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汽车悬架研究进展发展方向

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汽车悬架研究进展发展方向

汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 1汽车悬架控制一、 汽车悬架系统控制方法研究进展前言悬架系统作为现代汽车总成的一部分,起着缓冲路面冲击并且衰减由于路面不平引起的车身振动的作用,其性能好的好坏对车辆的形势平稳性与操控稳定性有着非常重要的关系。汽车悬架系统的设计必须适应行驶平顺性和安全性的要求,传统的被动悬架只能保证在一种特定道路和速度下达到性能最优折衷。随着高速公路的发展,传统的被动悬架已不能满足要求,各种悬架控制技术和方案得到了发展,使悬架系统适应在不同道路条件下行驶,保证乘坐舒适性和安全性。悬架控制的系统模型模拟以四分之一车辆作为研究对象,它是一能仿真乘坐舒适性、轮胎动载荷和悬架位移的最小模型。基于阻尼控制的悬架系统有汽车平顺性一般是用车身加速度来衡量的,乘员对车身加速度在不同频率下的感受,以及乘员身体各个部位的感受都是不相同的。可以认为人体是由许多小质量用弹性元件连接起来组成,其共振频率在各个部位有很大差异。图 1 表示简化后的人体振动系统模型。关于机械振动对人体影响的评价。 汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 2汽车行驶安全性是指在弯道行驶时、在受侧向风作用时和在制动过程中车轮抱死时,能保持汽车安全行驶的特性。这个特性由地面附着情况决定,同时与地面接触力的大小有关。 汽车行驶振动时,车轮上作用静载荷和动载荷,正的动载荷使附着力增加,但也极大的增加了路面负荷。负的动载荷减少了对地面的接触力,但使附着力减小,在极限情况下可以减小到零,这种情况是很危险的。严格地讲,车轮所能产生最大侧向力以及牵引力并不与车轮载荷成正比关系。图 2 及图 3 分别为侧向力、附着系数、滑移率与车轮载荷之间的关系。一 被动悬架系统征传统的被动悬架系统中,用弹簧和减振器支持车身,但由于减振器的阻尼力与振动速度成正比,随着激振频率的增加,刚度将相应增大,这样就不能很好地隔离高频干扰。 对被动悬架系统的设计,就是要确定其弹簧和减振器的参数,使系统在平顺性以及安全性之间寻找一个最优的折衷方案,而这种最优的折衷只可能在特定的道路状态和速度下达到。四、半被动悬架系统,从行驶平顺性和安全性出发,人们希望弹簧刚度和减振器的阻尼系数能随汽车运行状态而变化,使悬架性能总是处在最优状态附近。通常,弹簧刚度选定后,很难改变。因此人们总是从改变减振器阻尼入手,将阻尼分为两级或三级,可由司机选择或根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。1984 年在日本的一种中型轿车上首先应用了这种系统。后来通过研究与发展又将阻尼分为更多级,这样可以扩大选择的范围,提高安全性 10、提高平顺性 7左右。其优点是能在坏路条件下,或转弯、制动车时将阻尼调节到很大,使行驶安全性大幅度提高。五、半主动悬架系统半主动悬架要求其阻尼按照行驶状态的动力学要求作无级调节,并在几毫秒内由最小变到最大,由于阻尼变化响应快,很象一个主动系统,因此称为半主动系统。图 7 为半主动悬架系统简图。该系统的微处理器从传感器接收速度、位移、加速度等信号,计算出相应的阻尼值,给出控制信号到步进电动机,经阀杆调节阀门,使节流孔阻尼变化。这种无级变化阻尼系数系统,在计算机上模拟计算得到了满意的结果,但很少见到较好的应用实例。它比全主动系统优越的方面是不需要外加能量系统,但所需传感器较多,使成本提高。汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 3图 8 表示了被动悬架见图 8a、半被动悬架见图 8b以及半主动悬架见图 8c可以利用的阻尼力变化范围。由图可见被动悬架阻尼仅能在一条线上变化,半被动悬架则可在几条线上变化,而半主动悬架则可在整个平面内变化。在有些情况下半主动悬架可达到被动悬架不能达到的区域。例如汽车通过一段较长弯道时,要求给出很大阻尼,以便使外侧车轮离心力产生的摆动力矩很快衰减,这不仅对平顺性有利,而且使各车轮的附着力贮备比较均匀。六、全主动悬架系统有一些复杂的汽车行驶状态下,如 S 型弯道、倾斜路面等,汽车的平顺性和安全性就需要全主动悬架系统来保证。因此在悬架系统中附加一个可控制作用力的装置,它需要一套提供能量的设备。并将这种系统称为主动悬架系统参见图 9。该系统是由 1955 年发明的,应用在雪铁龙2型上,计算机模拟结果表明,它可以明显溅小车身振动加速度;但是在车轮共振区附近,车轮动载荷增加很大。