汽车电控空气悬架控制系统研究

1、汽车电控空气悬架控制系统研究RESEARCH ON THE CONTROL SYSTEM OF ELECTRONICALLY CONTROLLED AIR SUSPENSION年月汽车电控空气悬架控制系统研究Dissertation for the Masters Degree in EngineeringRESEARCH ON THE CONTROL SYSTEM OF ELECTRONICALLY CONTROLLED AIR SUSPENSIONCandidate: Supervisor:Academic Degree Applied for:摘要本文以电控空气悬架(ECAS)控制系统为

2、研究对象，参考国外同类车辆的空气悬架的控制功能，采用神 经网络和模糊控制理论，通过MATLAB/Simulink 和 ADAMS/Car 的机电联合仿真，来设计和验证了所开发的空气悬架控制系统模型的正确性。首先，利用 ADAMS/Car 软件建立了轿车整车空气悬架系统。参考国外同类型车辆，前悬架选用双横臂悬架，后悬架选用多连杆悬架，并分别对前后悬架运动学参数进行了优化。在此基础上，选用了其他各个系统的部件， 包括车身、转向系、发动机传动系、制动系统和轮胎。接着，研究了整车空气悬架的控制器设计，包括车高控制和车身俯仰控制两部分。对于车高控制部分，对前悬两个空气弹簧独立控制，后悬两个空气弹簧一同控

3、制，并对每组控制器分充放气过程进行控制。首先建立了车高PID 控制器，接着建立了车高 BP 神经网络控制器，最后通过性能比较，建立了一个混合车高控制器。对于车身俯仰控制部分，同样分三个控制器，根据实际驾驶中能够获得的车辆运行信息，运用模糊控制理论建立了车身俯仰模糊控制器。从各单项仿真结果和按照国家标准进行的平顺性和操纵稳定性仿真结果可以得出：所设计的空气悬架系统模型基本合理；所设计的空气悬架控制器性能良好，能满足实际应用的需要。关键词空气悬架；控制；联合仿真；神经网络；模糊理论- I -AbstractTaking the Electronically Controlled Air Suspe

4、nsion(ECAS) as the research object, the paper discusses the building-up of its control system based on cosimulation between MATLAB/Simulink and ADAMS/Car using Neural Network and fuzzy theory. Then cosimulation is used again to validate the correctness of the control system.Firstly, the whole vehicl

5、e air suspension system is built up based on ADAMS/Car. Considering the vehicles of the same type in foreign countries a double wishbone front suspension and multilink rear suspension are adopted to form a full vehicle, then the suspensions kinematic parameters are optimized. After that some other s

6、ubsystems such as car body, steering, powertrain, breaking and tires subsystems are selected.Secondly, the software part of the ECAS is designed including vehicle height control subsystem and car body pitch control subsystem. For the height control part, two air springs of front suspension are contr

7、olled separately and two rear suspension are controlled together. For each single controller the gas charge and exhaust processes are considered too. A PID height controller is built up first, then a BP Neural Network height controller is built up. After comparing two height controllers performance

8、a hybrid height controller is built up lastly. For the car body pitch controller there are three controllers too. According to the vehicle running data which can be easily obtained a fuzzy body pitch controller is built up.The simulation results either from separate ones or from vehicle ride and sta

9、bility simulations according to our national standards show that, the designed full vehicle air suspension is reasonable; the performance of designed air suspension controller is excellent and can be put into application.Key words Air suspension, Control, Cosimulation, Neural network, Fuzzy theory-

10、II -目录- IV -摘要IAbstractII第 1 章绪论11.1 本文研究目的和意义11.2 空气悬架研究现状及分析21.2.1 国外空气悬架概况和研究现状21.2.2 国内空气悬架发展和研究现状31.3 本文研究内容5第 2 章空气悬架系统特性分析62.1 空气弹簧及空气悬架系统特性概述62.2 空气弹簧建模方法介绍82.2.1 数学公式建模82.2.2 有限元方法建模122.2.3 试验特性建模122.3 本章小结13第 3 章ADAMS/Car中整车空气悬架模型建立143.1 ADAMS/Car软件简介143.2 ADAMS/Car中整车模型建立过程153.2.1 ADAMS/C

