教学材料《车辆》-第8章

军用运输车辆一般功率大，用途特殊，需要在各种地形、气候条件下，具有无道路战场上灵活运动和克服障碍的能力，因而，一方面，经常行驶于大负载、恶劣环境中时，动力传动系统容易产生较多的热量，导致常常出现发动机过热和液压油温度过高等现象，给军用车辆的使用带来种种障碍，也给车辆关键部件的使用寿命带来了严重影响，既增加了运行成本，又影响了战场进度；另一方面，发动机的燃油经济性随系统温度变化很大，当系统温度在90℃左右时，其效率最高，综合传动装置的空损功率随系统温度变化很大，保持一定的高温是保证动力传动系统功率利用率高的前提。因此，采用适当的冷却系统对动力传动系统进行适时散热，使发动机和传动系统工作于高效、可靠的温度范围之内，对于保证动力传动系统的正常运行、提高发动机以及传动系统的功率利用率、提高燃油经济性是十分必要的。军用车辆的动力装置、传动装置、冷却系统、润滑系统及其他辅助系统通常全部安装在由装甲板包围起来的动力舱中。8.1静液驱动冷却技术下一页返回由工作中的严格防弹和涉水、潜渡等任务所决定，动力舱是一个相对密闭的容积，不能利用车辆行驶的冲压作用使外界环境空气流入，必须依靠大功率、高转速的冷却风扇强制造成冷却空气的流动。传统的冷却风扇传动主要以机械传动为主，其冷却系统的冷却能力一般是按高温等最恶劣的使用工况下所需功率来设计的，风扇与发动机之间以定传动比传递动力，风扇转速随发动机转速的变化而变化，这就造成了冷却系统在绝大部分工况下功率利用率低的局面。尤其是在外界环境低温，车辆高速、中小负载条件下工作时，冷却系统冷却能力严重过剩，使发动机、传动系统预热缓慢，传热损失太多，导致发动机、传动系统过度冷却，动力传动系统的功率利用率太低，从而造成燃油浪费，发动机零件的磨损增加等。静液驱动调速装置由于采用高功率密度的泵、马达作为主要元件，其体积小，质量轻，工作可靠，泵与马达间通过柔性管路相连，可使冷却风扇布置灵活，从而可充分利用军用动力舱有限的空间；8.1静液驱动冷却技术上一页下一页返回静液驱动具有无级调速的能力，可以根据动力传动系统所需冷却功率实时地调整冷却风扇的转速，使发动机的水温和传动系统的油温控制在一定的范围之内，从而使冷却系统的功率利用率大大提高，既节约了资源，又提高了动力传动系统的可靠性，对提高军用车辆的平均无故障里程和大修期限具有重要意义。军用车辆的冷却装置由柴油机冷却水用散热器和综合传动装置工作油用散热器组合而成，通过冷却风扇冷却。一方面，为了增大散热量，另一方面，为了减小安装空间，军用车辆一般采用两个风扇来给散热系统散热。1.冷却风扇系统组成及其工作原理如图8-1所示，军用车辆静液驱动冷却风扇系统主要有变量泵、定量风扇马达、排量控制机构、计算机控制系统ECU等组成。变量泵由发动机通过一对啮合齿轮来驱动；两个风扇马达并联回路中，通过两个温度传感器来感知发动机水温和传动系统油温的变化；8.1静液驱动冷却技术上一页下一页返回计算机控制系统ECU根据不同的输入信号通过改变电控排量伺服阀的输入电流来实时改变变量泵的排量，实现实时改变风扇马达转速的控制。工作过程为:当发动机水温较低时，ECU根据冷却水温度传感器的测得数值来减少排量控制伺服阀的输入电流，以此减小泵的排量，液压泵输出较小的流量进入液压马达，液压马达驱动的风扇转速降低；当发动机水温太高时，ECU根据冷却水温度传感器的测得数值来增大排量控制伺服阀的输入电流，液压马达流量增加，风扇转速增加。这样就可以根据水温的高低，自动调节风扇的转速，以满足发动机的散热要求。综合传动装置液压油的冷却调节与以上类似，其控制为平行关系，也就是说，只要发动机冷却水或液压油一方温度达到风扇泵开启的设定值，风扇马达就会旋转。需要说明的是:由于风扇转速与静液驱动系统压力之间有一定的对应关系，风扇转速越高，马达负载越大，系统压力越高，因而风扇马达的转速根据检测静液驱动系统高压端压力就可换算出。8.1静液驱动冷却技术上一页下一页返回2.冷却风扇系统特点由于静液驱动本身的特点，具有良好的可控无级调速的能力，使得此冷却风扇可以连续调速，调速范围较大，且调速简单，控制容易，能较好地实现动力传动系统的温度控制，有利于节能；良好的柔性动力传递介质使得其产生的噪声要远比传统机械传动小得多，有利于降噪；同时，液压传动装置的功率密度大、体积小、质量轻、结构紧凑，可充分利用军用车辆狭小的布置空间。另外，软管连接使得安装灵活，使用方便。3.冷却风扇最高转速的确定为了不使冷却功率过高而产生噪声，风扇的最高转速(即电磁比例溢流阀最高压力)，可按最大热负荷工况所需风扇马达最高转速时的静液驱动系统的最高压力确定。为避免发动机冷却水温度较高或综合传动装置液压油温度较高时，车辆突然启动致使排量控制伺服阀全开，带来风扇冷却系统及其他系统的冲击，同时也为确保系统安全可靠，冷却风扇应逐渐开启，也就是风扇泵的排量逐渐增大，避免阶跃增加。8.1静液驱动冷却技术上一页下一页返回4.冷却风扇开启与关闭温度的设定冷却风扇开启与关闭温度点的选择对于提高风扇冷却系统的功率利用率，提高动力传动系统的效率以及延长其寿命具有“最优”的意义。针对军用车辆的具体情况，温度点设定如下:风扇泵排量控制对应发动机冷却水的温度范围为90～100℃。发动机冷却水温90℃时，ECU经数据分析后发出控制指令使电控冷却风扇开始工作，排量逐渐增大，风扇马达转速逐渐增加。当水温高达l00℃时，导风板仍处于敞开状态，这时冷却系统的冷却能力最大，实现快速降温。当发动机水温降回至85℃时，ECU发出控制指令，使电控冷却风扇停止工作。这样，直到发动机水温返升至90℃，电控冷却风扇又重新工作。综合传动装置的空损功率随液压油的温度升高而减小，也就是说传动系统液压油温度越高，系统效率越高，而另一方面，油温过高，也给系统带来不利影响，使油液迅速老化变质；需要油膜润滑的摩擦副，油膜难以建立；8.1静液驱动冷却技术上一页下一页返回油液的黏度降低，造成转向元件内泄漏量增加，转向系统效率降低；部分密封元件在高温时寿命也明显降低。由此，液压系统中的油温一般应控制在78～100℃范围内，最高不应高于105℃。系统由液压油温度传感器将液压油温度信号传给ECU，ECU判断油温是否达到最高温度78℃。如油温达到，则ECU输出控制电流信号，启动排量驱动风扇工作，直到油温降至最低温度75℃。5.冷却风扇排气口形状的改进受军用车辆实车安装空间所限，冷却风扇不可能有大的形状上的改变，因而改进的着眼点放在了排气的出口处。改进前的排气口形状如图8-2(a)所示根据流体力学的知识，由于风扇功率较大，排出的气流流速较快，在排气口壁面的阻挡干扰下，会在后面处形成涡流，致使排出气流紊乱，由冷却风扇排出的高温空气在遇到阻挡后，部分被弹回的排气会再次折返至冷却空气的进口处，从而发生被二次吸入的短路现象，造成风扇散热效率的下降。8.1静液驱动冷却技术上一页下一页返回为改善这种状况，提出了扩大排气口，并将其改制成喇叭形式样的方案(图8-2(b))。经研究表明，当喇叭的开放角度为60°时排气量最大，效果最好最终确定开放角度为60°。8.1静液驱动冷却技术上一页返回下一页目前大部分军用车辆上动力舱都安装了大排量的专业风扇，其叶轮直径一般为250～388mm，额定转速为5000～6000r/min，额定工况下功率消耗为20～20kW，风量达7～14kg/s以上，能够保证动力舱内发动机及其他热源部件在高温环境下的冷却散热。但由于国内军用车辆排风系统的生产制造仍维持在20世纪80年代末的水平。随着电子技术和微处理技术的发展，电控技术广泛应用于军用车辆的发动机控制和武器系统控制中，在动力舱排风系统中采用电控技术，实现军用车辆冷却系统多参数智能化自动控制，对于提高车辆排风系统可靠性、灵敏性、可控性及经济性均具有重要意义。8.2.1风扇驱动与温控技术目前军用车辆动力舱排风系统均采用传统的控制模式:一类是采用液力马达驱动风扇，通过节温器采集发动机出水温度，控制柱塞泵出口溢流量，从而改变流过液力马达的机油流量控制风扇转速，以达到控制风量的目的，其结构如图8-3所示。8.2动力舱排风控制技术下一页返回上一页这种结构只能由单一的温度参数控制风扇转速(或风量)，无法实现多参数自动控制风扇转速。另一类是采用液力耦合器驱动风扇，通过节温器采集发动机出水温度或排气温度，控制节温器内阀门的开度，以控制流经风扇内液力耦合器的机油流量，进而达到控制风扇转速的目的，其结构如图8-4所示。以上两种控制模式中的节温器是利用感温元件热胀冷缩的原理工作，依靠节温器中感温元件采集排气温度或发动机出水温度，通过感温元件热胀冷缩控制节温器内部油阀的开度，调节作为驱动力的机油流量，从而控制风扇的转速，达到调节风量的目的。这两种控制模式均存在以下问题:①由于节温器中感温元件对温度存在感应滞后效应，反应不灵敏，在车辆正常行驶的各种工况下，风扇排风量和冷却系统散热需求不能实现最佳匹配，即风扇排风量总是滞后于散热要求；②初始状态难于设定，工作状态无法进行手工调节等；③只能采取单一温度参数控制风扇转速，无法实现多参数控制；不能满足现代军用车辆冷却系统散热需求。8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回8.2.2风扇电控1.风扇电控模式军用车辆动力舱排风系统电控模式如图8-5所示，信号采集系统通过各种传感器实时采集发动机水温、发动机油温、发动机排气温度、风扇转速、动力舱内外环境温度、湿度以及车辆行驶速度、行驶负荷等参数，经信号转换、处理和CPU综合分析计算后，输出相应的电信号送至电控流量阀驱动模块，经驱动模块放大后直接驱动电控流量阀，从而控制流经电控流量阀的机油流量，即控制驱动风扇工作的机油流量，达到控制风扇转速，调节排风量的目的。该控制系统为智能化闭环自动控制系统。通过修改CPU控制程序参数，对初始的多参数标准进行设定；CPU根据实际采集的各种参数与设定值进行核对计算，输出控制量进行自动调节。当采集的参数高于设定的标准值时，根据多参数的综合增加量，相应加大电控流量阀的开度以增加机油流量，提高风扇转速；8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回当采集的参数接近某一设定的标准值时，控制风扇在某一转速下运转以维持动力舱内在设定的标准值下的热平衡；当采集的参数低于设定的最低标准值时，电控单元(ECU)输出信号关闭电控流量阀，风扇停止运转。2.电控流量阀电控流量阀主要由阀体总成、伺服电机及电子集成放大器(驱动模块)3部分组成，其结构如图8-6所示。电控单元通过控制伺服电机的转角来控制阀的开度，实现控制驱动风扇工作的机油流量。为了满足军用车辆动力舱内高温环境，电控阀的油封件采用耐高温密封圈，耐温可达100℃以上，对伺服电机的电子集成放大器部分，采用耐高温材料，并将电控流量阀布置在风道处降温散热。驱动风扇的机油流量Q与机油压力P、机油黏度μ和控制信号电压V之间的函数关系为

