展，特别是高性价比微处理器的普及，使得研究实用的主动悬架振动控制系统成为可能。1.2.3 国内外的发展趋势虽然目前主动控制悬架系统已应用于实车,但其市场普及依然存在很大困难,这主要有两个方面的原因:一是成本太高;二是能量消耗过大。为解决上述问题,未来的发展趋势可能为四个方面: 1 对主动悬架、转向、驱动和防抱死等系统进行联合控制。联合控制涉及到车辆动力学的各个方面和环节,需要对车辆的全部状态和控制目标作总体考虑和最优的权衡策略。而大规模联合控制系统的实现,不仅使系统对传感器、油压源、控制器共同利用,以降低成本和车身质量,还可防止各种控制间的干扰，将使汽车的动态性能和可靠性得到更大的改善4。 2 由于主动悬架需要消耗发动机的一部分功率,因此如何减少系统的功率消耗,也是一个值得研究的问题。从理论和实验两个方面研究了可吸收、存储振动能量,并用于悬架控制的新型系统。该系统由能量转换器、能量管理设备、能量储存单元以及控制和测量设备构成。在需要消耗悬架振动能量的时候,将能量储存起来；在需要向系统输入能量时再将其释放到系统中。考虑到车辆节能的重大意义,对悬架系统能量转换及再利用的原理和机构的研究，也将成为今后主动悬架技术的一个重要发展趋势6。3 用于测定各参数的传感器精度、安装便捷性、成本、抗干扰能力、使用寿命以及悬架系统本身的使用寿命仍需改善和提高。4 此外，由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，元器件较多，从而降低了悬架的可靠性，所以，加大元器件的响应速度以及集成度，也是一个不可逾越的发展趋势。总体来看，悬架建模的合理化、控制策略的复杂化和控制过程的实用化成为现代主动悬架研究的一大趋势，这些研究一定程度上丰富了汽车悬架系统的控制理论，有力地推动了主动悬架在汽车工业的应用进程，使主动悬架由理论研究转化为实际应用。1.3 本课题的研究目的与意义 悬架系统性能的优劣直接影响到电动汽车的乘坐舒适性和操纵安全性。传统的被动悬架由于其参数固定从根本上造成了两者的矛盾，主动悬架作为最先进的悬架系统，能根据实时工况，主动及时地调整和产生悬架所需控制力，使悬架处于最优的减振状态，从而达到两者的完美结合。主动悬架拥有自身的能源，并以一个力的发生器取代了传统被动悬架中的减振器，采用电液伺服阀作为悬架系统中液压作动器的控制阀，通过液压系统的设计，结合ECU（电子控制单元）的控制功能，实现对汽车车身高度的自动调节，阻尼及刚度的自动调节。本课题对提高电动汽车悬架系统的设计质量、稳定性和可靠性具有重要意义。通过对本课题的研究训练，培养学生综合运用所学基础理论、基本知识和专业知识解决生产实际问题的能力；使学生熟练运用相关软件进行工程设计与分析、建立工艺文件；培养学生综合运用知识的能力以及探求未知、开拓创新的科学精神和从事工程实践的基本能力。1.4 本课题的研究内容设计一套电动汽车主动悬架系统。所设计的悬架系统能根据电动汽车的行驶状况和路况进行悬架刚度和阻尼力调节、车身高度的调节。主要内容包括：确定主动悬架的类型，根据要求设计减震器和悬架阻尼系统及其他机构部件的规格及尺寸参数，并根据悬架系统在电动汽车中的实际应用进行验算；结合汽车悬架的实际情况，学习并运用运动学和动力学及汽车构造、汽车设计等相关理论，对汽车悬架系统进行简化分析，建立1/4主动悬架的三维装配模型；随后在ADAMS仿真软件上建立电动汽车主动悬架的仿真模型，模拟并分析其减震系统的工作特性；最后对模拟仿真的结果进行分析，并结合主动悬架的实际情况对主要参数进行优化。1.5 本章小节本章主要介绍了悬架的功能和基本分类，以及目前国内外悬架系统的发展现状和未来的发展趋势。明确了本次设计任务的目标、意义和主要的研究内容。第2章 主动悬架类型的选择主动悬架是近十几年发展起来的、由微机控制的一种全新的悬架。它汇集了力学和电子学的技术知识，是一种结构复杂的高新技术装置。比如，法国雪铁龙桑蒂雅就采用了主动悬架，该车悬架系统的中枢是一个微电脑，悬架上的5种传感器分别向微电脑传送行驶速度、轮胎制动压力、油门踏板的踏动速度、垂直方向上车身的振幅及频率、转向角度及速度等数据。微电脑不断将这些数据与预先设定的临界值进行比较，调整悬架的工作状态。同时，微电脑独立控制每一个车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化（实际是密度的变化），从而能在任何时候都能使车轮处于最合适的运动状态，以便实现最佳的乘坐舒适性和行驶平顺性。2.1 两种电控式主动悬架的比较电子控制悬架系统按悬架系统的结构可分为：电控空气式悬架系统、电控液压式悬架系统。电控空气式悬架系统能够根据本身的负载、行驶状态和路况等，主动调节包括悬架系统的阻尼力、汽车车身高度和弹性元件的刚度在内的多项参数，采用气压结构来控制车身平衡，并且空气弹簧和减震器能抵消大部份路面传递的短波和长波震动。该系统由空气压缩机、空气干燥器、储气筒、流量控制电磁阀等组成。电控空气悬架工作原理就：利用空气压缩机对自由空气进行压缩，并将压缩空气送到弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。此外，在每个轮胎的附近都装有车身高度传感器，按传感器的输出信号，微机判断出车身高度的变化，再控制压缩机和排气阀，使弹簧压缩或伸长，从而起到减振的效果7。如图2-1所示。图2-1空气式悬架电控主动式液压悬架系统的控制形式是较先进的形式，它采用一种有源方式来抑制路面对车身的冲击力及车身倾斜力。它既能使电动汽车具有良好的乘坐舒适性，又能使其保证良好的操纵稳定性。目前乘用车上采用的电液控制悬架系统基本上具有三个功能：一是可以调节车身高度，不管车辆的负载如何变化（规定范围内），都能将车身高度保持在一定范围，有效降低了汽车在转向时的侧倾；当车辆在崎岖不平的道路上行驶时，可提高车身高度，以增加通过性；当车辆高速行驶时，又可以降低车身高度，以减小风阻并提高其操纵稳定性。二是可以调节车辆衰减力，当车辆急转弯、急加速和紧急制动时可以抑制车辆姿势变化（减小俯仰角、后仰角、侧倾角），以提高车辆的操作稳定性7。三是具有控制悬架系统减振力和弹性元件的弹性或刚性系数的功能，利用弹性元件或刚度系数的变化，控制车辆起步时的姿势。该系统由液压源、压力控制阀、液压悬架缸、传感器、ECU等组成。如图2-2所示。图2-2液压式悬架2.2 液压系统方案确定对比空气式悬架系统和液压式悬架系统，两者的共同性能是可以为高速行驶的车辆提供足够的稳定性、行驶平顺性以及乘坐舒适性，当车辆在崎岖不平的路面上行驶时，可以增高车身高度从而提升其通过性。但电控主动空气悬架的缺点也很明显，制造成本高昂、系统的维护和保养较为困难，且寿命较液压式悬架短。出于综合考虑，本次设计采用液压式主动悬架。2.3 悬架的性能要求对于液压式悬架系统提出以下要求：1 保证电动汽车在高速行驶时有良好的行驶平顺性；2 具有适当的振动衰减能力；3 当电动汽车急加速、急减速或受到外界干扰时具有良好的操纵稳定性；4 悬架系统在工作时的噪声要小；5 当电动汽车在转向时保证其具有不足转向特性；6 能可靠地传递车身和车轮之间的各种力和力矩；7 结构紧凑，且要保证零部件有足够的强度和寿命。2.4 液压式主动悬架的工作原理液压式主动悬架就是在被动悬架的基础上加装一个可以产生作用力的动力装置，由动力源、压力控制阀、液压缸、传感器、控制器等组成,如图2-3所示。液压泵作为动力源产生压力油，供给各轮的液压缸，使其能够独立工作。若汽车在转向时发生侧倾，外侧车轮液压缸的油压升高，内侧车轮液压缸的油压降低，油压的变化信号传送至ECU，和预存数值比较，而后ECU发送信号至伺服阀、液压缸等元器件来控制车身的侧倾。由于在车身上分别装有上下、左右、前后、车高等高精度的传感器，这些传感器信号送入ECU，与ECU内部的预存值相比较，再由ECU发出电信号对油压进行调节，使转向时的侧倾最小。