11、ar中空气弹簧模型建立153.2.2 前后悬架模型建立173.2.3 其他子模型建立233.2.4 整车空气悬架模型243.3 本章小结26第 4 章空气悬架控制策略研究274.1 控制要求及控制方案274.2 车高调节PID控制284.3 神经网络车高调节314.3.1 神经网络控制简介314.3.2 神经网络控制器建立314.4 混合车高调节器354.5 刚度控制实现374.5.1 控制原理374.5.2 车身俯仰模糊控制器构建384.5.3 车身俯仰控制仿真394.6 本章小结41第 5 章ADAMS/Car和MATLAB联合仿真分析425.1 平顺性仿真分析425.1.1 脉冲输入平顺

12、性分析425.1.2 随机输入平顺性分析425.2 操纵稳定性分析445.2.1 转向盘角阶跃输入分析445.2.2 稳态回转仿真与验证455.3 本章小结46结论48参考文献49致谢55第 1 章绪论1.1 本文研究目的和意义随着我国公路运输业的发展，人们对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性提出更高的要求。因此，研究如何使车辆行驶性能达到理想性能指标已是重要课题。在传统的被动悬架中各参数一经确定就无法改变，从而限制了汽车性能的进一步提高。阻尼或刚度参数可调节的半主动悬架，可以根据汽车的行驶状态和道路激励大小自动调节悬架参数，使其始终保持在最优设定状态，提高了汽车行驶平顺性和操纵稳定性，因

13、此受到广泛的关注1,2。空气弹簧半主动悬架系统能够根据汽车的行驶状态和道路激励大小对弹簧刚度参数进行调节，从而影响悬架参数，使悬架保持在最优设定状态，提高了汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，同时也减轻了重载车辆对路面的破坏， 是主动悬架的一大发展趋势3。但传统的带有机械式高度调节阀的空气弹簧悬架系统只能根据载荷变化来调节悬架刚度，使车身高度不变，它不能根据汽车操纵稳定性和行驶平顺性指标综合考虑控制因素来调节悬架刚度。为了从根本上解决这一问题，应构造一个新的电控制空气弹簧悬架系统，即将原机械式高度调节阀的车高测量和对气囊充放气功能分解，用一个高度传感器和一个电磁阀来代替，同时增设ECU控制单元，从而

14、形成电控空气弹簧悬架的硬件系统。通过相关的传感器检测出汽车行驶状态参数，并使用合适的控制算法来控制空气弹簧的刚度调节过程，最终形成的就是电子控制空气悬架系统(ECAS)4。随着运输业和电子计算机技术的发展，汽车控制系统的智能化程度越来越高，电子控制空气悬架(ECAS)必将得到广泛应用。而目前电控空气悬架系统的核心技术都只被国外少数几个公司垄断，所以研究具有自主知识产权的电控空气悬架系统，对于提高整车技术含量，缩小我国在高档轿车、客车和重型货车与国外的差距，具有重要的现实意义和广阔的市场前景。- 31 -1.2 空气悬架研究现状及分析1.2.1 国外空气悬架概况和研究现状空气弹簧诞生于十九世纪中

15、期，早期用于机械设备的隔振。经过了一个多世纪的发展，到二十世纪 50 年代才应用到载货汽车、轿车、大客车及铁道车辆上。20 世纪 30 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。哈维·凡世通(Harvey Firestone)在亨利·福特一世(Henry Ford I)和托马斯·阿瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)技术的支持下，在 1934 年研制出了空气柱形式的空气弹簧悬架系统AIREDE空气弹簧。1944 年，通用汽车公司与凡世通公司合作，在其客车上进行了首轮试验，证实了空气悬架系统的内在优越性。1947 年，美国首先在

16、普尔曼车上使用空气弹簧5。通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作，于 1953 年开始生产装有空气悬架的客车，这是商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。20 世纪 50 年代中叶，固特异(Good year) 轮胎公司研制出一种滚动凸轮式空气弹簧，同时，空气控制系统的巨大进步也为空气悬架的应用起了很大的推动作用。美国纽威·安柯洛克国际公司在1951 年成立时即作为一家悬架系统的专业生产厂家，为公路和非公路行驶的重型车辆设计和制造钢板弹簧悬架系统。不久，纽威公司向商用车市场投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。因其通用性强，结构简单，成本较低，迅速占领了北美市场。随后纽威公司开发了一系列