Q=f（P，μ，V）8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回在车辆正常行驶时，机油温度一般在90～100℃范围内，对于特定牌号的机油，其黏度μ可以认为定值，当机油压力P、机油黏度μ一定时，机油流量Q仅与控制信号电压有关，它们之间的函数关系变为Q=Af(v)，其中A为比例系数。3.电控流量阀可控参数试验测试图8-7为电控流量阀的试验测试结果。由图可见，在一定的机油压力下，在机油流量为4～22L/min范围内，电控流量阀的输入电压信号与通过阀的机油流量之间基本上成线性变化，在机油流量为0～4L/min和大于22L/min以上范围内，输入电压与通过阀的机油流量也可以分段处理成线性关系，这样就将驱动风扇工作的机油流量与控制信号电压之间建立了一一对应的函数关系，通过改变电压信号控制电控流量阀的机油流量来控制驱动风扇工作的进油量，实现自动控制风扇转速。8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回8.2.3风扇可控参数的测定1.风扇结构风扇采用前置导向静叶轮、后置叶轮布局，其结构如图8-8所示，主要由动叶轮、静叶轮、液力耦合器、导风圈、进出油嘴和护罩组成。动、静叶轮均采用液力效率高的哥梯根翼型叶片，并压铸制造成型。风扇内部设计了高效率的液力耦合器，由动力机构带动耦合器泵轮旋转，其转速与动力机构转速保持恒定的线性比例关系，通过液力耦合带动动叶轮旋转，动叶轮转速随流经的机油量的变化而变化。在军用车辆上，发动机通过传动机构带动耦合器泵轮旋转，然后通过液力耦合器带动风扇工作，机油来自发动机机油循环油路。该结构高效紧凑，工作稳定，满足军用车辆冷却系统要求。2.可控参数确定风扇动叶轮转速n2与输入轴转速n1之比和动叶轮旋转力矩M之间存在函数关系，其表达式为8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回机油充满系数与机油压力、黏度和流量有关，根据图8－7试验测试结果，机油流量与电控流量阀控制信号之间存在一一对应关系，机油充满系数可表示为

式中，V为电控流量阀控制信号电压。由式(8-1),（8-2)得

在机油压力P，机油黏度μ一定时，式(8-3)可简化为8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回

则n2=f(n1,V,M)(8一4)

在风扇结构和风道确定的情况下，风扇排风量Qα是动叶轮转速n2和风道阻力△Pα的函数，即Qα=f(△Pα，n2)(8一5)