同理，在汽车急刹车、急加速或在路况恶劣的路面上行驶时，液压控制系统对相应液压缸的油压进行控制，使车身姿势变化最小。M1-非簧载质量；M2-簧载质量；Kt-轮胎刚度；Ks-悬架弹簧刚度；F-作用力发生器图2-3液压式主动悬架工作原理图2.5 液压系统的设计特点1 采用控制器控制三位四通伺服阀阀芯的位置，阀芯位置决定了流出伺服阀的2 压力油的流量大小和方向，通过活塞杆上下的压力差产生主动控制力，控制器根据汽车的运动状态调整作动器作用力的大小、方向和变化速度，使汽车行驶的平顺性得以改善。3 液压缸与蓄能器之间安装了一个节流阀，该节流阀的阻尼孔是可调的。根据传感器输入信号，由ECU处理后控制电磁阀接通主、副阻尼孔，从而对阻尼进行控制。4 利用蓄能器的进气与排气来改变气室容积，从而对刚度进行调节。5 车身高度传感器测得的数据传入ECU，随后ECU发出信号控制伺服阀动作，改变液压缸上下腔的压力从而推动活塞，用以改变车身高度8。如图2-4所示。1-液压缸；2-蓄能器；3-三位四通阀；4-溢流阀；5-电动机；6-液压泵；7-过滤器；8-蓄能器；9-单向阀；10-空气压缩机；11-放气阀；12-节流阀；13-油箱图2-4液压伺服控制系统原理图2.5 本章小节本章首先分析了主动悬架几个类型的分类，对悬架进行了系统性的对比研究，了解其类的优缺点，说明液压主动悬架的基本工作原理，基本控制功能，对下文做了理论基础。第3章 车身高度调节机构设计3.1 车身高度调节系统设计车身高度控制系统能够根据车辆的负载的情况进行自适应调节，使车身高度可以大致保持在一个合适的范围内，保证悬架始终都有合适的工作行程。车身高度调节机构的组成：液压缸、动力源、电液伺服阀、蓄能器、传感器、电子控制单元ECU等组成。如图3-1所示。1-液压缸；2-蓄能器；3-三位四通阀；4-溢流阀；5-电动机；6-液压泵；7-过滤器；8-油箱图3-1车身高度控制原理图ECU根据车高传感器信号的变化和驾驶员选择的控制模式指令，给控制车高的电液伺服阀发出指令。当电动汽车负载增加，车身需要升高时，三位四通伺服阀动作，接通供油油路，液压泵供液压油进入液压缸支撑腔，车身高度上升；若伺服阀停止动作，液压缸支撑腔压力不变，车身便维持在一定高度；当车身需要下降时，液压泵停止工作，三位四通伺服阀动作接通回油油路，液压油回油箱，车身高度下降8。车身高度调节系统的优点：1 停车后，当车上载荷减少而车身高度上升时，控制系统能自动降低车身高度，可以减小悬架系统的负荷。2 当电动汽车高速行驶时，控制系统主动降低车身高度，降低风阻，可以改善车辆的操纵稳定性和液力传动特性。当电动汽车行驶于崎岖不平的路面时，控制系统主动升高车身高度，可以提升其通过性。3 车身高度不受载荷影响，保持基本恒定和水平姿态，有效提高电动汽车的乘坐舒适性。且前大灯光束方向可以保持水平，同时提高了行车安全性。车身高度调节系统的缺点：包括三位四通阀、电动机在内的元器件需要一定的能量才能运转。对于电动汽车而言，将一定程度上影响到其能量的利用效率。3.2 液压缸参数的确定某型电动汽车1/4主动悬架的基本结构参数如表3-1所示。表3-1基本参数非簧载质量M150kg簧载质量M2300kg轮胎刚度Kt250000N/m悬架弹簧刚度Ks16000N/m偏频f1.3Hz主销内倾角12主销后倾角2203.2.1 供油压力的选取选取较高的供油压力，可以减小油液中所含气体对体积弹性模量的影响，有利于提高液压固有频率，还能减小液压动力元件、液压能源装置和连接管道等部件的重量和尺寸。但执行元件主要规格尺寸减小，又不利于液压固有频率提高。选取较低的供油压力，可以降低成本，减小泄漏、减小能量损失和温升，可以延长使用寿命，易于维护，噪声较低。在条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。在一般的伺服系统中，供油压力的选取范围在2.514MPa之间；在军用伺服系统中，供油压力的选取范围为2132MPa9。综合考虑下来，初选工作压力PL=7MPa。3.2.2 液压缸的基本规格参数确定本次设计采用双作用单杆活塞式液压缸，需要确定的主要参数为缸筒内径D和活塞直径d。现选取某型液压缸，缸体材料选用45钢，总循环时间V=0.5m/s，活塞最大行程为S=200mm，机械效率为。现根据负载FL和供油压力PL计算液压缸的内径D和活塞杆直径d。1. 液压缸缸筒内径D(3.1)式中 PL供油压力；FL综合考虑，负载取；2.活塞杆直径d，可根据往复运动速度比来确定即：(3.2)如果往复运动速度比过大，将导致无杆腔的背压过大；如果往复运动速度比过小，会导致活塞杆过细，将严重影响到稳定性。液压缸的往复速度比推荐值如表3-2所示。表3-2液压缸往复速度比推荐值工作压力P/MPa1012.52020往复速度比1.331.462工作压力PL =7MPa10，故速度比=1.33，则：查阅液压缸气缸内经及活塞杆外径尺寸系列GB2348_80第44页可知，缸筒内径的选取标准有32mm、40mm、50mm等；活塞杆外径选取标准有18mm、20mm、22mm等，故选取D=40mm，d=20mm。3.液压缸无杆腔面积A1(3.3)4.液压缸有杆腔面积A2(3.4)5.导向长度H(3.5)6.活塞宽度B查阅液压设计手册可知，活塞宽度约为缸筒内径的倍，即：(3.6)7.导向套滑动面长度A查阅液压设计手册可知，导向套滑动面长度约为缸筒内径的倍，即：(3.7)3.2.3 液压缸外形尺寸的计算和强度校核1.液压缸缸筒壁厚(3.8)式中 缸体材料的许用应力，一般，取；D液压缸内径；试验压力，当工作压力小于16时，；考虑到如果液压缸的壁厚厚度较小的话，会导致缸体的刚度不够，甚至引起工作过程中的卡死或者漏油，故选取。2.液压缸缸筒外径(3.9)根据机械设计手册，选取。3.液压缸缸底厚度h(3.10)根据机械设计手册，取。4.活塞杆直径的强度校核活塞杆直径的校验强度公式为：(3.11)由3.2.2可知，故活塞杆直径强度符合要求。5.液压缸的稳定性校核液压缸的稳定条件为：(3.12)式中FK液压缸的极限负载；nK稳定安全系数，取值范围为，此处取4。此处我们将缸体和活塞杆视为一个整体，则极限负载即可按“欧拉公式”进行计算：(3.13)式中 末端条件系数，取；活塞杆材料的弹性模量，对于45钢，；活塞杆长度，此处认为；活塞杆截面的二次极矩，d为活塞杆直径，则。则由3.2.2可知，FL满足上述条件，所以液压缸的稳定性满足要求。 根据以上计算和校核，利用UG建立出液压缸的三维模型图，如图3-2所示。图3-2液压缸三维模型3.3 液压泵的选取3.3.1 液压泵的种类及特点 液压泵按种类可大致分为齿轮泵、柱塞泵和叶片泵。1 齿轮泵齿轮泵的体积较小，结构简单，对油的清洁度要求不高，价格便宜；但是泵轴的受力不平衡，磨损严重，泄露较大。2 叶片泵分为双作用叶片泵和单作用叶片泵，这种泵流量均匀，运转平稳且噪音小，作压力和容积效率比齿轮泵高，比较适合用于供油压力不大的液压伺服系统中。3 柱塞泵这种泵容积效率高、泄露小，适合在高压下工作；但是，柱塞泵的结构过于复杂，对材料和加工精度要求高，价格贵且不便于修理。3.3.2 液压泵的参数选取1.液压缸的工作压力(3.14)式中 液压缸的工作压力；由3.2.2可知，负载为7500N；液压缸无杆腔面积；2.液压泵的工作压力(3.15)3.液压缸所需流量(3.16)L/min4.液压泵输出流量(3.17)L/min在本系统中，初选工作压力约为；在常规的液压伺服系统中，供油压力的选取范围一般为314MPa9。考虑到系统压力的损失及摩擦力的存在，且液压阀的前后压力差较大，所以液压泵的供油压力定为。综上所述，本次设计采用YB-D50/10式双联叶片液压泵。其三维零件图如图3-3所示。