17、空气悬架产品，应用于世界各地的客车、卡车、小轿车及铁道汽车上。与此同时，空气悬架技术在欧洲也很快发展起来，但欧洲的发展道路和北美有些不同。欧洲的汽车生产厂商并未将空气悬架变成单独总成，而是各自开发满足其独特车型需要的空气悬架。这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某种具体车型并采用一些复杂技术，因而其使用成本较高。目前，国外高级大客车几乎全部使用空气悬架，重型载货车使用空气悬架的比例已达 80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升，部分高级轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯、德国的 Benz300SE、Benz600 和 AudiA8 等。在一些特种车辆(如对防震要求较

18、高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等)上，空气悬架几乎为唯一选择。随着空气弹簧悬架应用的推广，对空气弹簧悬架的研究也得到了重视。JREVANS等人对空气弹簧在火车上的应用作了深入的研究，并在 1970 年进行了空气弹簧垂直特性试验，建立了空气弹簧垂直动态特性模型6。汽车空气弹簧悬架空气弹簧的侧向特性试验于 1994 年完成，在较宽频带内和大幅值条件下，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。在空气弹簧悬架系统中，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。Katsuya Yoyofuku等人

19、通过研究振动频率和弹簧反应之间的关系，分析管路和气室对弹簧特性变化的影响7。Jon Bunne和Roger Jable研究了空气悬架对汽车传动系统振动的影响8。John woodrooffe通过试验评价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9。随后， AlfHomeyer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想10。纵观历史，国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧气囊复合式悬架 被动全空气悬架半主动全空气悬架全主动空气悬架(即 ECAS 电控空气悬架系统)”的变化。应用了电子控制系统 ECAS 的空气悬架系统，使传统的空气悬架系统的性能得到

20、很大改善，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)，可以预见，ECAS 在其他汽车上的应用将越来越普及。1.2.2 国内空气悬架发展和研究现状我国早在二十世纪 50 年代就对空气弹簧进行了研究1113。1957 年初， 长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究，同年底制造出我国第一辆空气悬架货车14。1958 年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气弹簧悬架。其中最早试制的是北京公共汽车公司第一保养场的道奇T234 公共汽车，改装后行驶里程超过

21、 6 万公里。同年底汽车研究所和北京交通运输局基本建设处一起完成了高度控制阀的设计，这种高度控制阀由车门的开关信号来控制车身高度。第二年又设计出高级轿车使用的具有举升系统的高度控制阀。这段时期，我国共设计出十余种空气弹簧和三种高度控制阀。其中最早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的研究工作也存在一些问题，如高度控制阀的可靠性、整个系统的密封性、悬架的稳定性以及空气弹簧的特性理论等问题没有得到很好的解决同时也存在对空气悬架的认识问题。80 年代初长春汽车研究所再次进行空气弹簧悬架的研究15，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气弹簧悬架，当时车身自振频

22、率可降低到 1.11.2Hz，平均车速提高了 17%。悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了 5060 公斤。同年还为沈阳电车公司修配厂试制了沈阳SY662 空气弹簧无轨电车，运行了 6 万公里，试验结果表明车身、车桥及联接部件基本没有损伤。1987 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CA151D18 空气弹簧悬架客车底盘，并装在SFQ6981A型客车上。这期间国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低和高度控制阀泄漏等问题没有得到很好解决。上世纪 90 年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气弹簧悬架及空气弹簧悬架客车底盘，对其产品进行技术改进，以提高其产品的技术含量，抢占国内

23、高档客车市场，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、西安飞机制造厂、安凯汽车股份有限公司、亚星客车集团公司和丹东汽车制造厂等。同时国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究。如东风汽车工程研究院对混合式空气弹簧悬架进行过设计16，中国重型汽车集团公司在斯泰尔车上安装了浮动桥空气弹簧悬架。上海汇众汽车制造公司重型汽车厂对KL6120HF型旅游客车底盘进行了改进设计，淝河汽车制造厂自行开发设计了空气弹簧悬架，并安装在HF6120D05 型大客车上。1991 年交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气弹簧悬架的导向机构进行了研究17。1999 年交通部重庆公路科学研究所又