目前主动悬架系统已在高速赛车上进行了试验,预计主动悬架的应用可能大幅度推动赛车的发展,在 80 年代初的一辆赛车上试验证明其弯道行驶横向加速度可以达到 89,而且具有较小的车底距地间隙;如在被动系统要达到同样水平,则弹簧刚度至少要提高五倍以上,而且由空气动力学引起的车身摇摆;只能通过增加阻尼来减小。为了使主动悬架系统充分发挥其优越性,要求动力学特性有一定的带宽大于 15这对安全性特别重要,这就使系统造价增高。由于液压缸的系统刚度非常大,一般比相应的汽车弹簧刚度高出两个数量级,因此要满足平顺性要求,只能通过控制其液体流量,使其活塞产生所要求的作用力。通过控制活塞力和变化速度,可以隔离地面高频激振,然而这将增加液压系统的功率消耗、能量消耗。汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 4七、全主动悬架系统全主动悬架由于频带宽,使消耗的能量比较大,慢主动悬架工作频率在 36间,由于放弃了在大带宽下对车轮的控制,使能量消耗和功率要求大幅度下降,但在横向和垂直动力学方面,此系统能达到全主动系统同样的水平。此系统在垂直动力学方面有些缺点。当激励超过了界限频率后,车轮的振动完全由与液压缸串联的软弹簧承受,而这个弹簧受空间限制,比被动悬架的要短得多,这就可能在通过障碍时将弹簧变形完全用尽,因为主动液压缸在受冲击以后才起作用。然而这种情况一方面对弹簧损害较大,另一方面对平顺性有很大影响。在一般的道路行驶中,这种系统能保持安全性与被动系统相当,而其平顺性在人比较敏感的频率范围内有较好的改善。综合上述内容,下表列出了五种悬架系统的特性比较。悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。汽车悬架的作用除了缓冲和吸收来自车轮的振动之外,还要在汽车行驶过程中传递车轮与路面之间的驱动力和制动力,在汽车转向时,悬架还要承受来自车身的侧向力,并在汽车起步和制动时能够抑制车身的俯仰振动。提高汽车的行驶稳定性相安全性。根据现代汽车对悬架提出的各种性能要求,悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。悬架的结构形式很多,分类方法也不尽相同。按导向机构的形式,可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果按控制力进行分图 11 三种悬架系统简化模型自 20 世纪五六十笨代,当最优控制理论在空间技术领域得以应用时,就有关于车辆主动悬架最优控制研究的文献发袭。但最先将随机最优控制理论应用于主动悬架研究中,并对箕方法加以系统描述的是 优控制是首先确定一个明确的目标函数,通过一定的数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。一般情况下,目标函数的确定要靠经验,最优控制的解可以通过计算机得到汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 5数值解。在汽车悬架系统上应用的最优控制较多。应用随机线性二次最优控制型沦,对系统肖几点要求1受控系统是线性的2系统的性能指标要以二次燮的形式表达3系统输入为高薪分布的自噪声4系统的状态均为可测自适应控制是针对具有一定不确定性的系统的设计的。适应控制方法可以自动检测系统的参数变化,从而时刻保持系统的性能指标为最优。应用于汽车悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考适应控制两种方法。自校正控制是一种将受控对象参数控制器参数整定的结合的控制方法,如图 12 所示。模型参考自适应控制的原理是当外界激励条件和自身参数状态发生变化时,被控汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的汽车悬架减振器在德国大众汽车公司的汽车底盘上得到应用。目前,神经网络控制方法越来越多地应用在特定环境以及采用固定描述方式的多种目的的设计中。悬架系统的神经网络控制框图如 l。3 所示,人工神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象的,它是由大量类似于人脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度非线性超大规模连续时间动力系统,反映了人脑功能的若干基本特性。模糊控制技术模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法,其最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型,使用语言变量代替数字变量,在控制过程中包含有大量人的控测经验和知识,与人工的行为相似,提高理论的可行性。