图3-3液压泵三维模型3.4 电动机的选择液压系统采用YB-D50/10式双联叶片液压泵，该液压泵的额定压力为P额=21MPa，则为液压泵提高动力的电动机的功率为：(3.18)式中 液压泵的最大输出流量，由3.3.2可知，L/min；液压泵的效率，取；根据，选择Y180M-2型号的电动机。3.5 传感器的种类和选择根据控制工程基础，检测元件的精度必须是控制系统精度的4倍或4倍以上，响应速度应为系统频宽的810倍以上。转向柱上安装有转向盘转角传感器，通过转向盘转角传感器发出电信号把电动汽车的转向状况（速度快慢、转向角大小）传送至ECU；加速度传感器实质上是安装于节气门上的动作传感器，它可以将节气门开度的大小转变成电信号并送入ECU；制动压力传感器安装于制动管路中，当电动汽车制动时，它向ECU发送一个阶跃信号，表示制动，使微机产生并输出抑制“点头”的信号；车速传感器安装于车轮上，送出与转速成正比的脉冲信号，微机利用该信号与转向盘转角信号，可以计算出车身的侧倾程度；车身高度传感器安装于车身与车桥之间，用来测量车桥和车身的相对高度，其变化频率和幅度可反映车身的平顺性信息，同时还用于车高的自适应调节4。3.6 本章小节本章主要介绍车身高度调节机构的组成以及工作原理。根据所给数据计算出液压缸和液压泵的主要参数，并根据强度要求进行了校核。此外，根据计算出的液压泵工作压力和流量等确定出电动机的型号。第4章 悬架阻尼调节机构设计液压式主动悬架是根据电动汽车的负载、电动汽车的行驶状态和路面状况对节流阀的阻尼孔过流截面积进行调节，从而改变油液作动器的阻尼力实现对阻尼的控制的。当电动汽车处于高速行驶状态时，增加阻尼力有利于控制车身姿态的变化。另一方面，当电动汽车处于低速状态时，减弱阻尼力更有利于提升电动汽车的乘坐舒适性。悬架阻尼调节机构的组成：油液作动器（液压缸）、ECU、动力源、电液伺服阀、电磁换向阀、节流阀。控制系统的传感器包括：车速传感器、节气门开度（燃油喷射）传感器、转向盘转角传感器、车身和悬架加速度传感器、制动压力传感器等。它们分别向电子控制单元（ECU）提供车速、加速状况、方向盘转角和转速、车身运动状态和汽车制动等信号，ECU处理后发出电信号以控制节流阀改变阻尼力，使电动汽车保持最佳状态9。4.1 悬架阻尼的自动调节阻尼调节装置由执行机构和节流阀组成。执行机构放在节流阀阀杆顶部，由小齿轮、直流电机、扇形挡板以及电磁线圈等组成。ECU根据电动汽车行驶状况给直流电机和电磁线圈施加不同强度的电流，电机通过下部的小齿轮带动扇形挡板转动，用于限制扇形挡板的极限转角，从而确定与扇形挡板相连的阀杆位置，阀杆控制阀芯可在节流阀上获得不同的阻尼，如图4-1所示。1- 液压缸；2-蓄能器；3-三位四通阀；4-溢流阀；5-电动机；6-液压泵；7-过滤器；8-油箱；9-节流阀图4-1阻尼调节控制系统原理图工作原理：当传感器的信号传至ECU，ECU经与预存数据相比较后可以确定出阻尼为“中等”、“柔软”或是“坚硬。”1 阻尼“中等”模式调节当ECU确定阻尼为“中等”状态时，控制单元向步进电机发出控制指令使其小齿轮逆时针转动，同时带动扇形齿轮顺时针转动，直到扇形齿轮凹槽的一边靠在挡块上为止，如图4-2(a)。此时液压缸内油液流过节流阀的速度不快不慢，使得液压缸能缓慢伸缩，阻尼即处于“中等”模式10。2 阻尼“柔软”模式调节当ECU确定阻尼为“柔软”状态时，控制单元向步进电机和电磁线圈同时发出控制指令，电磁线圈电流接通，产生磁力并将挡块吸出，使挡块进入扇形齿轮凹槽中间部位的一个凹坑内。如图4-2(b)。此时，扇形齿轮带动阀杆和阀芯转动，阀芯上的阻尼孔全部打开，使得液压缸油液以很快的速度经过电磁换向阀流回油箱，因此液压缸很快伸缩，阻尼即处于“柔软”模式10。3 阻尼“坚硬”模式调节当ECU确定阻尼为“坚硬”状态时，控制单元向步进电机发出控制指令使其小齿轮顺时针转动，同时带动扇形齿轮逆时针转动，直到扇形齿轮凹槽的另外一边靠在挡块上为止，如图4-2(c)。此时，扇形齿轮带动阀杆和阀芯转动，阀芯上阻尼孔全部关闭使得液压缸油液无法流动，液压缸伸缩非常缓慢，阻尼处于 “坚硬”状态10。图4-2扇形齿轮旋转方向和位置在查阅相关资料后发现，阻尼力越大，振动消除的越快，但也会使地面过大的冲击载荷传向车身，不利于乘坐舒适性的提高，同时，过大的阻尼力还会加快液压系统零部件的磨损，甚至导致整个系统无法正常工作。4.2 确定节流阀阻尼孔4.2.1 阻尼孔的流量特性公式(4.1)式中 阻尼孔前后压力差；A0阻尼孔流通面积；K节流系数；m由阻尼孔结构和形状决定的指数。当结构是薄壁式时，m=0.5；阻尼孔越接近细长孔，m的值越接近于1。阻尼孔的流量特性曲线如图4-3所示。图4-3阻尼孔流量特性曲线4.2.2 阻尼孔半径的的计算节流阀的阻尼孔半径可根据其截面积计算，则：(4.2)式中流量，取q=3.210-3m3/s；液压油的密度，一般为900Kg/m3；阻尼孔前后压力差；流量系数,查阅液压设计手册，取CP=0.82。阻尼孔两端的压差由空载压力与满载冲击力最大时压差定，设。则：则阻尼孔半径R=4.2910-3m。4.2.3 压差变化对流量稳定性的影响液压系统的工作状态的理想程度取决于流量Q是否改变。实际工作状态下流量总会有一些变化，特别是流量较小时，流量稳定性与阻尼孔形状、阻尼孔压力差以及油液温度等诸多因素有关。当阻尼孔前后压力差变化时，流量也将随之改变，阻尼孔的这种特性可用流量刚度来表征。节流口的流量刚度T的表达式为：(4.3)通过式(4.2)可知：1 系数m越小，刚度越大。m越大，压力差变化后对流量的影响就越大，薄壁孔的流量稳定性(m=0.5)比细长孔(m=1)受压力差变化的影响要小；2 阻尼孔的流量刚度与阻尼孔压力差成正比，压力差越大，刚度越大；3 如果阻尼孔压力差一定，刚度与流量成反比，通过阻尼孔的流量越小，刚度越大.因此，为了获得较好的流量稳定性，采用薄壁式阻尼孔，并尽可能采用较小流量和较大的阻尼孔压力差。4.2.4 油温变化对流量稳定性的影响当油液的温度产生变化时，其粘度也会相应改变。上述可知，本次设计采用了薄壁孔，对于薄壁孔而言，油温对流量稳定性的影响是很小的。这是由于在流过薄壁式阻尼孔时流体处于紊流状态，其流量与雷诺数无关，不受油液粘度变化的影响，即基本不受油温变化的影响11。4.3 节流阀节流阀的结构外形如图4-4所示。在液压悬架系统中对节流阀的性能要求是：1 流量调节范围大，流量-压差变化平滑；2 内泄漏量小，若有外泄漏油口，外泄漏量也要小；3 调节力矩小，动作灵敏。1-阀体；2-阀盖；3-密封圈；4-阀芯；5-调整垫；6、7-螺栓、螺母；8-U形密封圈；9-平挡圈；10-压紧套；11-阀杆；12-上端盖；13-O形密封圈。图4-4节流阀结构图此外，针对电动汽车的行驶特点，节流阀应具有以下功能：1 当液压式悬架系统处于压缩行程时，节流阀的阻尼力需要自适应减小，以利用蓄能器和弹性元件（弹簧）减小路面对车身（车架）的冲击。2 当液压式悬架系统处于伸张行程时，节流阀的阻尼力需要自适应增大，以迅速衰减振动。使用UG建立三维零件图，节流阀三维图如图4-5所示。图4-5节流阀三维模型4.4 溢流阀的选择溢流阀，一种液压压力控制阀。在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。其三维装配图如图4-6所示。溢流阀主要作用如下：1 定压溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的流量是恒定不变的。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即保持泵出口压力恒定。2 稳压作用：溢流阀串联在回油路上，使溢流阀产生背压，提高运动部件平稳性。