24、对WD6890H型客车安装Neway 空气弹簧悬架的整车进行了研究18。江苏省交通科学研究院与江苏亚星客车厂共同开发中型客车用混合式空气弹簧悬架。湖北大学提出了根据振幅的变化范围确定具有非线性弹性元件的悬架固有频率计算方法，同济大学曾对空气弹簧系统的动特性进行过研究19。北京理工大学也进行了日野RC420 型客车空气弹簧的台架试验，并进行了空气弹簧静、动特性和气室容积特性的分析20。在这段时期沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了GB11612-89客车空气悬架用高度控制阀和 GB/T13061-94汽车悬架用空气弹簧橡胶弹簧国家标准，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。为了满足

25、空气弹簧悬架维修配件的需要，近年来国内一些企业正在生产空气弹簧悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡胶厂、铁道部四方车辆研究所等厂家，主要生产各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。也有些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所设计了空气阻尼制动高度调整阀，主要配置安装在有空气弹簧的地铁车辆、铁路车辆、汽车和一些机械设备上。华中理工大学也曾设计开发过机械式高度控制阀。中国电子工程设计院研制了无延时机构机械式高度阀。交通部重庆公路科学研究所重庆康吉车辆技术开发公司生产的 GDF-F 高度控制阀，主要应用于空气弹簧悬架的大客车上。浙

26、江瑞安市东欧汽车零件厂生产了 GDF 气囊高度控制阀的系列产品。同时一些外资企业也在中国进行空气弹簧悬架的生产和销售，如美国的Neway 公司、Ridewell 公司、德国的 SAF 公司等。其产品主要是客车、挂车和半挂车用空气弹簧悬架系统。近几年，国内对半主动空气弹簧悬架系统也进行了一系列的研究。在空气弹簧悬架设计和整车匹配技术方面做了大量开创性的工作2123。对空气悬架控制系统的研究主要分为为几个方向，有人用单片机编程加入PID控制来控制空气弹簧24，有人用神经网络来进行空气悬架控制系统研究25,26，有人利用模糊控制理论来研究空气悬架控制系统2729，还有专门研究空气悬架控制算法的30。

27、但这些对空气悬架控制的研究大多建立在四分之一车辆模型基础上，在实际应用时会碰到很多问题。同时我们还存在一些关键的设计制造问题没有解决，如空气弹簧的制造和空气电磁阀的设计31。上述情况表明，空气弹簧悬架近年来在国内得到了迅速发展，其技术已趋成熟，同时随着运输业和电子计算机技术的发展，汽车控制系统的智能化程度越来越高，电子控制空气悬架(ECAS)在我国必将得到广泛应用，市场前景十分广阔。1.3 本文研究内容本文将针对高档轿车，设计半主动空气悬架系统的控制软件主体功能， 实现根据汽车具体运行状态，进行悬架高度和空气弹簧刚度的自动调节。(1) 应用多体系统动力学软件 ADAMS/Car 模块，建立整车

28、动力学模型。(2) 运用 MATLAB/Simulink 建立空气悬架 ECU 控制模块。(3) 利用 Simulink 中建立 ECU 来控制 ADAMS/Car 中整车空气悬架模型， 利用联合仿真来进行各种工况下悬架响应特性分析。第 2 章空气悬架系统特性分析2.1 空气弹簧及空气悬架系统特性概述悬架由弹性元件、阻尼元件和导向装置等组成。空气弹簧悬架中的弹性元件为空气弹簧，它是利用压缩空气为弹性介质，将压缩空气充入密闭橡胶气囊中的一种非金属弹簧。空气弹簧和由它构成的空气悬架有许多优点：(1) 空气弹簧具有其刚度随气囊压力和辅助气室以及底座形状的变化而改变的特点，因此可以根据需要将空气弹簧设

29、计成具有理想刚度特性的形式。在装有高度阀的空气弹簧悬架中还可实现在任何载荷下车身固有频率保持不变这一特性，从而提高了车辆行驶平顺性。而对于普通金属弹簧，当设计参数确定后，其刚度固定不变，所以车辆载荷发生变化时其固有频率随载荷的变化而改变，从而无法保证在任何载荷下都具有较好的行驶平顺性。图 2-1 是普通金属弹簧悬架和带有高度调节阀的空气弹簧悬架的静态特性比较曲线， 图 a 为载荷挠度特性，图 b 为载荷频率特性。由图 a 可以看出，对于金属弹簧悬架其静挠度随载荷增加而增大，而对于空气弹簧悬架其静挠度在所有载荷条件下都几乎保持不变，从图 b 可以看出当载荷变化时金属弹簧悬架的固有频率变化比空气弹