由式(8一4),(8一5)得Qα=f(△Pα，n1，V，M)(8一6)对于特定的车辆和已定型风扇，对应于某一排风量，风道阻力△Pα和动叶轮旋转力矩是确定的，因此，式(8一6)简写成:Qα=f(n1，V，)(8一7)由式(8一7)可见，动力舱排风系统的排风量，仅与风扇输入轴转速和机油电控流量阀的控制信号有关，风扇输入轴转速决定了风扇动叶轮的最高转速，即决定了风扇最大排风量，在最大排风量内，可以通过电控流量阀调节和控制风扇的实际排风量。8.2动力舱排风控制技术上一页下一页返回3.控制效果试验测试表明，采用排风系统电控技术，能明显改善动力舱内的温度波动量，风扇的排风量能够较理想地实时匹配冷却系统的散热要求。动力舱排风系统采用传统温控技术的车辆，在各种正常的车辆使用条件下，在气温25℃左右时，由于排风量的滞后效应，动力舱内温度变化范围很宽，位于35～45℃之间。冬季和夏季因气温不同，舱内温度相差大而无法调整。动力舱排风系统采用电控技术的车辆，当设定动力舱内环境温度后，电控系统能按设定标准，自动、实时、快速地调节风扇的排风量，动力舱内温度始终被控制在设定标准的±2℃范围内；并且可以非常方便地设定起控温度。8.2动力舱排风控制技术上一页返回下一页1.现状与发展趋势自20世纪60年代以来，自动变速技术在各国坦克装甲车辆研究领域得到了广泛重视与快速发展。许多主战坦克及装甲车辆都装备了专用的自动变速器或自动换挡装置。如M-I主战坦克采用的X1100型自动换挡装置，豹-I坦克采用的GWS-2HR-A型自动变速器，豹一II坦克采用HSWL-354型自动换挡装置等。近年来，我国相继研制成功了为装甲车配用的“电控电液式AMT”系统，为多种新型号坦克装甲车辆配用的“AT”自动变速系统。自动变速技术已成为我国装甲车辆技术研究领域的重要研究方向。AMT的发展大致分为3个阶段:(1)第1阶段:半自动的SAMT阶段典型的产品有瑞典Scania的CAG系统，美国Futon的SAMT系统，德国DaimlerBenz的SAMT系统，自俄罗斯工学院开发的SAMT系统，北京理工大学研制的装甲车用自动变速系统。这一阶段的技术水平标志是:二参数换挡规律判断与控制，起步时仍需手动操纵离合器。8.3自动变速操纵技术下一页返回上一页(2)第2阶段:全自动的AMT阶段其标志是1982年五十铃公司的NAVI-5电控机械式自动变速器在此阶段的研究重点是自动离合器、换挡控制与控制理论。日本的Nissan，瑞典的Scania,Volvo，美国的Ford、Eaton，意大利的FIAT，德国的ZF，均开展了这方面的研究。此阶段已成功解决换挡同步控制，但离合器的起步控制仍不尽理想，造成自动离合器磨损和坡道、弯道意外换挡等不良现象。我们进行探索性研究的“坦克电控电动式AMT”实验样机，即属于该阶段技术，其操作实现了全自动，并成功解决了离合器的起步控制、坡道、弯道意外换挡等难题。与国内外其他AMT不同的是采用了电力驱动机构，较液力驱动控制更灵活、结构更简单、性能更可靠。(3)第3阶段:目前已进入智能控制AMT研究阶段在此阶段人们力图引入各种最新的检测、控制技术以改善自动变速系统的性能。采用模糊逻辑，模仿熟练驾驶员的相应操纵以改善起步，改善换挡时离合器接合控制特性和挡位选择的适应性；引入神经网络方法，通过适合的传感系统为档位决策提供依据等等。8.3自动变速操纵技术上一页下一页返回2.电控电动式AMT技术对电控电动式AMT技术，许多国家都曾进行研究，最终因末能解决电动离合器的平缓起步难题而中止了该项研究。至今，所有AMT产品均为液力驱动，且仍未很好解决离合器起步制难点，造成离合器磨损较快。本节研究的“坦克电控电动式AMT”实验样机，设计了“电控电动机械动平衡机构”，较好解决了离合器起步控制难点，为电控电动式AMT技术的深入研究与应用提供了一个技术平台。电控电动式AMT与其他各类自动变速技术相比具有很多不同特点，这些特点充分反映了系统的技术创新设计思想。将其与电控电液式AMT做比较，可归纳为:①电控电液式AMT需借用原车液压系统建立的油压，这就容易受到原车液压系统工作稳定性的影响，如油量不足且车辆上下陡坡、侧倾行进时，受车辆姿态影响，机油液面波动而导致油压的变化，这种影响有时甚至是致命的。而电控电动式AMT就没有这一顾虑。8.3自动变速操纵技术上一页下一页返回②电控电液式AMT换挡控制机构采用液压结构，控制环节多，见图8-9。而电控电动式AMT采用直流电机带动机械件动作的方式，控制环节少，见图8-10。由图8-9、图8-10可见电控电动式AMT系统因结构简单而可靠性易于提高。③电控电液式AMT中液压件的采用使各执行机构的控制灵活性受到限制，不能完全体现电控单元的多兀性，且要求车辆具有足够的动力储备。而电控电动AMT中各执行部件以直流电机作为执行机构的动力源，由于直流电机的控制及动作极其灵活，可使控制系统充分发挥功能，而且不要求车辆动力储备。④电控电液式AMT的液压系统结构复杂，技术要求高，加工难度大，制造成本高。而电控电动式AMT没有任何液压件，结构简单，加工难度小，造价低廉。⑤电控电液式AMT的液压系统需要精心维护。而电控电动式AMT的控制和执行机构维护非常简单。8.3自动变速操纵技术上一页下一页返回⑥当电控电液式AMT系统出现故障时，因其难于实现迅速恢复原车手动操纵，将使车辆在一定时间内瘫痪。电控电动式AMT则在非常情况下，非常方便地由自动模式切换回原车的手动系统进行操纵。切换时间仅需0.6s。有利于车辆的战场生存与战斗力保持。⑦电控电液式AMT的应用需要对原车机械系统做较多改动，而电控电动AMT则基本不改动原车机械系统。因而更容易改造各种车辆。⑧电控电液式AMT的应用需要对原车驾驶习惯改变较多，挡位设置较为繁杂，如装于装甲车上，其共设8个手柄位加一个开关，分3种选挡模式。电控电动AMT安装在坦克上，该车即具有两种操纵模式:自动与手动。自动模式仅设6个手柄位，即倒挡、空挡、前进4挡(好路，可高速行驶，以二挡起步，在25挡间自动变换)、前进3挡(适用于起伏路、砂石路、沙滩路等恶劣路面行驶，在23挡间自动变换)；前进2挡(适用于通过侧坡等，在12挡间自动变换)；前进1挡(适用于上下陡坡，牵引，过障碍等，变速箱强制在1挡，不换挡)。8.3自动变速操纵技术上一页下一页返回由于完全保留了原车的手动操纵功能，可通过转换开关，非常方便地由自动状态转换为原车手动操纵模式。8.3.2系统原理系统原理见图8-11。电控电动式AMT以原有的手动机械式变速器(定轴式)和摩擦片式离合器为基础，在保留原有手动操纵系统的基础上，并联加装换挡控制器、离合控制器，串联加装油门控制器这三个执行部件，并将它们之间用线束连接到ECU控制器，组成自动变速操纵系统。1.离合控制器离合控制器由一套机械执行装置一个直流电机以及一个转角式位置传感器组成。这一装置并联到离合器拉杆上实现ECU对离合器的柔性控制。由于采用并联结构设计，因而可在需要时，非常方便地随意转换为手动控制。这一结构，采用的是一个80W的直流电机，在0.6～1.2s以内完成离合器的分离与接合动作。8.3自动变速操纵技术上一页下一页返回使系统控制灵活，与原车连接性好，不必改动原车的任何结构，因而易于装车使用。2.换挡控制器换挡控制器由一套机械执行装置一个直流电机以及一个转角式位置传感器组成，它可直接装在变速器拨挡轴或闭锁器盖上，根据ECU发出的指令，使电机进行正反转动作，通过机械转化完成变速器挡位的选择和变换。系统的控制采用一个120W直流电机完成选挡和换挡动作，它的机械转角与挡位相对应，因而只用一个转角式位置传感器即可完成信号采集，通过ECU进行换挡控制。3.油门控制器油门控制器由一套机械执行装置一个30W直流电机以及一个转角式位置传感器构成。系统另装有油门踏板位置传感器。油门控制器串接在油门拉杆上，换挡时靠电机的正反转使油门拉杆动作来实现ECU对发电机的加减油操作。8.3自动变速操纵技术上一页下一页返回油门系统加装控制器后，加油过程为ECU和脚踏板形成的“与”逻辑控制，即加油时ECU与脚踏板都是在加油位置或有加油动作时，油门才会开大；而减油时，只要有任何一个减油动作则油门即关小。使发动机完全受ECU和脚踏板的控制，排除了ECU或其他原因造成的失控状态，使系统更安全、更可靠4.电子控制器(ECU)在ECU中全部由大功率晶体管取代了继电器，电流响应快，没有触点烧蚀的困扰，采用单片CPU结构，外围器件少，可靠性高，成本低。由上述各部件的结构设计可见，所有执行机构均采用直流电机驱动，ECU对各部件的控制非常容易，对内外环境无干扰，全部结构设计均采用低加工工艺要求，所采用电机也是大批量生产的标准件。所以，应用此技术可开发适用于各种车辆的自动变速系统，并可在很短时间内完成产品开发并进行批量生产满足军用车辆的变速需求。8.3自动变速操纵技术上一页返回下一页