3 安全保护作用：系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加12。图4-6溢流阀三维模型4.5 三位四通电磁换向阀的选择换向阀是借助于滑阀和阀体之间的相对运动，使与阀体相连的各油路实现液压油的流通、切断和换向。换向阀的中位机能是指换向阀里的滑阀处在中间位置或原始位置时阀中各油口的连通形式，体现了换向阀的控机能。根据中位机能有O型、H型、X型、M型等多种形式。根据本文中液压系统的工作要求，选用M型三维四通阀，该型阀的特点是：1 液压泵可以卸荷；2 从停止到启动比较平稳；3 可用于液压泵卸荷而液压缸锁紧的液压回路中。4.6 本章小节本章主要介绍了悬架阻尼调节机构的组成及工作原理，介绍了节流阀的机构以及工作要求。此外，简要分析了影响节流阀流量稳定性的因素，以及系统中溢流阀的主要作用，并用UG软件建立了三维模型。为后期的工作打下了坚实的基础。第5章 悬架刚度调节机构设计在部分小轿车、电动汽车和大型豪华客车上的电子控制悬架系统中，每个车轮上都采用了空气弹簧和普通减震器。改变空气弹簧气压腔空气的压力，即可改变空气弹簧悬架的刚度。在液压式悬架刚度调节机构中，用一个蓄能器代替空气弹簧，液压缸代替普通减震器，通过空气压缩机的供气及蓄能器的排气改变蓄能器内压缩空气的压力，进而改变悬架的刚度。悬架刚度调节机构的组成：油液作动器（液压缸）、电控装置、动力源、电液伺服阀、空气压缩机、蓄能器、车身位置传感器、电磁阀。5.1 悬架刚度调节机构的结构和工作原理悬架刚度调节机构系统如图5-1所示。1-液压缸；2-蓄能器；3-三位四通阀；4-溢流阀；5-电动机；6-液压泵；7-过滤器；8-蓄能器；9-单向阀；10-空气压缩机；11-排气阀；12-节流阀；13-油箱图5-1悬架刚度调节机构系统图悬架刚度调节机构的工作原理：在系统中，蓄能器与空气压缩机相连。液压缸发出压力信号给ECU，经ECU与预存的设定的压力值比较后发出信号控制空气压缩机和蓄能器的动作。当压力信号高出预设的压力值时，空气压缩机压缩机便会向蓄能器充气以增加蓄能器内部空气的压力（密度），进而提升悬架系统的刚度。反之，则会降低悬架系统的刚度12。5.2 空气压缩机的选择空气压缩机属于正压发生装置，它可以将机械能装换成气体压力能。空气压缩机的额定压力应略高于气动系统的工作压力。一般气动系统的工作压力为0.50.8，因此低压空压机选用额定排气压力为0.71.0。特殊情况下时，也可选用额定排期压力为1.010、10100甚至超过100以上的空气压缩机。选择空气压缩机是根据工作压力和输出流量两个主要参数来确定的13。1.工作压力PC(5.1)式中P各执行元件使用的最高压力，取；气动系统的总压力损失，一般。2.输出流量Qc首先计算出各设备所需的压缩空气流量，然后转换成自由空气流量，最后转化成空气压缩机的输出流量。自由空气流量，忽略温度变化的影响，则(5.2)式中压缩空气的绝对压力；压缩空气的流量；自由空气的绝对压力；自由空气的流量；自由空气流量是指标准大气压下的流量，即。则输出流量为：(5.3)式中气动系统的最大总耗气(自由空气)量；漏损系数；备用系数；利用系数。通常情况下，。根据上式计算，蓄能器的压力小于10，所以选择额定排气压力为的1.010空气压缩机。5.3 蓄能器的选择蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置，它在适当的时机将液压系统中油液的压力能转变为压缩能储存起来。当液压泵出现问题停止工作时，蓄能器可以向液压系统提供压力油，以保证整个液压系统的压力正常。气囊式蓄能器，该蓄能器通过上部的充气阀向采用耐油橡胶制成的气囊内充入一定压力的惰性气体，气体的压力（密度）决定了蓄能器的压力。当系统的压力高于蓄能器的压力时，压力油经壳体底部的限位阀进入蓄能器，压缩气囊内的气体，蓄能器储存能量；当系统的压力低于蓄能器的压力时，气囊膨胀将压力油通过限位阀输出，蓄能器释放能量。限位阀的作用是防止气囊膨胀时从蓄能器油口处被挤出而损坏14。为了保证当液压系统压力为时，蓄能器还能释放压力油，应取充气压力，对于皮囊式取有利于提高其使用寿命。因，根据气体状态方程：(5.4)则有：，。式中为蓄能器工作状态所确定的指数，通常；蓄能器的充气压力；蓄能器的最高工作压力；蓄能器的最低工作压力，此处取液压缸的工作压力；蓄能器的容积；最高压力时的气囊容积；最低压力时的气囊容积。但是，由于液压缸上腔容积的变化小于下腔容积的变化，且为了提高电动汽车的能源利用效率和功率，所以在整个控制系统中只在液压缸旁边安装一个容积为2L的蓄能器。此外，该蓄能器在系统中还能起到空气弹簧的作用。利用UG软件建立三维装配图，如图5-2所示。图5-2蓄能器三维模型5.4 悬架系统的三维装配模型的建立 通过三、四、五章分析悬架系统的几何结构、零部件及相关参数等，可使用UG软件建立三维装配模型，如图5-3所示。图5-3液压式悬架系统三维装配模型5.5 本章小节本章主要介绍了悬架刚度调节机构的组成及工作原理，通过传感器向ECU发送信号，经ECU处理后发出电信号控制蓄能器和空气压缩机的动作，从而达到调节悬架刚度的目的。此外，对蓄能器、空气压缩机进行了简要的说明选择，并使用UG建立了三维装配模型。第6章 基于ADAMS软件的仿真分析与优化近年来，随着计算机技术的飞速发展，大量的仿真模拟软件问世和普及，为广大设计分析人员带来了极大的方便，使设计人员能把更多的精力放在如何建立一个适合系统的数学模型上，仿真模拟的工作主要让计算机完成。本章主要使用ADAMS/CAR建立悬架装配模型，通过轮跳仿真来分析其特性，并对部分参数进行优化。6.1 在ADAMS中建立简化模型6.1.1 ADAMS软件的简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析，该软件是美国机械动力公司开发的虚拟样机分析软件。ADAMS软件由基本模块、拓展模块、接口模块、专业领域模块和工具箱五类模块组成，用户可以利用ADAMS在计算机上建立虚拟样机并进行测试，实现实时在线仿真。ADAMS/CAR是MSC公司与Audi、BMW、Renault以及Volvo等公司开发的专用轿车设计模块，用户可以通过在该模块成快速建立虚拟样机从而直观地再现车辆在各种工况下的运动学响应，同时可以获得多项性能指标参数。本文主要采用CAR模块对悬架系统进行运动仿真。6.1.2 生成悬架系统模型在ADAMS/CAR中确立起硬点坐标，通过BuildHardpointNew输入硬点坐标，如图6-1所示；然后通过BuildPartsGeneral PartWizard建立部件的直角坐标系，如图6-2所示。 图6-1硬点坐标的输入 图6-2坐标系的建立硬点坐标确定并输入完成后，通过BuildGeometryArm/Link和BuildForcesDamper/Spring建立摆臂、连杆、转向拉杆、减震器等部件；然后通过BuildAttachmentsJoint/Bushing建立悬架的运动副和衬套，如图6-2所示。图6-3部件的建立6.2 在ADAMS软件中进行轮跳仿真通过在ADAMS/CAR中对悬架进行轮跳实验，并在ADAMS/PostProcessor模块中以曲线图的行驶输出便可以对其进行运动学特性研究分析。这种分析实际上是由路面不平引起车轮振动时悬架的运动，电动汽车在加减速时由其惯性引起车身向后或向前倾斜和电动汽车在转向时车身侧向倾斜引起的悬架运动等多种运动引起的悬架参数变化分析15。6.2.1 基本参数设置由3.2可知，簧载质量为M2=300kg，轮胎刚度为Kt=250000N/m，悬架弹簧刚度Ks=16000N/m，如图6-3所示。图6-4基本参数设置6.2.2 轮跳行程和制动力的设置轮跳仿真的行程范围一般在-100mm100mm左右，如图6-4所示。