30、簧悬架大，说明空气弹簧悬架具有其固有频率基本保持不变的特性。(2) 空气弹簧的通用性好。对于同一种空气弹簧，当充气压力改变时，可以得到不同的承载能力，因此，同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求。另外，可以通过高度控制系统的作用，使空气弹簧具有不同的安装高度，因此，同一种空气弹簧又能适应多种结构的要求。(3) 空气弹簧质量轻。对于高频振动的吸收和隔振、消声能力好。空气弹簧没有钢板弹簧的片与片之间的摩擦问题，与钢板弹簧相比，空气弹簧没有金属相碰和摩擦，工作时空气介质内摩擦极小，几乎没有噪声，这对于高级轿车和大客车尤为需要。(4) 空气弹簧悬架能保持车身高度基本不变。空气弹簧悬架依靠高度控制系统，使

31、车身在任何载荷下都能保持高度基本不变。当汽车的载荷发生变化时，车身和车桥的相对位置也跟着发生变化，高度控制阀在杠杆的作用下， 就打开或关闭气路，空气弹簧自动地被充气或放气，因而提高或者降低气囊内的压力，使车身回复到原来的高度。车身高度不变，对于大客车来说特别需要，它可以避免空载或轻载车身高度的增加，使乘客上下车不方便的缺点。此外，车身高度可以控制，在需要时抬高车身，提高汽车在坏路上的通过能力；在好路上行驶时，可以降低车身高度，提高整车的行驶稳定性。(5) 空气弹簧悬架能减轻整车对路面的破坏。汽车行驶时，路面受到汽车静载荷作用的同时，还受到来自车轮的冲击力，即动载荷。车速越高，动载荷越大，高速行

32、驶时，动载荷是静载荷的 23 倍。在车轮垂直力、纵向力和侧向力的综合作用下，形成对路面的剪切力，使道路表面形成雍包、波浪， 以至形成车辙。汽车的吨位越大，对路面的破坏程度越严重。因此，载货汽车已成为对高速公路破坏的主要原因之一。装有空气弹簧悬架的车辆高速行驶时，悬架刚度低，车轮动载荷小，减轻了高速行驶车辆对路面的破坏。(6) 空气弹簧悬架是一种刚度可变的非线性悬架。当簧载质量变化时，通过高度调节阀的作用使其刚度随之变化，它可以保持车身高度和车身固有频率基本不变，从而得到良好的行驶平顺性。同时在急转弯和加、减速工况时可以通过调节弹簧刚度有效地控制车身运动，以提高操纵稳定性。(7) 可通过给空气弹

33、簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上，降低车身高度，保持空气阻力系数为最佳，可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。在崎岖不平的道路上，为了通过障碍物，可以提高车身高度。图 2-1 金属弹簧悬架和空气弹簧悬架的静特性比较Fig. 2-1 Static characteristic comparison between suspensions of metal spring and airspring以上这些特点使得空气悬架在高档轿车、客车和重型货车上得到广泛的应用3239。此外，由于它与普通金属弹簧相比有许多优点，所以也应用于压力机、剪切机、压缩机、离心机、振动输送机、振动筛、

34、空气锤、铸造机械和纺织机械等方面作为隔振元件；同时可用做电子显微镜、激光仪器、集成电路及其它物理化学分析精密仪器等的支承元件，以隔离振动。2.2 空气弹簧建模方法介绍2.2.1 数学公式建模数学公式建模法主要有 Krettek-Grajnert 空气弹簧模型和 Nishimura 空气弹簧模型，分别介绍如下。2.2.1.1 KrettekGrajnert 空气弹簧 此空气弹簧模型由Grajnert和Krettek根据非线性热动力学方程建立，并且考虑了和周围环境的热交换。可以根据此模型建立单个或双个空气弹簧联合模型，并可以进行高度控制。如图 2-2 中所示，模型包括一个空气弹簧、储气罐和一个连接