模糊控制器的输入量可选择车身加速度和车身与车轮相对速度或者车身加速度与车身加速度的变化率,输出量为动力装置产生的作用力,图 1 4 所示为其结构框图。模糊控制器的输入量和输出量必须是自然语言的描述,而不是以公式的形势给出。因此还需要进行模糊化过程。被动、最优控制、自适应控制都有其局限性,适应控制所采用的最优控制理论算法可以使一个确定的目标函数达到最小,可以根据输入与车辆动力情况通过在线自适应算法确定参数,与悬架系统最优控制相比,对悬架组件的变形与承载力的变换有适应能力, 。有较强的随机性。适应理论可以在一定限度范围内自身调整,但当超过范围之后控制效果变差,而模糊控制的悬架系统在较汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 6强的路面激励干扰下,由其控制机理可知仍能保持一定的控制效果。自 90 年代以来,模糊控制方法就被应用在汽车悉架系统中。日本德岛大学芳村敏夫教授把模糊理论应用于汽车悬架半主动和主动控制系统,采用模糊推理分别构成半主动和主动控制规则,进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动,其结果证实了模糊控制方法的有效性。近年来,融于计机技术和各种途径控制方法的迅速发震,各种振动和噪声的控制水平不断提高,为从本质上改善汽车悬架的性能提供了一条新途径。随着控制理论、电子技术、计算机技术、测控技术、机械动力学等学科的快速发展,在这种情况下智能悬架系统应运丽生了,即基于电子控制的智能悬架系统主动悬架得到了迅速发展并逐渐在轿车上应用。特别是信息科学中对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络等能控制的研究,不仅在理论上取得令人瞩目的成绩,同时已开始应用于汽车悬架系统的振动控制,使悬架系统振动控制技术得以快速发展。随着汽车结构和功能的不断改进和完善,研究汽车振动,设计新型悬架系统,将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量的重要措施。因此汽车悬架振动主动控制技术将成为未来汽车研究的一个主要方向。现代汽车应用的主要悬架简介汽车悬架常见的有 麦 弗 逊 式 悬 架 , 双连杆式悬架,双叉臂式悬架。一 麦 弗 逊 式 悬 架麦 弗 逊 式 独 立 悬 架 麦 弗 逊 式 悬 挂 是 当 今 世 界 用 的 最 广 泛 的 轿 车 前 悬 挂 之 一 。 麦 弗逊 式 悬 挂 由 螺 旋 弹 簧 、 减 震 器 、 三 角 形 下 摆 臂 组 成 , 绝 大 部 分 车 型 还 会 加 上 横 向 稳 定杆 。 主 要 结 构 简 单 的 来 说 就 是 螺 旋 弹 簧 套 在 减 震 器 上 组 成 , 减 震 器 可 以 避 免 螺 旋 弹 簧 受力 时 向 前 、 后 、 左 、 右 偏 移 的 现 象 , 限 制 弹 簧 只 能 作 上 下 方 向 的 振 动 , 并 可 以 用 减 震 器的 行 程 长 短 及 松 紧 , 来 设 定 悬 挂 的 软 硬 及 性 能 。 麦 弗 逊 式 悬 挂 结 构 简 单 所 以 它 轻 量 、响 应 速 度 快 。 并 且 在 一 个 下 摇 臂 和 支 柱 的 几 何 结 构 下 能 自 动 调 整 车 轮 外 倾 角 , 让 其 能 在过 弯 时 自 适 应 路 面 , 让 轮 胎 的 接 地 面 积 最 大 化 , 虽 然 麦 弗 逊 式 悬 架 并 不 是 技 术 含 量 很 高的 悬 架 结 构 , 但 麦 弗 逊 式 悬 挂 在 行 车 舒 适 性 上 的 表 现 还 是 令 人 满 意 , 不 过 由 于 其 构 造 为直 筒 式 , 对 左 右 方 向 的 冲 击 缺 乏 阻 挡 力 , 抗 刹 车 点 头 作 用 较 差 , 悬 挂 刚 度 较 弱 , 稳 定 性差 , 转 弯 侧 倾 明 显 。汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 7主 要 优 点 麦 弗 逊 悬 挂 拥 有 良 好 的 响 应 性 和 操 控 性 , 而 且 结 构 简 单 , 占 用 空 间 小 , 成 本低 , 适 合 布 置 大 型 发 动 机 以 及 装 配 在 小 型 车 身 上 , 操控性能好。 主要缺点稳定性差、抗侧倾和制动点头能力弱。 代表车型绝大多数车型前悬都采用该悬挂系统。二 双连杆式悬架双连杆式悬架多 连 杆 式 悬 架 就 是 指 由 三 根 或 三 根 以 上 连 接 拉 杆 构 成 , 并 且 能 提 供多 个 方 向 的 控 制 力 , 使 轮 胎 具 有 更 加 可 靠 的 行 驶 轨 迹 的 悬 架 结 构 。 