本次仿真只考虑制动状况，单轮制动力设为2500N，如图6-5所示。 图6-5跳动行程设置 图6-6制动力设置6.2.3 仿真结果分析1. 主销内倾角特性曲线当车轮受到地面外侧向力作用发生一定程度的转向时，主销内倾角可以使发生转向的车轮自动回正。合理的主销内倾角可以减小主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离，使车轮在转向时减小人作用在转向盘上的力矩，即有利于提高转向的灵敏度与轻便性，使转向车轮传递到转向盘的冲击力减小。但是，主销内倾角过大将使轮胎与路面之间产生相对过量的滑动，使转向盘难以转动导致转向变得沉重 16。内倾角的范围一般在812，由图6-6可知，在轮跳仿真中，其内倾角始终没有超过这个范围，故主销内倾角的选取合格，但考虑到直线行驶的稳定性和转向性能，需要将内倾角的值进一步减小。图6-7主销内倾角特性曲线2. 主销后倾角特性曲线在电动汽车的轮胎受到外力干扰使车轮发生偏转时，主销后倾角在汽车本身离心力作用下会使路面对车轮产生与车轮偏转方向相反的力矩，该力矩的大小由后倾角的大小决定，它可使偏转的车轮回到中间的平衡位置，以保证电动汽车沿直线行驶。但是，后倾角过大会增大转向盘的转向力，使得电动汽车转向困难；后倾角过小，会使得前轮在制动时抵消后倾角甚至使其变为负值，不利于转向时的稳定16。后倾角一般小于3，由图6-7可知，在轮跳仿真中，主销后倾角的值超过了3，所以必须进行优化。图6-8主销后倾角特性曲线3. 车轮外倾角特性曲线除上述的主销内倾和后倾连个角度保证电动汽车直线行驶外，车轮外倾角也具有定位作用。当电动汽车满载时，车桥因承载变形可能会导致车轮过度内倾，将严重影响到轮胎和轮毂轴承的试用寿命。因此，在安装时预先使其留有一定的外倾角防止过度内倾。仿真过程中车轮外倾角的特性曲线如图6-8所示。图6-9车轮外倾角特性曲线外倾角的变化范围一般为0.52.0/50mm，由图可知，在真个仿真行程中，外倾角由-0.75上升至0.45，故满足设计要求。6.3 参数的优化通过对悬架特性的分析，得知对悬架系统的影响较大的两个硬点位置，对这两个位置的硬坐标进行调整优化，优化前后的硬点坐标值变化如图6-9所示。图6-10优化后硬点坐标6.3.1 主销内倾角的优化曲线由图6-10可看出，优化后的内倾角变化范围相较于优化前明显减小，使得转向盘轻便灵活，减小了轮胎的滚动摩擦阻力，提高了电动汽车转向时的稳定性和行驶经济型。图6-11主销内倾角优化曲线6.3.2 主销后倾角的优化曲线由图6-11可看出，优化后轮跳仿真的主销后倾角最大值从3.13降至2.93，有效提升了电动汽车转向时的操纵性，使其转向更为轻松和顺畅。图6-12主销后倾角优化曲线6.4 本章小结本章通过在ADAMS/Car模块中建立微型电动汽车麦弗逊前悬架模型，在虚拟实验台上进行了-50mm50mm的平行轮跳动工况模拟仿真，通过修改悬架的硬点坐标，对悬架进行了参数的优化，使其主销后倾角，主销内倾角等参数在标准变化范围之内，明显减少了电动汽车的侧滑量，减小车轮和地面的摩擦阻力，使其转向更加灵活轻便，更有利于电动汽车的直线行驶。结论与展望在接近一学期的毕业设计中，我受益匪浅。在这过程中我不仅将知识融汇贯通，而且通过查阅文献大量了解了很多课外知识，开拓了视野，认识到了悬架未来的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了很大的提升。本次设计主要针对当前电动汽车悬架系统的研究状况及前人设计主动悬架的经验和成果的基础上，查阅相关文献和资料，结合所学专业知识，设计出液压式主动悬架系统，完成了本次毕业设计的主要部分。作出的成果主要有：1.结合实际分析悬架的类型及各自的优缺点，确定出主要的设计方向；2.设计出可以根据电动汽车行驶状况不同自适应调节车身高度、悬架刚度以及悬架阻尼的机构，并进行必要的强度校核；3.通过UG软件绘制其三维装配模型，并通过CAD软件绘制其主要的零件图；4.在ADAMS/CAR中建立装配模型并进行运动仿真，分析其运动特性，并优化部分参数。随着现代电动汽车的飞速发展，人们对电动汽车的乘坐舒适性、安全可靠性的要求也越来越高，传统的被动悬架已很难满足这些要求。主动悬架系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动灯信号，由电子控制单元控制悬架执行机构，改变使悬架系统的刚度、减震器阻尼力及车身高度等参数，使悬架系统始终处于最佳减振状态，从而提高车辆的乘坐舒适性、操作稳定性、通过性等综合性能。应用于电动汽车的主动悬架研究主要集中在两个方面：一个是作动器，另一个则是控制策略。作动器是实现控制目标的重要环节，因此对作动器的研究也是主动悬架研究的重要内容。为保证主动悬架的良好性能，作动器必须具有灵敏、可靠、能耗低、成本和总量低等特点。目前，在主动悬架应用的作动器主要是伺服阀控制的液压结构。例如Lotus公司开发的主动悬架通过控制液压缸活塞两侧的压力差，推动活塞跟踪车身运动。日产公司则开发了蓄能式减震器，它将蓄能器和液压缸结合起来，使路面不平度引起的振动被蓄能器吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而耗能有所降低。综上所述，随着悬架技术的不断发展，主动悬架系统也将随之得到不断的发展和应用。我相信，将会不断有成本低廉、集成度高并且质量优越的主动悬架产品出现，在不久的将来，主动悬架系统也不再是高级汽车的专利，电动汽车上也将越来越多地使用主动悬架系统。致 谢毕业设计作为对大学生在校最后阶段的一次综合知识检验以及能力的考核，对我们来说有着相当深远的意义。它全方位的检验了学生在大学四年所学过的课程及学习效果，并通过设计过程和设计成果从各方面反应了学生各方面的综合能力以及在某些方面的欠缺和不足，使我们从心里准备在以后的学习和工作中不断完善自己。毕业设计可以说是由学校走向社会的一个阶梯，可以初步了解自己的工作能力。培养了学生积极思考，勤奋刻苦的工作态度为以后的工作打下基础。经过了三个多月的努力，我最后完成了本次毕业设计。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章和相关图纸的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。通过本次毕业设计，我不仅巩固了所学到的知识，还额外拓展了很多以前所不知道的领域。开始的我对这个课题知之甚少，但是通过独立的学习，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起来，每一次改善都是我学习的收获。在这里，我要感谢在整个毕业设计过程给予我很多帮助和指导的汪老师。在整个过程中他给了我很大的帮助，在论文题目制定时，他首先肯定了我的题目大方向，同时又帮我进行了对比分析并给了我具体的的设计思路，使我最后确定了液压式主动悬架这个研究方向。在论文提纲制定时，我的思路不是很清晰，经过老师的指导，让我具体写作时思路顿时清晰。在完成初稿后，老师认真查看了我所完成的内容，指出了我存在的很多问题。在此十分感谢汪老师的细心指导，才能让我顺利完成本次毕业设计。此外，感谢本专业帮助过我的各位同学，是你们的无私帮忙让我感受到校园的温暖，在本次毕业设计过程中，多位同学为我带给了信息支持，在此一并表示感谢。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮忙和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向安徽工程大学，机械与汽车工程学院的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。 