35、管口组成。整个空气弹簧数学模型由三大平衡方程构成。(1) 能量平衡方程 对于空气弹簧，流入流出空气弹簧的气体能量加弹簧和周围环境的热交换，等于内能改变加空气弹簧做的功，等式如下：对于储气罐：- dQ1 + dQs = dU1 + dW- dQ2 - dQs = dU 2(2-1)(2-2)式中Q1 空气弹簧和周围环境能量交换；Q2 储气罐和周围环境能量交换；Qs 空气弹簧和储气罐之间的热交换；U1 空气弹簧中空气内能； U2 储气罐中空气内能； W 空气弹簧做的功。图 2-2 KrettekGrajnert 空气弹簧模型Fig. 2-2 Krettek-Grajnert Airspring m

36、odel(2) 质量平衡方程对于空气弹簧：对于储气罐：dM a= -Gdt(2-3)dMb = Gdt式中M a 空气弹簧内空气质量；Mb 储气罐内空气质量；Gdt 空气弹簧和储气罐间的空气交换。(3) 理想气体平衡方程对于空气弹簧有：d(PaVa ) = d(M a RTa )(2-4)(2-5)式中Pa 空气弹簧内压强； Va 空气弹簧体积； R 理想气体常数；Ta 空气弹簧气体温度。由式(2-5)得Pa dVa + Va dPa = R(M a dTa + Ta dM a )(2-6)最后得dT =1(V dP+ P dV - T RdM )(2-7)a对于储气罐有：aRMaaaaaad

37、(PbVb ) = d(Mb RTb )(2-8)式中Pb 储气罐内压强； Vb 储气罐体积； R 理想气体常数； Tb 储气罐气体温。由式(2-8)得Vb dPb = R(Mb dTb + Tb dMb )因为对于储气罐 Pb dVb = 0 ，不做功，有(2-9)dT =1(V dP - T RdM )(2-10)bbRMbbbb当 Pa > Pb 时，温度和压强梯度计算如下：dTa=dz , dQa dtdPa=dtdt dz , dQa dtdtdt 对于空气弹簧，等式为：f k,Ta , Pa ,Va , R, G, Ae ,f k, R,Ta ,Va , G, Pa , Ae

38、 ,(2-11)(2-12)对于储气罐，等式为：dTb =dQb f k, cp , cv , R,Tb , Pb ,Vb ,dtdt (2-13)dPb =dQ2 f k, R,Ta ,Vb , G,dtdt (2-14)当 Pb > Pa 时，温度和压强梯度计算如下：对于空气弹簧，等式为：dTa =dz dQa dtf k,Ta ,Tb , Pa ,Va , cv , cp , G, Ae , dt , dt (2-15)dPa =dz dQa dt对于储气罐，等式为：f k, R,Ta ,Va , Pa , G, Ae , dt , dt (2-16)dTb =dQb f k, R

39、, G,Tb , Pb ,Vb ,dtdt (2-17)dPb =dQb dt和周围环境的热交换：f k, R,Tb ,Vb , G,dt (2-18)dQa dt= f (lwa, Awa,Ta,T0 )(2-19)dQb= f (l, A ,T ,T )(2-20)dt空气弹簧容积改变如下：wbwbb0dVadz =f A ,(2-21)空气弹簧力为：dtF = (P - P e)´ Adt + dAe ´ z - F(2-22)zaatm e0dz式中F0 空气弹簧的预载；Ae 空气弹簧有效截面积；Patm 大气压强。2.2.1.2 Nishimura空气弹簧 Nis

40、himura空气弹簧模型是一个根据空气弹簧的热动力方程建立的线性机械模型，并带有可变的有效面积和流速与孔口大小的经验公式。此模型定义为微分方程，空气弹簧的垂直力定义为结果，模型示意图如图 2-3 所示。空气弹簧预载定义为 F0 = (P0 - Patm )Ae 或者直接指定数值。刚度 k1 ， k2 ，k3 和阻尼C 定义如下：1k = nP0 A 2, k = nP0 A 2, k= (P - P)dAe ,C = GA 2r(2-23)VVe2e3ba0atm dze0式中n 多变系数；r0 初始质量；G 定义刚度/阻尼参数的辅助系数，定义如下：式中g 重力加速度；d 管口直径。G = 1