新型油气弹簧多轴平衡悬架技术，成功地解决了军用重型车辆要同时满足行驶平顺性与横向稳定性要求的问题。该系统比其他弹性元件组成的悬架系统在减轻质量、结构设计等方面具有不可比拟的优越性8.4.1油气混装式油气弹簧重型多轴车辆悬架系统采用的是油气混装式单气室油气弹簧，它除具有一般油气弹簧的优点外，还具有结构简单，漏油漏气环节少，使用维修方便等优点，最突出的优点是动行程比油气分隔式的大，因此对路面的适应性更高。该油气弹簧与美国的油气系列、英国的阿维林、意大利的贝利尼相近似，目前在国内自己设计应用得不多，大部分是引进和仿制的。此种油气弹簧的结构见图8-12所示。主要由内、外缸筒，上下支耳，密封件和导向结构组成缸体腔内上部充氮气，下部充满油液，油气直接接触，称为油气混装式单气室油气弹簧。8.4油气弹簧多轴平衡技术下一页返回上一页油气混装式单气室油气弹簧同其他形式的油气弹簧一样，同样是气体弹簧与液体阻尼器的组合体，当车辆行驶产生振动时，固定在内缸筒上的下支耳产生的位移会使油气弹簧压缩或伸张。油液可视为不可压缩的，油气弹簧工作时，氮气就压缩或膨胀，并吸收或释放振动能量，起着弹簧的作用。与此同时环形腔的容积(充满油液)相应增加和减小，通过阻尼孔A、B补充和挤出油液压缩时环形腔容积增加，油液通过常通LA和单向阀小孔B流入环形腔，此时阻尼力较小。伸张时环形腔体积减小，环形腔里的油液只能通过常通LA流入内缸筒，此时单向阀小孔B被婀球封住，使阻尼力加大。因此油气弹簧同时具有阻尼器的作用，既可使路面的冲击尽可能少地传到车架上，又可使车架的振动迅速衰减。根据气体状态方程及负载Q、位移X的关系推导出油气弹簧的刚度公式，静刚度为

Ki=Fp0/H0(8一8)8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回式中F—油气弹簧的承载面积(cm)；

P0—静载荷作用下的绝对压力(MPa)；

H0静载荷作用时气体折算高度(cm)。

动刚度为Ki=KFPi/Hi(8一9)式中K—气体绝热系数；

p—任意时刻的气体绝对压力(MPa)；

H—任意时刻的气体折算高度(cm)。从式(8一8)、(8一9)可以看出，对于一个承载面积，已给定的油气弹簧的刚度与气体绝对压力和气体折算高度有关。油气弹簧压缩时一方面气体绝对压力增大，同时气体折算高度减小，所以油气弹簧刚度增大较快，反之相反。通过单自由度无阻尼振动微分方程式可导出油气弹簧自振频率公式:8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回式中g为重力加速度，g=981cm/s28.4.2油气弹簧多轴平衡悬架系统的组成一般的多轴重型车辆悬架系统是由起减振作用的弹性元件、衰减振动的减振器、传递纵向力和横向力的传力杆系、使轴荷保持平衡的平衡杆系及保证车辆具有一定横向角刚度的横向稳定器组成。多轴重型平衡悬架系统由同时起减振作用和衰减振动的油气弹簧、传力杆系及能使轴荷平衡的连通管路组成。单侧4个油气弹簧各气室用管路连通后(如图8-13所示)，同时也能满足横向稳定性的要求，不再需要一套横向稳定器。因此本系统结构简单，质量轻，缓冲行程大，各轮胎接地性好。此外，车架上的承力点与油气弹簧一一对应，使车架的受力状态较好。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回1.刚度特性由公式((8一8)可知，当油气弹簧的承载面积和承载质量一定时，则气体压力p就随之确定。因此油气弹簧的刚度主要取决于气体折算高度，且与之成反比。当把同侧4个油气室连通，则单个油气弹簧工作时的静刚度为

即连通后单个油气弹簧的刚度是不连通时的1/4，刚度大幅度降低，从而保证了良好的行驶平顺性，这是油气弹簧平衡悬架系统主要特点之一。车辆在凹凸不平的路面上行驶，车轮上下跳动，使各油气弹簧不断地压缩或伸张。由于路面不平度是随机的，所以油气弹簧的运动也是随机的，此时每个油气弹簧的刚度为8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回其中式中，Hi1

、Hi2、Hi3

、Hi4分别是与各油气弹簧对应的路面不平度具有随机特性油气弹簧四轴平衡悬挂系统的动态刚度特性反映了车辆的行驶平顺性。如果同侧4个油气弹簧气室不连通起来，则每个油气弹簧的刚度分别是8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回其中油气弹簧气室连通与不连通时的总承载质量是相同的，因此有

(8一16)由式(8-12)可知，同侧油气弹簧连通后，每个油气弹簧的刚度不仅仅取决于其本身的气体折算高度和位移，而且与相互连通的其他油气弹簧的气体折算高度有关。车辆在路面上行驶时，每个油气弹簧的气体折算高度都在不断变化，但不管如何变化，只要相互连通的4个油气弹簧气体折算高度之和不变，那么每个油气弹簧的刚度就保持不变，且都相等，因此可看成是串联系统的刚度。如果4个连通的油气弹簧气体折算高度之和发生变化，那么串联系统中每个油气弹簧的刚度也随之改变，但各个油气弹簧的刚度仍然相等，这是串联系统的唯一特性。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回以上分析是在忽略了管路传递阻尼的情况下作出的。经过试验证明，只要连通管路通径不是太小，这种阻尼是比较小的，可忽略不计。比较式(8一12)和式(8一14)同样可看出串联系统的动态刚度比不连通的动态刚度降低1/4，因此串联系统可大大改善车辆的行驶平顺性。以上分析可通过我们研制的重型多轴车辆路试所测数据得到证实，数据见表8一1。牵引车悬架系统是板簧二轴平衡悬架，由表8一1列出的试验结果看出其平顺性比具有油气弹簧平衡悬架系统的挂车部分的平顺性要差。挂车上油气弹簧的刚度值在不连通的情况下比牵引车上板簧的刚度值要大，但同侧油气弹簧连通后其刚度值将比不连通时降低1/4，因此挂车部分的平顺性比牵引车要好。以上讨论了油气弹簧平衡悬架系统垂直方向的刚度特性，这个刚度特性主要影响车辆的行驶平顺性。下面讨论该系统的横向角刚度特性。