签名： 年 月 日参考文献1 段俊法,陈思忠.越野车辆悬架系统的评价研究J.北京汽车,2006.(2):1821.2 张炳力.汽车设计M.合肥：合肥工业大学出版社.2010.6.3 陈家瑞.汽车构造M.北京：机械工业出版社.2009.2.4 王国丽,顾亮,孙逢春.车辆主动悬架技术的现状和发展趋势J.兵工学报，2000年S1期.5 方子帆,陈永清等.汽车半主动悬架系统的关键技术及研究进展J.三峡大学学报,2005,2(1):4651.6 陈文源.汽车主动悬架减振控制技术D.中国科学技术大学，2010.5.7 付涛,王大镇,弓清忠,祁丽等.车辆主动悬架优化设计与仿真分析J.汽车技术,2016,(6):254257.8 梁经芝,马国新.电液主动悬架的自校正控制J.汽车工程,2005,27(2):209211.9 管成,朱善安.液压主动悬架的非线性自适应控制J.汽车工程,2004,26(6):691695.10赵景波,倪彰,贝绍轶,冯俊萍.电动汽车阻尼可调减震器多模式控制切换研究J.西南大学学报,2017,39(6):158162.11Gao H J,James Lam,Wang C H.Multi-objective control of vehicle active suspension systemsvia load-dependent controllersJ.Journal of Sound and Vibration (S0022-460X),2006,290(5):654675.12韩锋钢，陈云，吴金镇.一种道路自适应液压主动悬架P.中华人民共和国国家知识产权局.2014：36.13刘白雁,陈奎生.阀控非对称缸电液系统的模型跟随自适应控制J.湖北工学院学报.2002年02期.14MortezaMontazeri-Gh&Mahdi Soleymani.Active suspension system in Parallel hybrid electric vehicles.J.International Journal of Engineering Science,20085:97104.15余东满,王笛,李晓静.基于ADAMS/CAR的麦弗逊前悬架仿真分析及优化J.制造业自动化.2015,37(2):7072.16乔长胜,李耀刚.基于CATIA与ADAMS微型电动汽车前悬架优化设计J.河北工业大学学报.2014,43(1):4044.1 蔡军.纯电动汽车悬架系统设计分析J.科技资讯,2015,06(b):113114.2 王春强.电动汽车主动悬架控制系统仿真研究D.沈阳工业大学硕士学位论文,2015,2.3 毛少坊.电动汽车主动悬架系统阻尼匹配及其部件优化设计D.山东理工大学硕士学位论文,2012,4.4 陈文源.汽车主动悬架减振控制技术D.中国科学技术大学硕士学位论文,2010,5.5 张炳力.汽车设计M.合肥：合肥工业大学出版社.2010.6.6 MortezaMontazeri-Gh,Mahdi Soleymani.Active suspension system in Parallel hybrid electric vehiclesJ.International Journal of Engineering Science,20085:97104.7 刘海妹.电动汽车主动悬架系统阻尼可调减振器设计及固有频率试验J.西南大学学报,2017,39(10):147153.8 寇发荣,方宗德.一种新型汽车主动悬架的研制J.振动与冲击,2008,27(3):165170.9 吴文文.汽车主动悬架系统及其控制方法J.山东工业技术,2017,15(18):212210叶俊.电动汽车横向稳定性分析及驱动力分配研究D.哈尔滨工业大学硕士学位论文,2013,12.11任泽凯.电动汽车馈能式主动悬架在循环工况下的仿真研究J.湖北汽车工业学院学报,2017,31(2):1217.12李兴虎.电动汽车概论M.北京：北京理工大学出版社，2005,8.13杜期,袁明,管西强,张建武.轿车乘坐舒适性及悬架系统匹配与优化J.机械设计与制造,2007,11.14覃霍,左曙光,韩乐.电动小车开发中前后悬架刚度匹配的计算J.机械科学与技术,2009,12.附录附录A 英文翻译并联式混合动力电动汽车的主动悬架作者：MortezaMontazeri-Gh&MahdiSoleymani摘要：在以往的研究学习中，进行了对动力传动系统中主动悬架系统的研究。本文介绍了一种新的思路，那就是将主动悬架系统应用于混合动力电动汽车中。本研究的主要目的旨在探讨：相较于常规汽车，当主动悬架应用于混合动力电动汽车时的一些潜在优势。为此，在集成化媒介中开发了一种可以整合动力传动系统和主动悬架系统的即时仿真工具，两个系统中的功率和输入数据可以在该仿真工具中互相交换。通过这种即时仿真工具，可以同时研究常规动力汽车和混合动力电动汽车的内燃机在搭载主动悬架时所受的影响和各自的反应。该项研究的仿真结果表明：当主动悬架同时应用于常规动力汽车和混合动力电动汽车时，后者有着很明显的优势。关键词：主动悬架系统；混合动力电动汽车；即时仿真。1. 简介汽车悬架的主要作用是支撑底盘，并保证轮胎和地面的充分接触，以及妥善处理车辆的道路行驶状况和乘客的乘坐舒适性。悬架系统可大致分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。为了凸显这些悬架各自的特性，主要采用主动元器件。主动元器件可以使悬架系统适应各种行驶状况。通过添加一个反馈控制执行器，车辆的乘坐舒适性和安全性相较于固定特性的悬架有显著的提高。在常规汽车中应用主动悬架这一课题在以前已经被广泛的研究过。以往的研究表明，在常规汽车上应用主动悬架存在一定的障碍。其中之一便是：主动悬架系统所需要的能量由车辆内燃机（内燃机）直接提供。在这种情况下，内燃机需要一定时间来调整自身，因为主动悬架的载荷是随着动力学特性而不断变化的。如果悬架载荷的变化速度快于引擎的自身调整速度，悬架将在短时间内失效。因此，会导致车辆停顿。另外，如果载荷下降速度过快，则会导致车辆振动。所以，在常规车辆中应用主动悬架最主要关注的问题，是内燃机动力学。再者，主动悬架载荷可能会改变内燃机的最佳工作区间，导致燃料的浪费。 目前全世界都在追求无污染并可以将燃料的利用率最大化的汽车，而混合动力电动汽车（HEV）就是最切实可行的汽车之一。为了克服传统汽车的缺陷，混合动力电动汽车拥有两种能量转换器用以生成能量驱动汽车。比如，HEV的结构中包含了一个与油箱相连的内燃机和一个携带有蓄电池的电机。混合动力电动汽车中的动力传动系统可以通过两种方式启动，即通过内燃机和电动机启动。和传统汽车不同的是，在HEV中，车辆的子系统可以由内燃机启动也可以由电源启动。这一点在当其中一种能源由于条件限制而无法及时供应时显得尤为重要。另外，当电源处于充电状态时，HEV可以循环使用主动悬架的能量进行充电。在本文中，提出了主动悬架系统在混合动力电动汽车中应用的想法。本研究的主要目的旨在探讨：相较于常规汽车，当主动悬架应用于混合动力电动汽车时的一些潜在优势。为此，作为一个初步目标，研发了一个仿真工具，以便悬架系统和动力传动系统能够实时仿真。在这种方法中，将动力系统和主动悬架系统集成在一起，以研究主动悬架系统和动力系统之间功率和数据的交换。使用该仿真方法，可以从能量和应用的角度研究混合动力电动汽车中的主动悬架系统。本文的结构如下，首先描述了主动悬架系统的仿真和控制，传统汽车和混合动力电动汽车的动力系统其次。此外，对基于模糊控制方法的HEV能量管理进行说明。最后，引入实时仿真，讨论并分析仿真结果。2. 主动悬架的仿真与控制 作为仿真和控制，本文给出了具体的实现方法。汽车悬架的动力学方程首先给出了运动形式。其次讨论悬架系统中速度模式对时域干扰的影响。