41、R= 0.126gd 3(2-24)图 2-3 Nishimura 空气弹簧模型Fig. 2-3 Nishimura airspring model系统模型微分方程如下：- k * y + k * (DZ (i, j) - h- y)+ c * VZ (i, j) - dy =0(2-25)12airspringdt 空气弹簧力定义为：F = -k1* y - k3* (DZ (i, j ) - hairspring)- F(2-26)0式中DZ (i, j)空气弹簧上下安装点i 和 j 之间的距离；VZ (i, j) i 和 j 之间的相对速度；y k1 弹簧所对应的长度。由公式(2-26)

42、可见，所定义的空气弹簧力代表了总空气弹簧力和预载之间的差值。2.2.2 有限元方法建模空气弹簧有限元建模方法，是利用能模拟流体特性的有限元软件来建立空气弹簧模型40。这种建模思路需要不断地按照试验数据，来校正有限元模型的参数组合和设置。2.2.3 试验特性建模主要有两种试验方法：(1) 恒压试验试验时，允许空气进出空气弹簧。先用气体充满空气弹簧， 使其达到特定压强，然后压缩弹簧，用一力传感器测出空气弹簧垂直向力。随空气弹簧的压缩，气体从空气弹簧排出，但弹簧内压强保持不变。对弹簧进行各种不同压强的试验，直到额定压强，就得出一组等压曲线。这其实就同载荷平衡系统的作用过程相同。这种试验的结果曲线非常

43、容易被ADAMS 用来建立空气弹簧模型。(2) 固定空气质量试验(动态试验) 固定空气质量是另一种常用的空气弹簧试验方法，在试验过程中没有空气出入气囊，也可以称为空气弹簧动态测试方法。试验时，先对空气弹簧充气到一定压强，然后压缩空气弹簧，用一力传感器测量弹簧力的变化。随着空气弹簧的压缩，气囊内的压强也相应增加， 直到达到空气弹簧的额定压强。2.3 本章小结空气弹簧具有许多传统钢板弹簧和螺旋弹簧无法企及的优点，由空气弹簧组成的空气悬架系统可以把汽车的操纵性能和乘坐舒适性完美的结合起来，是一种值得推广的悬架。为了研究空气弹簧，讨论了几种比较常见的空气弹簧建模方法，并结合实际运用的方便和建模的准确性

44、，本文对空气弹簧建模拟采用恒压试验建模法。第 3 章ADAMS/Car 中整车空气悬架模型建立3.1 ADAMS/Car 软件简介ADAMS/Car是ADAMS软件中专门为汽车行业定制的模块，它不但集成了ADAMS/View模块的所有功能，还为构建整车模型提供了快捷的模块化途径41。首先，在 Template Builder 下建立模板文件。模板文件是一种参数化的模型，定义了模型拓扑结构和默认的几何参数，模型中的参数可以在子系统文件中更改，这样可以利用一个模板来定义各种不同参数组合的子系统。在建立模板时要选择各种主角(major role)，包括：悬架(suspension)，转向系(stee

45、ring) ，横向稳定杆(antirollbar) ，车轮(wheel) ，车身(body) ，动力系(powertrain)，传动系(driveline)，制动系(brake_system)，钢板弹簧(leafspring)， 分析(analysis)和环境(environment)。然后，在 Standard Interface 下建立子系统文件。子系统文件是基于模板的，在建立新子系统文件时，必须引用现有模板，并指定次角(minor role)， 包括任何(any)，前(front)，后(rear)和拖车(trailer)。子系统文件中，允许用户改变模板的默认参数和一些元件的定义。可以修改

46、的参数包括：硬点(hardpoint)，参变量(parameter variables)和一些元件定义(如弹簧类型)。子系统有两种模式：运动学(kinematic)和柔顺性(compliant)。在这两种模式中切换时，某些元件(如连接(joints，bushings)就会被关闭(disabled)，这完全是在建立模板文件时由用户自己定义的，这样就可以用一个子系统文件来同时用于动力学和运动学分析。之后，是在 Standard Interface 下建立子装配体或整车装配体(assembly)。装配体代表了一系列子系统文件的集合，包含试验台架(test rig)。建立装配时， 各个子系统之间主要是