这个特性直接影响车辆的稳定性。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回横向稳定性的好坏影响到行驶稳定性和车辆的机动性。这一点对质量大、质心高的重型车辆是至关重要的，要想使其具有较好的横向稳定性是比较困难的。采用油气弹簧平衡悬架系统很好地解决了此问题。悬架系统横向刚度为当车辆转弯或侧摆时，将同时压缩一侧的油气弹簧，这时悬架系统不表现串联特性，油气弹簧表现出并联特性，即表现出单个油气弹簧不串联的刚度特性。此时油气弹簧悬架系统的刚度大幅度增大，是串联特性状态时的16倍，从而使横向稳定性大大提高，这是油气弹簧衡悬架系统的主要特点，油气弹簧的刚度是非线性的，在压缩区间油气弹簧的刚度增大很快，这对增加车辆的横向稳定性非常有利。综上所述，油气弹簧平衡悬架系统既有足够小的刚度来保证行驶平顺性，又有足够大的横刚度来保证车辆的横向稳定性，同时满足了车辆行驶平顺性和横向稳定性的要求。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回2.载荷特性(1)静载荷特性同侧油气弹簧气室连通后，各个油气弹簧内的压力P0在静止状态时是相等的。各个油气弹簧的承载面积F相等，因此在静态时各个油气弹簧承受的负荷Qo=P0F相等，也就是各轴承载质量相等。(2)动载荷特性车辆在行驶过程中，理论上各个油气弹簧内的压力是相等的，因而各个油气弹簧承受的负荷Q=p0F也相等。但是由于阻尼孔和管路的阻尼作用，使动态时各油气弹簧之间的负荷存在一定的差别。道路试验和台架试验表明，在振动时连通的油气弹簧达到的最大负荷比油气弹簧平衡位置时的负荷高出约20%左右，而不连通时达的最大负荷比平衡位置的负荷高出100%。可见连通后各轴的载荷基本上是均匀的，且最大负荷的峰值大大降低。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回3.接地性能油气弹簧平衡悬架系统在接地性能方面和独立悬架一样，接地性能良好。在路试过程中和过凸块试验中，半挂车与牵引车轮胎的接地状况差别很大。半挂车的轮胎没有跳跃和悬空现象，而牵引车的轮胎跳跃较厉，轮胎接地性好坏也是车辆行驶的一个重要特性，接地性好可以提高车辆的行驶稳定性。对于牵引车可以提高驱动轮轮胎的附着力，充分发挥发动机的牵引力。4.击穿问题(刚性冲击)前面已提到油气弹簧多轴平衡悬架系统采用的是油气混装式油气弹簧，该油气弹簧可避免由它本身引起的击穿现象。车辆行驶过程中，当某一个油气弹簧压缩行程过大时，有可能使其中的气和油(当气排完后)被压缩到其他油气弹簧内，当发生串油时只会增加一定的阻尼力，而不会引起击穿。如果是油气分隔式的油气弹簧，气体排完后，分隔油和气的浮动活塞就会撞击油气弹簧的上支耳，发生击穿现象。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回8.4.3油气弹簧多轴平衡悬架系统与其他悬架形式的比较重型多轴车辆分别采用油气弹簧多轴平衡悬架系统、扭杆独立悬架系统和钢板弹簧平衡悬架系统时的性能对比见表8一2。表8一2表明了各悬架系统平顺性与横向稳定性的特点，说明采用油气弹簧多轴平衡悬架系统可以同时获得优良的平顺性和横向稳定性，成功地解决了悬架系统设计中遇到的相互矛盾的问题，这是其他形式的悬架系统难以做到的。8.4.4油气弹簧的动密封油气弹簧作为车辆的弹性元件具有平顺性好、承载能力大、本身质量轻等许多其他弹性元件所示具备的优点。但密封问题难以解决，易漏油和密封圈寿命低是其突出的缺点，因此影响油气弹簧的广泛应用。所以油气弹簧的动密封技术是近几十年来国内、外致力研究的一个关键技术问题。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回我国对动密封的结构形式进行了改进，采用了国外先进的斯特组合密封和AQ组合密封(见图8-12)。斯特组合密封是启动密封作用的，用填充氟塑料制成的阶梯形密封圈和起静密封作用的O形橡胶圈组成。它的优点是:密封圈的几何形状是阶梯形，有弹性的O形橡胶圈把最大负荷传到唇形日，使密封圈紧紧贴着密封表面，起到好的密封效果。②O形橡胶圈有一预压缩量，密封圈轻微磨损后，橡胶圈使它再弹起，继续压紧密封面。③阶梯形密封圈有极好的形状稳定性，不会从间隙中被挤出。④在密封圈的低压端有一楔形角，这一结构特点对油膜有一反泵吸作用，可以做到零泄漏。⑤阶梯形密封圈的材料是填充聚四氟乙烯，主体是聚四氟乙烯，里面填充有玻璃纤维、铜粉、石墨、二硫化钼等，提高了密封圈的机械性能和导热性，改善了氟塑料的冷流性。8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回填充氟塑料的动密封技术特点:①有良好的自润滑性。②良好的防爬行性，动、静摩擦系数基本上相同，克服了其他摩擦副所带来的低速爬行的缺点。③优异的耐摩擦磨损特性，润滑状态下摩擦系数0.01以下。④良好的嵌入性，能吸收金属微料、灰尘及其他杂质，保护其摩擦副免受拉伤和磨料磨损，延长了使用寿命。⑤极好的耐腐蚀性，不吸水，不受有机溶剂影响，耐酸耐碱。⑥耐高低温，适用温度在－50～200℃。⑦结构简单，结构尺寸小，便于安装。AQ组合密封是由启动密封作用的X形橡胶圈、凹形填充氟塑料圈和起静密封作用的两个O形橡胶圈组成。这种密封结构的特点是集两种材料的特点为一体，橡胶是较柔软的材料，有良好的擦拭作用，8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页下一页返回在润滑油膜软厚的情况下有擦拭作用，能做到极小泄漏；X形橡胶圈也有预压缩量，磨损后可自补偿。密封圈与被密封表面形成一对摩擦副，这对摩擦副起到密封作用和提供润滑条件润滑是降低摩擦和减少磨损的最有效的措施。即使是选择了最好的密封结构形式，让它在干摩擦的状态下工作，也会很快磨损，使密封失效。经过几次的油气弹簧台架试验解决和掌握了密封圈和被密封表面摩擦副间形成边界润滑油膜的条件和机理，使密封圈寿命大大提高。油气弹簧密封圈寿命试验满足了设计要求油气弹簧装车的使用，效果也很好。