最后，介绍了主动悬架的控制方法。2.1 悬架系统运动的动力学方程 在这项研究中，悬架的仿真使用了一个整车模型。这个模型是乘坐舒适性评估的合适选择，它可以捕捉乘坐时的有效运动，即身体的晃动，俯仰和滚动加速度。图1.七自由度汽车悬架系统模型该模型运动矩阵方程如下： (1)其中M、K、C和F是质量、刚度、阻尼，和强迫矩阵。X表示状态矢量，其元素是身体弹跳、俯仰和滚动运动及其导数质量垂直位移及其对称导数。假设车身和车轮位移是从静态平衡位置测量出来的，轮胎的抓力也建模为非线性函数，如下所示： (2)其中，和是轮胎刚度系数，非簧载质量位移，道路位移干扰，以及悬架弹簧静态偏转。2.2 环境影响道路时域干扰不仅取决于在道路轮廓几何上，还有车辆速度。因此，还必须考虑悬挂系统中驾驶模式对时域干扰的影响。速度模式对悬架系统的影响可以被描述为一辆具有具有变速行驶模式的车辆在正弦道路上行驶时的情况。振动传递的频率取决于车速，乘客对振动传递的感知随速度的变化而变化。在真正的行驶中，车速变化频繁，速度的变化应该算在悬架系统时域的评估中。2.3 主动悬架系统的控制装置设计为了控制主动悬架系统，采用主动天棚阻尼控制法。众所周知的天棚控制策略是由Karnop申请的专利，用于控制力计算。顾名思义，天棚配有一个空中惯性参考的阻尼器，如图2所示。图2.天棚模型为了在全车模型上使用天棚阻尼控制法，假设人体通过天棚阻尼器悬挂在其拐角处。考虑到这种情况，全车模型被分为四个独立的四分之一模型。该设计的设想是，在其拐角处减小从悬架系统传递到人体的力，使得向人体传递的总力降低。从而降低身体的弹跳、俯仰和滚动。换句话说，车体的运动是由四个拐角处的主动悬架执行器控制的，这些力在每个角落可以通过天棚阻尼控制策略计算出来。全主动控制状态所需的控件力等于弹簧质量、速度和天棚阻尼系数的乘积，如4式所示。因此有能量进入系统的同时也有能量放出。这使全主动控制成为影响弹射质量的有力工具。主动悬架系统运动方程为3式： (3) (4)其中，是天棚阻尼系数。在主动悬架模型中，悬架的弹簧刚度系数下降至原来的四分之三。主动悬架即时功耗可根据式5计算： (5)3. 动力传动仿真在本节中，主要描述动力总成的仿真。动力系统的主要仿真目标是，通过常规车辆和混合动力汽车的主动悬架载荷获得一个可接受的燃料消耗预估值(燃料消耗)和废气排放值。这一项目反映在仿真中，动力总成的仿真采用了一种后掠台阶的方式。如图3.图3. 后掠台阶式模拟方法示意图这种方法不需要任何驱动程序模型。而且，驱动周期由车辆进行追踪。驱动周期是速度与时间的曲线，可以显示出在特定地域的驾驶模式。车辆所需所需的扭矩和速度由牵引力和速度转化，后者必须由车轮或其他上部件提供。高级汽车仿真软件(ADVISOR)和MATLAB-SIMULINK都可用于学习仿真。ADVISOR采用前进或后退的方式进行模拟演示，对常规汽车和HEV都可以进行模拟。前者主动悬架所需的能量由内燃机直接提供，而后者可以通过可以由HEV电源总线提供。模拟参数以及车辆部件模型已针对先前研究中设计的HEV和传统车辆进行重置。4. 混合动力总成控制 本研究采用模糊控制方法来设计混合动力汽车控制策略。模糊控制器的主要目标是使内燃机在其最佳运行点附近工作。根据内燃机在当前车速下的参数，确定了发动机的最佳运行点，以使瞬时燃料消耗和排放最小化。在任何特定的时间点，内燃机的旋转是根据动力总成的配置和当前齿轮的比例来确定的，这是进行瞬时优化的速度。对于当前的速度，考虑内燃机提供的所有可能的转矩。然后，所有扭矩的燃料消耗和排放量(HC、CO和NOX)以当前速度从发动机数据和以下函数中提取。N是针对所有这些点计算的：其中所有变量都标准化为其相应的目标限制值。燃料消耗的目标值由设计者决定，而排放时则根据尾气排放标准。此外，wi是根据其重要性分配给每个参数的相对权重。各自由度很大，权重必须根据设计目标来选择。例如，当主要目标是车辆燃料消耗的最小化时，燃料消耗的权重被设置为1，并且排放权重被设置为零。在这项研究中，PNGV乘用车限制被用来确保在折衷解决方案期间不降低车辆的性能。内燃机提供的实际转矩必须是确定的，以便驾驶员的转矩要求（来自制动踏板和加速踏板）随时得到满足，并且使得电池充分充电。因此，内燃机的实际输出转矩是在基于内燃机最佳运行点，驾驶员转矩要求和电池充电状态（电池充电状态）的基础上通过模糊控制策略控制的。电机提供满足驾驶员命令所需的该速度下的剩余转矩。EM可能会产生正扭矩或负扭矩。该控制策略的示意图如图4所示.FLC设计细节已经在之前的工作中进行了描述。图4.混合动力总成控制策略5. 动力系统和主动悬架系统的即时仿真 为了在集成媒介中研究主动悬架系统和动力总成系统的即时仿真，本研究开发了一个即时仿真工具。本部分介绍了即时仿真概念。主要从环境输入、车辆动力学和能量相互作用三个方面研究即时仿真问题。悬挂系统和动力系统所受环境影响有很大的不同。悬架系统的主要干扰包括的道路非正则性所模拟的随机或波动信号，而动力系统输入与由预定义的驱动模式所代表的车速模式有关。此外，悬架系统的输入与车速密切相关。因此，悬挂系统的扰动必须根据车速不断调整。动力系仿真主要基于准稳态仿真方法，其中各部件的稳态特征图用于计算。但是，通过引入悬架系统动力学可以更快列出微分方程。 在这种情况下，由于准稳态假设，动力系统所需的步长数值远远大于主动悬架系统。因此，在同时模拟这两个系统时，一个合适的步长数值至关重要。最后，主动悬架和动力系统在能量方面相互作用，而动力系统对所需功率的要求是持续的。在传统车辆和混合动力汽车中主动悬架系统与动力系统能量的相互作用也是不同的。在常规车辆中，这种动力负荷是施加在内燃机上的，而在混合动力汽车中，这种动力负荷可能需要蓄电池。在这项研究中，传统车辆和HEV的能量相互作用分开考虑。在传统车辆中，作为负载被建模为一个额外的扭矩增加到发动机所需扭矩中，如图5所示。然而，在混合动力汽车中，这种负载被认为是从电力总线中分离的附加电气负载，如图6所示。然后根据控制策略，由发电机或蓄电池提供电源。图5.同时模拟主动悬架和常规动力系统的数据流图6.同时模拟主动悬架和HEV动力系统的数据流6. 仿真研究与结果分析对上述动力总成-悬架组合进行了仿真，最后给出了计算机仿真结果。悬架参数如表1所示。此外，下列规格是为HEV混合动力传动系设置的：变速箱：五级手动变速箱齿轮比为：2.84，3.77，5.01，5.57和13.45，应该注意的是，最终传动比已经包括在变速箱的比率中。齿轮箱效率设为95%。内燃机：41KW SI发动机，由Geo Metro 1.01 SI发动机定标而成。电机：13.5KW交流电机，通过标定西屋豪斯交流感应电机而成，最大功率输出为75KW。储能系统：1412V霍克成因阀调节铅酸电池，12V26Ah10EP型。催化剂转换器：用于SI发动机的紧密耦合的常规转换器。表1.模型参数数值名称代数数值簧载质量惯性质量矩XY轴上的非簧载质量汽车轮胎刚度悬架刚度悬架减震系数轴距Y轴与前后轮胎的距离发动机和电动机的尺寸以及电池模块的数量是基于先前通过使用GA方法的缩放技术的研究获得的。此外，对于传统的动力系仿真，使用HEV燃烧引擎的缩放版本。并将动力总成系统的时间步长调整到可以接受的程度。这不会违反向后方法中的动力系统的仿真结果。相反，运行时间将大大增加。结合道路干扰和驾驶模式，对悬架系统进行了两种组合扰动的研究，如表2所示。表2.组合式路面驱动方式干扰装置在第一个设置中，车辆在经过崎岖不平的道路时追踪ECE速度模式（图7）。 在第二种设置中，假设车辆以80km/h的恒定速度在随机道路上行驶。图8示出了Bumpy-ECE的联合扰动。图9也显示了等速时的随机道路干扰。在结合Bumpy-ECE扰动的模拟中，发动机是在冷状态下启动的。而在随机常扰动的模拟中，它是在热状态下启动的。