47、通过硬点(hardpoing)来定位，通过在 Template Builder 中建立模板时建立的通讯器(comunicator)来进行数据交换的。在生成任何一种装配体后，就可以进行各种仿真了。仿真完后，可以通过后处理模块(Postprocessor)来画曲线进行分析。也可将建立的装配体后导入其它子模块(如 ADAMS/Ride，ADAMS/Insight)进行仿真分析。3.2 ADAMS/Car 中整车模型建立过程本文主要参考了国外凌志(LEXUS)LS 系列轿车建立了整车空气悬架系统，另外也借鉴了奥迪(Audi)A8 系列轿车和奔驰S 系列轿车的空气悬架系统。整车模型由前悬架、后悬架、车身

48、、转向系、制动系、动力传动系、前轮和后轮组成。3.2.1 ADAMS/Car 中空气弹簧模型建立在 ADAMS/Car 的 2003 版和 2005 版中，空气弹簧已经作为一种可选弹簧提供给用户，但由于它采用了固定的封装模块，限制了空气弹簧的更加灵活的运用，很难进行更加深入的分析。为此，本文参考原来 ADAMS/Car 中空气弹簧的定义，利用空气弹簧的恒压试验特性，建立了空气弹簧力学模型。(1) ADAMS/Car中空气弹簧的构成 空气弹簧力用一个两点间的力来模拟，组成参数有：上支点(i_marker)；下支点(j_marker)；预载(trimLoad)，弹簧起始高度时的弹簧力；起始安装高度

49、(trimLength)，弹簧上下支点间在预载下的长度；运行高度(DM(i_marker, j_marker)，车辆运行时弹簧实际长度；弹簧外壳体(spring damper geometry)；弹簧试验属性文件(property file)；三维曲面(spline)， 从属性文件中读取的空气弹簧试验数据。由上述定义方法，可得弹簧力的计算公式为：SpringForce=AKISPL(trimLength-DM(marker_i,marker_j),(trimLoad),spl ineID)其中，AKISPL 为一种插值方法。(2) 从试验数据到属性数据文件的提取过程 图 3-1 和图 3-2

50、为Enisize公司提供的空气弹簧试验特性数据，横坐标为英寸(inch)，纵坐标为磅力(lbs)。图中曲线从下往上分别对应压强为 0.138MPa ， 0.276MPa ， 0.414MPa ， 0.552MPa，0.69MPa。考虑实际安装特点，和空气弹簧可选设计高度范围，选取初始空气弹簧安装长度为 292mm(11.5inch)，在原数据位移中减去安装长度，进行单位转换，并对位移变化量取负(由 ADAMS 中弹簧力定义方法决定)，得到最后用于属性文件的空气弹簧低刚度状态试验曲线如图 3-3 所示，其对应的三维特性曲面如图 3-4 所示。处理完后高刚度状态下空气弹簧试验特性曲线如图 3-5

51、和图 3-6 所示。4000弹簧力(lbs)300020001000068101214161820位移(inch)50004000弹簧力(lbs)30002000100004681012141618位移(inch)图 3-1 空气弹簧低刚度试验曲线图 3-2 空气弹簧高刚度试验曲线Fig. 3-1 Airspring test result in low stiffnessFig. 3-2 Airspring test result in high stiffnessx 10424x 10弹簧力(N)1.510.502弹簧力(N)1.510.50150001000050000-10020010

52、0-150 -100-50050100150200变形量(mm)预载(N)0 -200变形量(mm)图 3-3 空气弹簧低刚度变形量与弹簧力曲线图 3-4 空气弹簧低刚度三维特性曲面 Fig. 3-3 Deflection and spring force curveFig. 3-4 Three dimensional characteristic of airspring in low stiffnesssurface of airspring in low stiffness2.524x 104x 103弹簧力(N)1.510.502弹簧力(N)10150001000050000-1001

53、00200-150 -100-50050100150200变形量(mm)预载(N)0 -200变形量(mm)图 3-5 空气弹簧高刚度变形量与弹簧力曲线图 3-6 空气弹簧高刚度三维特性曲面 Fig. 3-5 Deflection and spring force curveFig. 3-6 Three dimensional characteristic of airspring in high stiffnesssurface of airspring in high stiffness3.2.2 前后悬架模型建立在整车建模过程中，前后悬架的建模对整车性能的影响较大，也是本文研究和分析得的重点，故在此对前后悬架的建立进行了较为深入细致的探讨。(1) 前悬