8.4油气弹簧多轴平衡技术上一页返回下一页本节的研究对象为轮式车辆。随着军用车辆越野速度、越障能力、乘坐舒适性等机动性战技指标的提高，车辆悬架系统成为制约车辆机动性提升的瓶颈。对被动悬架隔振机理的研究表明，传统悬架形式的不变特性已无法满足车辆机动性继续提高的要求。伴随着电子技术、计算机技术及控制理论的发展，智能悬架系统的实现成为可能。以主动、半主动悬架系统为代表的智能悬架理论为化解“动力－机动性”矛盾带来希望。8.5.1预瞄控制的定义、分类预瞄控制是在悬架系统中安装有测试路面不平度的预瞄传感器，车辆在行驶中，将所测得的车辆经过路面或即将经过的路面不平度信息综合到车辆悬架系统的控制规律设计中。根据预瞄传感器安装位置的不同，将车辆智能悬架预瞄控制分为前轴预瞄控制和前视预瞄控制。8.5预瞄控制技术下一页返回上一页1.前轴预瞄控制基于前轴的预瞄控制，其原理如图8-14。假定车辆前后轮所经过的路面信息相同，后轮同前轮之间仅存在时间差(前后轴距/车速)，通过安装在车辆前轴的传感器测得车辆前轴的振动信息后，获取当前路面和车况信息，并将这些信息提供给后轴悬架，后轴悬架系统根据最优控制策略对执行机构进行调整，实现车辆乘坐舒适性和操纵稳定性的优化。该预瞄控制方法结构简单、成本低廉，受到广大车辆悬架领域研究者的重视，成为近年来的研究热点。研究表明，预瞄控制方式受车辆行驶速度、车辆底盘结构形式(前后车轴距离)、路面状况等因素影响，进一步改进余地有限，该技术的改进研究主要集中于改进控制算法和提高执行机构动作速度上。2.前视预瞄控制基于前视预瞄控制，其原理如图8-15。在车辆前端安装预瞄传感器，可预先测量车辆前进方向路面信息，整个控制回路采用“前馈-后馈”双重反馈形式，8.5预瞄控制技术上一页下一页返回因为预先获得前方路面信息，可提高控制精度和控制效果。这种预瞄控制根据预瞄传感器的安装形式又可细分为:①安装于车身最前端(保险杠)，用于探测车辆长度所覆盖的车身最前端路面不平度的预瞄控制方式；②将预瞄传感器安装于车身前端，用于探测车身前端外、车辆前进方向路面不平度的预瞄控制方式。这两种控制方法中，前一种因为受车身结构的限制(保险杠到车辆前轮的距离有限)，车辆预瞄时间也受到限制。其原理与基于前轴预瞄控制方式相同，优点是可为前轮悬架提供有限的预瞄时间，并使后轮悬架调节时间更加充裕该方式结构比较简单，但对车辆乘坐特性的改善有限。相比之下，对车辆前进路面信息的预测可争取更多的超前动作时间，有效弥补执行机构的动作时滞。理论和试验研究表明，车辆悬架采用预瞄控制后，可改进车辆的乘坐舒适性、提高车辆的行驶速度，有效提高车辆的机动性，增强部队快速反应能力和战斗力。同时也可应用到车辆无人驾驶、车辆自动刹车、自动避碰以及自动行走机器人等军民两用技术领域。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回8.5.2理论基础1.路面辨识算法在预瞄控制中，路面特性的辨识算法也是技术难点，如何在短时间内实现路面特征的提取和辨识，关系到预瞄控制的效果。车辆行驶时，路面、车姿及传感器安装位置等都是随机变化的，并有耦合进测试系统的各种量测噪声，使数据采集和数据处理难度很大。不仅需要对大量随机数据进行实时处理，还需在极短时间内对测得的路面信息进行辨识，提取路面特征。基于实时最优控制需要得到路面不平度时域信号，其辨识算法集中在滤波器的设计；基于统计最优控制的常规算法是对所测得路面不平度时域信号进行频谱分析，得到路面不平度级别。但对突发路面，例如鼓包、凹坑等，其处理方式和处理算法仍然是技术难题。故有必要对路面辨识算法和辨识逻辑上进行深入研究。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回2.振动和控制理论从学科融合的角度出发，悬架系统动力学理论是分析力学和控制理论应用的结合。控制理论研究成本低，实现方便。其发展推动悬架控制技术的发展。对悬架系统控制理论的研究可分为理论研究和工程研究。悬架系统的理论研究为智能悬架系统的物理实现奠定理论基础。其主要内容包括:(1)悬架动力学模型理论研究该模型是振动理论中隔振和减振理论的应用，通过对振动理论的研究，可综合研究悬架的减振和隔振性能，悬挂系统的非线性特性。专家预测，在未来十年中，悬架系统动力学的发展方向、振动与控制的下述研究前沿值得引起更多的重视:①高维非线性系统的全局摄动法、全局分岔和混沌动力学；②高维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究；③时滞非线性系统的动力学理论及其应用；④流体－弹性体－刚体耦合系统动力学与控制；⑤碰撞与变结构系统动力学；⑥微电机系统动力学。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回(2)悬架系统控制模型的理论研究悬架系统作为控制对象，其模型分为简单的线性系统和复杂的非线性系统，线性系统已建立完整成熟的理论系统。但非线性系统情况较复杂，无统一的设计理论和稳定分析方法。理论研究即全面考虑悬架系统的非线性特性，将其作为高度复杂的动力学系统研究，重点是各种控制算法的收敛性和有效性。此时悬架系统作为控制对象和物理模型，通过对其各种物理特性指标(例如，车体加速度、悬架动挠度、车轮动载荷等)的验证以加深对控制算法的认识。工程研究是从悬架系统物理结构实现，以简化系统成本或研究问题。考虑主要因素、忽略次要的影响因素，从而对各种控制策略进行研究，使其能在实际车辆悬架中得到应用。3.车辆动力学仿真技术运用大型仿真分析软件对车辆新车型进行方案设计和预先研究已成为大多数车辆生产商推出新车型前的基本功，实践证明CAD/CAE/CAM技术在车辆领域得到成功应用。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回研究和开发大型动力学仿真分析软件，可缩短研制周期降低开发费用。随着这些软件各项功能的继续完善，其对车辆悬架系统性能提高所起作用将会更大。8.5.3执行机构智能悬架的执行机构工作介质的研究，大多集中于液压机构和气动机构等常规执行机构上，液压、气动机构工作介质的可压缩性，使其具有调节柔和的优点，但执行机构的动作响应时间长、响应频率慢，使执行机构无法满足实时最优控制的要求；环境因素对工作介质也有显著影响。在执行机构的研制上，如果能够取得突破则可以对车辆悬架性能提高起到决定性的作用。该领域当前的研究热点是智能材料，主要集中在以下4个领域:①变流体材料技术，主要包括电流变流体和磁流变流体材料，该项技术主要用于半主动悬架系统，通过改变执行机构工作介质的理化特性实现车辆振动模态的控制，达到车辆减振之目的；②压电式材料执行机构；8.5预瞄控制技术上一页下一页返回③形状记忆合金材料；④电/磁致伸缩材料执行机构，例如，电磁弹簧，目前国内已有相关研究文献发表。改变减振器的黏性阻尼系数具有结构简单、成本低，无噪声和冲击等特点，是目前发展的主要方向。在国外，改变减振器黏性主要有电流变液体和磁流变液体两种类型，两者都有一些产品问世，在实际应用中，用变流体材料所制成的阻尼可调式减振器性能优良，也存在不足。以电流变可调阻尼器为例，其阻尼调节迅速，调节速度一般不超过5m/s；易于控制；结构简单但其阻尼力调节范围较小，在高剪切率下阻尼器失效不适用于车用减振器。8.5.4微处理器随着车辆速度的提高，对悬架控制器的响应速度提出更高的要求，控制器在更短的时间内做出反应，以满足高速车辆乘坐舒适性和操纵稳定性的需求。悬架控制的实时性使得控制器采用高性能微处理器成为必然。受传感器技术和价格的制约，在智能悬架的最优控制中使用了状态观测器和估计器，增加控制器的运算量，必须采用更高性能的微处理器。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回为弥补单处理器计算能力不足的问题，采用双MPU控制方案的悬架控制系统已经出现。数字信号处理器(DSP)高速性和微型化等特点，为高性能微处理器技术注入新的生机，并已在工业生产中得到应用，是智能悬架电控单元(ECU)的发展方向。而且，高速DSP开始在车辆悬架系统上使用。嵌入式系统应用在车辆控制器也有广泛前景。