图7.ECE驾驶模式图8.Bumpy-ECE组合干扰图9.随机道路干扰图10和图11分别示出了在Bumpy-ECE干扰下，主动和被动悬架系统的加速度和反弹加速度。从这些图中可以看出，主动悬架系统已经导致传递到身体的加速度显着降低。此外，速度变化显然影响传递到车身的振动，这意味着速度模式对乘坐舒适度的影响。在这种情况下，传输的加速度的幅度和频率随着速度的增加而增加。图10.Bumpy-ECE组合干扰下的反弹加速度图11.Bumpy-ECE组合干扰下的加速度图12,13分别展示了随机常数和Bumpy-ECE组合干扰的功耗。从图13中可以看出，随着车辆速度的增加，主动悬架瞬时功率需求急剧增加，这种情况可以表明，车速模式同时影响车辆的乘坐舒适性和主动悬架系统的能量消耗。这是一个重要结论，意味着当车辆经历不同的道路情况和驾驶条件时使用自适应控制系统。表3显示了车辆排放和燃料消耗结果。从表中可以看出，主动悬架系统负荷导致传统车辆和HEV的燃料消耗和排放增加。然而，对于Bumpy-ECE道路循环干扰，这种增加更为可观，其中主动悬架系统即时功率需求远大于随机 - 恒定道路循环干扰（图12和13）。此外，由于燃烧室温度对排放物有显着影响，对于内燃机在高温条件下启动的随机常数情况，排放明显减少。图14和15分别显示了使用组合的Bumpy-ECE组合干扰的常规和混合动力动力总成系统的内燃机最佳操作点。从这些图中可以看出，主动悬架载荷引起内燃机所需扭矩的上升。图12.随机常数循环干扰的主动悬架即时功耗 图13.Bumpy-ECE组合干扰的即时功耗图14.传统汽车Bumpy-ECE组合干扰的内燃机最佳运行点图15.HEVBumpy-ECE组合干扰的内燃机最佳运行点 表3.排放和燃油消耗结果1：传统汽车；随机常数组合干扰2：传统汽车；Bumpy-ECE组合干扰3：HEV；随机常数组合干扰4：HEV；Bumpy-ECE组合干扰为了进一步研究主动悬架载荷对动力总成系统的影响，更精确地检查了发动机所需的扭矩。图16和17分别描绘了常规车辆和HEV动力总成系统的内燃机所需扭矩。 图16.HEV动力总成系统的内燃机所需扭矩 图17.常规汽车动力总成系统的内燃机所需扭矩在传统的动力总成系统中，内燃机显然受主动悬架载荷动力学的影响，如图17所示。从该图中可以看出，主动悬架载荷转化为施加于内燃机的高频转矩载荷。然而，由于内燃机需要时间来适应施加于其上的时变负荷，所以它不能向主动悬架系统提供所需的功率，因此，会发生功率不足的现象。相反，混合动力系统中的主动悬架载荷会使发动机所需扭矩信号发生相对均匀的变化，如图16所示。在混合动力汽车中，电源需求的一部分是由电气蓄电池提供。图18和图19分别描述了带有被动悬架负载和带有主动悬架负载的电池充电状态曲线。没有主动悬架负载的电池充电状态曲线是一个平滑的曲线，如图18所示。但是，在携带主动悬架负载时的电池充电状态曲线出现了一些波动，如图19所示。图18.装有被动悬架的HEV在Bumpy-ECE组合干扰的充电状态图19.装有主动悬架的HEV在Bumpy-ECE组合干扰的充电状态7. 总结本文研究了主动悬架系统在混合动力汽车中的应用思路。为此，提出了一种同时仿真主动悬架和动力系统的方法。在该仿真中，数据和功率相互交换。仿真结果表明，主动悬架载荷增加了传统车辆和混合动力汽车的燃料消耗和排放。然而，在常规车辆中，主动悬架载荷被转换为附加载荷。在混合动力汽车中，高频扭矩负荷对发动机的影响很大，它会使发动机扭矩平稳地上升。因此，在常规车辆中，由于内燃机响应速度慢 ，由于动力不足以及发动机的迟滞和振动，更有可能发生。此外，仿真结果也证明了主动悬架系统作为系统电源的替代平台，在混合动力汽车中的应用是有效的。参考文献1 Hac,A.,Optimal Linear Preview Control of Active Suspension,Vehicle System Dynamics,Vol.21,1992,pp.167195.2 Fischer,D.,Isermann,R.,MechatronicSemi-Active and Active Vehicle Suspensions,Control Engineering Practice,12,2004,pp.13531367.3 Mrad,R.B.,Fassois,S.D.,Levitt,L.A.,APolyniminal-Algebric Method for Non-Stationary TARMA Signals Analysis-Part II:Application to Modelingand Predicting Power Consumption in Automobile Active Suspension Systems,Signal Processing,65,1998,pp.2138.4 Montazeri-Gh,Kashani,M.,Energy Regeneration of Active Suspension System in Hybrid Electric Vehicles,Advanced Vehicle Control Conference,Japan,2002.5Ping.Hsu,PowerRecoveryPropertyofElectricalActive SuspensionSystemsIEEE,96024,1996.6 Montazeri-Gh,M.,Jazayeri-M,S.Y.,Soleymani,M.,Vehicle Ride Evaluation Based on a Time-Domain Variable Speed Driving Pattern,International Journal of Vehicle Design,Vol.47,Nos.1/2/3/4,pp.81101,2008.7 Goncalves,F.D.,Dynamic Analysis of Semi-Active Control Techniques for Vehicle Applications,M.S.C Dissertation,Virginia Polytechnic Institute and State University,2001.8 Karnopp,D.,Crosby,M.J.,System for Controlling the Transmission of Energy Between Spaced Members.UnitedStatesPatent#3,807,678,1974.9 Wipke,K.B.,Cuddy,M.R.,Burch,S.D.,ADVISOR2.1:aUser-FriendlyAdvancedPowertrainSimulationUsing a Combined Backward/Forward Approach,IEEETrans.Vehicular Technology,48(6),1999,pp.17511761.10 Montazeri,M.,Poursamad,A.,B.Ghalichi,Applicationof GeneticAlgorithmforOptimizationofControlStrategyin Parallel Hybrid Electric Vehicles,Journal of the FranklinInstitute,343,2006,pp.420435.11 Johnson,V.H.,Wipke,K.B.,Rausen,D.J.,HEV Control Strategy for Real-Time Optimization of Fuel Economy
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号