不 过 时 下 , 由 于 三 连杆 结 构 已 不 能 满 足 人 们 对 于 底 盘 操 控 性 能 的 更 高 追 求 , 只 有 结 构 更 为 精 确 、 定 位 更 加 准确 的 四 连 杆 式 和 五 连 杆 式 悬 架 才 能 称 得 上 是 真 正 的 多 连 杆 式 , 这 两 种 悬 架 结 构 通 常 分 别应 用 于 前 轮 和 后 轮 。 以 常 运 用 于 后 轮 的 五 连 杆 式 悬 架 为 例 , 五 根 连 杆 分 别 指 主 控 制 臂 、前 置 定 位 臂 、 后 置 定 位 臂 、 上 臂 和 下 臂 , 其 中 , 主 控 制 臂 可 以 起 到 调 整 后 轮 前 束 的 作 用 ,以 提 高 车 辆 行 驶 稳 定 性 , 有 效 降 低 轮 胎 的 摩 擦 。 。 多 连 杆 独 立 悬 挂 , 可 分 为 多 连 杆 前 悬 挂 和 多 连 杆 后 悬 挂 系 统 。 其 中 前 悬 挂 一 般 为 3连 杆 或 4 连 杆 式 独 立 悬 挂 ; 后 悬 挂 则 一 般 为 4 连 杆 或 5 连 杆 式 后 悬 挂 系 统 , 其 中 5 连杆 式 后 悬 挂 应 用 较 为 广 泛 。 这 种 悬 架 不 仅 可 以 保 证 拥 有 一 定 的 舒 适 性 , 而 且 由 于 连 杆 较多 , 可 以 使 车 轮 和 地 面 尽 最 大 可 能 保 持 垂 直 , 尽 最 大 可 能 减 小 车 身 的 倾 斜 。 最 大 可 能 维持 轮 胎 的 贴 地 性 。主要优点舒适性能极佳、操控稳定性能优越 ,其 操 控 性 能 和 双 叉 臂 式 悬 挂 难 分 伯 仲 ,高 档 轿 车 由 于 空 间 充 裕 、 且 注 重 舒 适 性 能 何 操 控 稳 定 性 , 所 以 大 多 使 用 多 连 杆 悬 , 可 以说 多 连 杆 悬 挂 是 高 档 轿 车 的 绝 佳 搭 档 。汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 8主要缺点结构复杂、研发生产成本高、占用空间大 。三 双叉臂式悬架双叉臂式悬架 双 叉 臂 式 悬 架 由 上 下 两 根 不 等 长 V 字 形 或 A 字 形 控 制 臂 以 及 支 柱式 液 压 减 震 器 构 成 , 通 常 上 控 制 臂 短 于 下 控 制 臂 。 上 控 制 臂 的 一 端 连 接 着 支 柱 减 震 器 ,另 一 端 连 接 着 车 身 ; 下 控 制 臂 的 一 端 连 接 着 车 轮 , 而 另 一 端 则 连 接 着 车 身 。 上 下 控 制 臂还 由 一 根 连 接 杆 相 连 , 这 根 连 杆 同 时 也 还 与 车 轮 相 连 接 。 在 整 个 悬 架 构 造 中 , 通 过 对 多个 支 点 的 连 接 提 高 了 上 下 控 制 臂 以 及 整 个 悬 架 的 整 体 性 。在双叉臂悬架中通常采用球头连接来满足前车轮的运动需要上下控制臂与转向主销的连接部位既要支持前轮实现转向又要控制车轮的上下抖动。不过由于上下控制臂的长度差问题,这也对双叉臂悬架的设计提出了严峻的考验如果上下控制臂的长度差过小,车轮抖动时会造成左右轮距偏大,加快轮胎外侧磨损;反之,如果上下臂长度差过大,则会造成车轮转向时外倾角过大,使轮胎内侧磨损加快。因此,可以通过增加上下控制臂的长度来减小轮距的变化和控制外倾角的变化。 另外,双叉臂悬架的上下控制臂能起到抵消横向作用力的功效,这使得支柱减震器不再承受横向作用力,而只应对车轮的上下抖动,因此在弯道上具有较好的方向稳定性优点 双叉臂式悬挂通常采用上下不等长叉臂(上短下长) ,让车轮在上下运动时能自动改变外倾角并且减小轮距变化减小轮胎磨损,并且能自适应路面,轮胎接地面积大,贴地性好。横向刚度大、抗侧倾性能优异、抓地性能好、路感清晰;缺点它的结构更复杂,占用空间较大,成本较高,因此并不适用于小型车前悬挂,此外,定位参数的确定需要精确计算和调校,对于制造商的技术实力要求也比较高。参考文献1 汽车悬架控制技术的发展 北京理工大学 于强,郑幕乔 19942 汽车悬架技术的研究现状和发展趋势 辽宁职业学院 王永军 2008 3 汽车悬架控制臂 司 2008汽车振动论文 车辆 0901 朱广平 20092190车辆 0901 朱广平 20092190 94 汽车悬架控制臂液压衬套动态性实测 上官文武 2007 5 r,中国电力出版社 20026 20027 清华大学出版社 李玉波 朱自强 郭俊 2005 8 汽车悬架弹簧设计方法研究 史小辉 西南交通大学 20119 汽车板主动悬架研究 重庆大学 蒋光红 200310 汽车系统建模发放研究 吉林大学 张绍龙 2011车辆 0901 朱广平 20092190

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