例如，为减少悬架系统所需要昂贵的传感器数量一般使用状态估计器或状态观测器，利用所测得的某些状态参数对其他运动参数进行估计和预测，而涉及的数据处理和数据计算，需要具有很强计算能力的“‘超级计算机”。伴随着大容量、高速数据采集和处理、数据融合等需求，具有高速计算能力的并行计算方式成为高性能微处理器技术的发展方向。8.5.5国内外研究概况、水平和发展趋势悬架系统最优预测控制最旱由Bender于1968年提出，采用Wiener滤波理论进行单自由度车辆主动悬架的最优控制，研究结果表明采用预瞄控制后可改善车辆的乘坐舒适性。此后，预瞄控制理论的不断完善为该项技术的实用化奠定了基础。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回在军用车辆悬架系统预瞄控制技术上，美军计划在军用高机动轮式车辆(HMMWV，简称为“悍马”)计划中投入75万美兀用于研制可用的悬架系统全主动预瞄控制。该技术由英国莲花(Lotus)工程公司负责实施，该公司曾成功研制出适合Fl方程式赛车的主动悬架，并对英军蝎式坦克和美军悍马M1026型车进行改装主动悬架系统研究，道路试验表明由该公司开发的主动悬架系统有效改进了车辆乘坐舒适性和操稳性，提高了车辆的越野机动性。英国Leeds大学D.A.Crolla教授对民用车辆的液气慢主动悬架预测控制进行研究，针对l/4车模型，结合线性最优控制理论，采用Pade逼近方法模拟预测时间，对慢主动液气悬架进行研究，仿真结果表明:半主动悬架在采用预瞄控制后，可在原有基础上提高乘坐舒适性指标(即降低轮胎动载荷和悬架动行程的加速度均方根值)15%；同被动悬架相比提高28.5%。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回加拿大国防部资助MclaughlinHallQueen大学的R.G.Langlos等人对越野车辆主动悬架预瞄控制进行研究，结果表明采用预瞄控制的主动悬架提高乘坐舒适性，有效降低车辆的垂向加速度和俯仰角加速度均方根值。1980年，FranceHoogterp提出自适应悬架系统初步研究计划，结果表明，当车辆以50mile/h(mile=1609.344m)的速度行驶时，若对路面信息每隔1ft(1ft=0.3048m)进行测量与评估，可提高车辆的乘坐舒适性。测评路面的技术手段可通过安装于液气悬架中的压力变送器或装于负重轮附近的平衡肘上的加速度传感器实现。美国加州大学伯克利分校机械工程系的MarkD.Donahue在其导师J.KarIHedrick教授的指导下对军用M1026型悍马吉普车的主动悬架预瞄控制进行仿真和试验研究，结果表明:对车辆乘坐舒适性能的改进和提升幅度。在驾驶员处的振动平均吸收功率上比天棚阻尼和LQR控制均有大幅度降低。在预瞄传感器研制上，国外同行也取得一定的成绩。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回国外资料研究表明:当车辆以50mile/h前进时，每隔1ft对地面高程所进行的采样，对测距雷达距离太小，数据量太少；但由宝利来公司(Polaroid)所研制的声呐反射传感器经改装后却可满足此要求，且该系统采样频率可达到5Hz。美国密执安大学(Michigan)环境研究学院(ERIM)为美国军方成功研制出激光路面探测系统。该系统优点如下:①探测范围广，具有40°的探测方位角；②探测精度高，路面高程探测范围可满足±3mm的均方根值误差；③功耗小，可探测前方30ft的路面信息只需7mW的功耗；④占用空间小，只需4ft3(1ft3=2.831685×10-2m3)的空间即可装下整套设备。该系统已成功运用在一种可缓慢移动的六足机器人上，用于机器人的路面探测。ERIM下一步计划对该系统进行改进，主要是通过改进信号处理环节以获取地面信息后将该套设备用于改善车辆的乘坐舒适性，估计该套系统的造价超过10万美元。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回伯克利分校的Donahue在研究悍马M1026车的预瞄控制全主动悬架时，分别采用雷达和光学预瞄传感器，频域调制连续波(FMCW)雷达的中心频率为24.5GHz，其扫描范围为0.5GHz；WTA24型光学传感器由调制红外二极管(LED)组成，所有精确的反光镜封装于双层金属壳体内，工作温度为25℃时，平均寿命可达到100000h。该预瞄传感器可满足甚至超过最严格的军用振动冲击标准，例如IEC68-2-27/IEC68-2-6。其技术指标如表8一3。试验结果表明，这两种传感器都可满足车辆的预瞄控制。雷达传感器在实际试验中效果更好。国内研究现状是理论研究。中南大学何将三、刘少军、上海交通大学喻凡等人对车辆主动悬架的预瞄控制进行研究，但都是从理论研究的角度提出关于民用车辆主动悬架系统采用预瞄控制的算法研究及相关仿真研究。在实验研究领域基本处于空白，为缩短与西方先进国家的技术差距并实现技术储备，该项技术急需启动。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回限制全主动悬架无法得到广泛应用的另一个原因是其能耗大，经济性差。被动和半主动悬架系统均通过阻尼元件(减振器)通过散热的方式耗散车辆振动能量，熄灭车体振动。以此减振机理工作的悬架系统无形中损失了大量的发动机功率，使车辆经济性下降。采用智能控制的悬架系统，当主动悬架需实现车身姿态控制以保持车辆舒适性和操纵稳定性时，所需要的能量更大。据Fodor.M等人的仿真计算，当一辆普通车辆在较差路面以13.4m/s的速度行驶时，1个减振器所消耗的功率达到200W。日本的Such.Y等人已经开始对采用主动悬架能耗太大的问题进行研究，提出以回收利用耗散能量的方法建立一种称为“混合悬架”的新型悬架。该系统由主动控制环节和能量回收利用环节组成，其中主动悬架采用阻尼控制算法，能量回收装置由以下部分组成:①直流电机1，作用是能量回收减振器ERD(EnergyRegenerativeDamper)；②电容器或整流器；③直流电机2，其作用是主动悬架的作动器。并对该系统进行数字仿真计算和实验室台架试验，结果表明:该悬架具有更好的隔振效果，同常规主动悬架相比能耗更少。8.5预瞄控制技术上一页下一页返回国内外大量理论和试验研究表明，采用智能悬架系统可有效提高车辆动力学性能。悬架系统预瞄控制通过机器视觉手段预先得到车辆行驶方向的有限路面情况，让执行机构可以“超前”动作，弥补其因为时滞性所带来的影响，有助于提高车辆驾乘性能，改善车辆品质。8.5预瞄控制技术上一页返回下一页8.6.1影响轮胎使用寿命的因素1.轮胎气压当轮胎气压比标准值低时，因形变加大而使轮胎的弹性滞后损失增大，轮胎径向变形增大，两侧产生过度挠曲，以致胎冠两侧接地，胎侧内壁受压，胎侧外壁受拉，胎体内帘线产生较大的变形和交变应力。周期性的压缩变形，会加速帘线的疲劳损坏，使轮胎的帘布层和轮胎与地面之间相对滑移增大，摩擦产生的热量增多，轮胎温度急剧上升。过高的轮胎温度会加速轮胎的老化以上这些因充气气压不当引起的轮胎结构和性能的变化，都会导致轮胎早期疲劳破坏，缩短轮胎的使用寿命，使轮胎橡胶的抗拉强度降低，帘线松散和局部脱层，当遇有障碍受到冲击时就会发生爆胎。当轮胎气压过高时，胎面与路面的接触面只是在轮胎的中间区域，轮胎与路面的接触面积明显减少，单位面积的承受压力升高，使胎冠中央磨损加剧。8.6轮胎安全技术下一页返回上一页轮胎气压过高使轮胎变硬，刚度增大，起不到应有的缓冲作用，进而使轮胎受到的动载荷增加，导致轮胎的使用寿命缩短，此时容易产生胎体爆裂、脱层。因为轮胎压力过高，使胎体帘布线过度伸长，这样轮胎极易受外伤，当轮胎冲击路面上的石子或通过凸凹不平的路面时，就会因胎体内应力的瞬间集中而发生爆胎。2.行驶机构的技术状况发生变化车轮的定位参数若发生变化而明显偏离设计值，则轮胎的磨损就不平衡，因此，轮胎磨损会快得多。主要包括:(1)车轮外倾角发生变化当主销和主销衬套间隙过大、后桥主销孔过度磨损时，车轮外倾角将偏离设计值。若地面对轮胎产生的侧向反力达到车轮的附着力极限时，车轮与地面间会发生横向滑移，车轮平面将偏离车轮行驶方向而出现侧偏，甚至产生相对滑移，在接触面上产生侧向摩擦力而引起轮胎偏磨损。

8.6轮胎安全技术上一页下一页返回(2)前束发生变化前束是为了减少或消除由于车轮外倾角所造成的车轮偏离直线行驶而设计的，前束值一般为8～10mm。车轮外倾角一定时，如果前束过小，胎面胎冠由内侧向外侧呈锯丙状磨损；若前束过大，则胎面胎冠由外侧向内侧呈锯齿状磨损。(3)轮胎平衡和车轮定位有变化轮胎静态或动态平衡不良、车轮定位不准、轮毂轴承松旷、轮惘形位公差超差、横拉杆球节不配套和主销衬套间隙过大等都会导致车轮颠簸、跳动或摇摆，引起轮胎胎冠呈波浪状或碟片状不均匀磨损。(4)制动器发生变化制动器蹄鼓间隙调整不当，各轮制动力不均匀或制动拖滞，也会造成胎面异常磨损。8.6轮胎安全技术上一页下一页返回3.温度车辆在炎热的夏季行驶，或长时间在阳光下停放时，由于外界气温高，轮胎又易吸收热量且散热速度很慢，导致胎内气压增大，从而使帘布线内应力加大，使轮胎的使用寿命缩短，甚至还有可能产生爆胎。当轮胎的温度过高时，高温会加速轮胎老化，使其机械性能显著下降。因此，在运行时应注意轮胎温度和气压的变化。在严寒的冬季，由于气温低，轮胎的橡胶脆性明显增大，弹性显著下降，因而轮胎容易损坏，特别当行驶中轮胎受到冲击力时，易产生龟裂。在冬季，由于温差较大，轮胎中的空气热胀冷缩幅度也较大，胎内气压变化也大，致使轮胎的使用寿命缩短。4.轮胎质量不平衡更换车轮时，如果新更换的车轮没有进行过动平衡实验就直接使用，则行驶中在离心力的作用下，车轮将产生巨大的冲击和振动，表现为颠簸、跳动或摇摆，从而加重了轮胎的磨损，8.6轮胎安全技术上一页下一页返回同时也降低了帘布层的抗疲劳强度，使轮胎的寿命降低。特别是车辆高速行驶时，车轮质量不平衡引起的轮胎磨损非常严重，最终将导致爆胎。5.负荷指数或速度级别由于与车辆所匹配的每条轮胎的负荷指数和速度级别是一定的，如果轮胎超负荷，则轮胎的变形增大，使胎冠剥落、帘布层破裂，并使轮胎内温度迅速升高。超负荷越严重，轮胎的寿命就越短，引起爆胎的可能性就大。有关资料表明，承载负荷超过额定值10%、20%、50%、100%，则轮胎行驶里程将相应地缩短8%、35%、50%、80%。6.超速行驶车辆超速行驶也是加速轮胎损坏的重要因素之一。如果车速过高，则轮胎的变形频率和轮胎的滑转率就越高，胎体的振动及轮胎圆周和侧向的扭曲变形(形成静止波)频率随之增加，单位时间内轮胎因摩擦而产生的温度升高幅度就会增加，8.6轮胎安全技术上一页下一页返回这就加快了轮胎的机械损伤和热损伤，使轮胎寿命降低，甚至会引起爆胎。7.其他由于前后桥分配的负荷不同、驱动轮与转向轮的工作特点不同及路面状况的差异，各轮胎状况不一致。如果同一车桥两侧的轮胎的结构、规格及生产厂家不同，则会加速轮胎的磨损。在使用中，如果不注意合理搭配和定期更换安装位置而造成轮胎承担负荷不均匀，也会加速轮胎磨损。当轮胎受到汽油、机油等有机溶剂腐蚀时，会造成轮胎开裂，使轮胎的使用寿命降低。当起步过猛、频繁地使用制动和紧急制动，通过复杂路面和越过障碍物以及转弯时不减速，停车后猛烈且不停地转动转向盘等不当操作，都会使轮胎的使用寿命降低。8.6.2影响轮胎使用寿命的对策1.保证轮胎充气压力符合要求8.6轮胎安全技术上一页下一页返回对于一定规格的轮胎，在一定负荷和行驶条件下，保证正常的胎内气压非常重要平时每两周要检查1次轮胎气压；在长途行驶以前，应特别检查轮胎气压。检查时，轮胎温度与环境温度应一致，为此，轮胎应至少在检查前3小时停止工作。要保持各轮胎的气压一致，否则气压较低的轮胎将磨损加快，加大车辆行驶阻力，增加燃油消耗，还会造成车辆偏跑故障。在充气时还应保证:夏季轮胎的气压要略低于冬季，避免夏季行驶时因高温而爆胎；对于经常满载运行的车辆，其轮胎气压要高于轻载运行车辆的轮胎气压；快速行驶车辆的轮胎气压略高于低速行驶车辆的轮胎气压。2.保证行驶机构技术状态符合要求车轮定位参数必须满足技术要求。如果前、后车轮受到较大的碰撞或其他外力，车轮定位可能遭到破坏，于是就会出现车辆跑偏或颠簸以及轮胎胎冠不均匀磨损。若出现上述现象就应立即做前轮定位检查，确保车辆正常行驶。8.6轮胎安全技术上一页下一页返回通过轮胎的磨损情况，可以间接地判断前轮前束及外倾角是否正常，具体的检查方法是:站在车辆前轮的正对面，观看胎面磨损程度，然后，根据实际情况进行调整。一般来说，轮胎胎面内侧磨损严重是由于外倾角过小(相应前束过大)而引起的；轮胎胎面外侧磨损严重是由于外倾角过大(相应前束过小)引起的。控制轮胎温度当车辆在炎热的夏季行驶(特别是长途行驶)时，要严格控制轮胎的温度，使其不超过90℃。如果行驶途中胎温、胎压升高一定不能采用放气降压的方法，更不能给轮胎泼水降温，以免加速轮胎的损坏。最好的办法是，当轮胎温度和气压都接近最大允许值时，降低车速，或在阴凉的地方作适当休整，待轮胎温度降低后再行驶。在酷热地区，要尽量避免将车辆停放在强烈阳光下曝晒，以免对轮胎造成伤害。在冬季严寒地区，由于气温低，轮胎的橡胶脆性变大、弹性下降，起步时应慢抬离合器踏板，以平稳起步；在最初行驶的20～30km内应控制车速，待轮胎温度上升后再正常行驶。若车辆在冰面上停驶了一段时间，接地胎位可能被冻结，起步格外小心，防止胎面被撕裂。8.6轮胎安全技术上一页下一页返回3.严格遵守驾驶规程严格遵守驾驶规程，养成良好的驾驶习惯，有助于保持轮胎良好的使用状态。最高车速不应超过轮胎速度级别的时速限制，起步不可过猛，尽量避免急加速、急制动和急转向，特别是驾驶安装了子午线无内胎轮胎的车辆更应该注意。当遇到前方有石块或坑洞等障碍物时，应减速通过或避开。在转弯或复杂路面上行驶时，要适当减速。当在沙石路或便道上行车时，要减速慢行，以防止轮胎被人刺伤。当车辆停驶后，不要猛烈地转动转向盘。要正确选用轮胎一定要选用正规厂家的产品，切勿贪图便宜而购买质量无保证的劣质产品，以免造成事故隐患。一般轮胎上都标有规格尺寸，选用轮胎时首先要正确选择轮胎尺寸，其次要根据车辆的负载大小、工作环境、速度高低等使用条件来合理地选择轮胎的层级和花纹等。8.6轮胎安全技术上一页下一页返回4.合理选择和搭配轮胎车辆的轮胎规格应根据车辆自身质量与载货质量等静载荷和车辆行驶时产生的动载荷，并考虑路面状况和行车速度等因素来确定；轮胎与轮惘应配套；同一车轴应装配相同品牌、规格、花纹和层级的轮胎；换装轮胎时应做到整车同轴换装；所用轮胎应与最大设计车速相适应；轮胎换位时，前轮应尽量装配外伤少、磨损轻的轮胎，轮胎换位后，应按所换胎位的要求重新调整气压；应根据行驶条件选择适当的胎面花纹；安装有花纹的轮胎时，应注意车轮滚动方向的标记5.定期检查轮胎的磨损情况一定要定期检查轮胎磨损情况。检查时，要观察其磨损的部位，是否有裂痕或划伤。当发现磨损情况异常时，应及时查明原因并排除。若发现轮胎外侧边缘磨损一般是由于轮胎气压过低造成的，应检查轮胎气压并按要求充气。若发现轮胎着地部分的两侧呈凸状磨损，而且轮胎周边也呈波纹状磨损一般是由于减振器工作不良造成的，8.6轮胎安全技术上一页下一页返回应先检查并修复(或更换)减振器，然后再修复或更换轮胎。若发现轮胎上有暗伤一般是由于轮胎与硬物发生冲撞或瘪胎状态下行驶造成的。在这种情况下，如果创面较小可进行修补来应急，但若想长途行驶则必须更换轮胎；若发现轮胎的中心部分磨损，说明是轮胎气压过高造成的，因此，要严格按要求的压力给轮胎充气。6.定期清洗轮胎具体步骤(以美国CARBRITE养护产品为例)如下:①用清水冲去轮胎上的淤泥、污物等；②用F003F沥青清洗剂喷覆轮胎表面，停留20s左右时间后，用软刷子对轮胎进行刷洗，之后，用清水将污物冲干净(这一步主要是除去橡胶表面上附着的沥青、蜡膜、油脂和硅化物)；③用E002万能清洗剂喷覆轮胎表面，然后用软刷子刷洗轮胎，随后用清水将污物冲洗掉(这一步主要是进一步去除橡胶表面上附着的油污。经过这一步清洁，轮胎表面将会非常干净)；④待轮胎自然风干后，将C003轮胎亮光清洁保护液均匀地喷覆在轮胎表面上(薄薄一层即可)，8.6轮胎安全技术上一页下一页返回待自然风干后即完成了对轮胎的全面保养(这一步是至关重要的一步，主要用来防止轮胎老化、褪色、龟裂。对已出现龟裂和开始老化的轮胎，使用C003保护液后可大大延缓轮胎进一步龟裂及老化的速度，同时，还可以使轮胎表面快速生成一层乌黑闪亮的保护膜。8.6.3轮胎中央充气系统轮胎中央充气系统是为保证车辆，特别是军用越野车的高越野通过性能而进行研制的，我国从1982年开始对此系统进行研制，到1986年已应用于某发射装置专用底盘上，并经过了整车性能试验，25000km可靠性试验，高温、高寒、冰雪、沙漠、水网稻川等地区适应性试验。试验结果均达到了设计技术指标，满足了整车性能要求。但经过几年来的应用，发现该系统尚存在以下缺点:①机械式手动操作轮胎压力控制阀，操作烦琐，不灵活。②由于轮胎压力控制阀的分配特点，决定了该系统其能进行一种工作。8.6轮胎安全技术上一页下一页返回例如需要前桥放气和后桥充气时，只能等前桥放气完毕后，才能对后桥进行充气，或者反之进行，从而延长了整车气压的调节时间。③密封气室始终处于工作压力状态下，使密封圈的磨损速度增加，使用寿命减少，如果密封气室漏气，轮胎压力随之下降，影响越野性能。④为了补偿以上这些不足，在该系统每个车轮的密封气室与轮胎压力控制阀之间，安装了一个闭锁阀，使之与系统分开。但关闭或打开此阀必须停车进行，这样不仅麻烦而且占用行车时间，影响行车速度。⑤各个轮胎的放气都需要经过轮胎阀、气密室、闭锁阀和轮胎压力控制阀，这样路线长，放气时间相应也较长。为此对该系统的控制系统和轮胎阀进行了改进。从轮胎中央充气系统的发展来看，正在研制的系统是第三代轮胎中央充气系统。它将驾驶室内的机械式操作系统改为电、气联合控制，把原压力控制阀改为电磁阀，轮胎阀改为自控的轮胎阀。8.6轮胎安全技术上一页下一页返回它完全可以根据不同压力的需要自动关闭和开启，不需要人工下车操作，操作方便、简单可靠，是我国目前最为先进的轮胎中央充气系统。1.主要技术参数环境温度:－40～＋50℃系统压强:0.1～0.35MPa车轮线速度:≥16m/s密封圈使用寿命；≥－50000km系统泄漏量:每