畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（全套圖紙）

1、南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 目 錄 前前 言言 .1 第一章第一章 緒論緒論.2 1.1 空氣懸架結(jié)構(gòu)與分類.2 1.2 空氣彈簧懸架國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 .3 1.3本論文研究的目的、內(nèi)容和意義 4如需要圖紙等資料，聯(lián)系 QQ1961660126 研究成果的嚴(yán)肅態(tài)度以及向讀者提供有關(guān)信息的出處，正文之后一般應(yīng)列出參考文獻(xiàn)表引文應(yīng)以原始文獻(xiàn)和第一手資 料為原則。所有引用別人的觀點(diǎn)或文字，無論曾否發(fā)表，無論是紙質(zhì)或電子版，都必須注明出處或加以注釋。凡轉(zhuǎn)引 文獻(xiàn)資料，應(yīng)如實(shí)說明。對已有學(xué)術(shù)成果的介紹、評論、引用和注釋，應(yīng)力求客觀、公允、準(zhǔn)確。偽注、偽造、篡改 文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)等，

2、均屬學(xué)術(shù)不端行為致謝一項(xiàng)科研成果或技術(shù)創(chuàng)新,往往不是獨(dú)自一人可以完成的,還需要各方面的人力, 財(cái)力,物力的支持和幫助.因此,在許多論文的末尾都列有致謝1) 著錄參考文獻(xiàn)可以反映論文作者的科學(xué)態(tài)度和論 文具有真實(shí)、廣泛的科學(xué)依據(jù)，也反映出該論文的起點(diǎn)和深度。 2) 著錄參考文獻(xiàn)能方便地把論文作者的成果與前人的成果區(qū)別開來。 3) 著錄參考文獻(xiàn)能起索引作用。 4) 著錄參考文獻(xiàn)有利于節(jié)省論文篇幅。 01 Brown, H. D. Teaching by Principles: An Interactive Approach to Language PedagogyM. Prentice Hall

3、Regents, 1994. 02 Brown, J Set al. Situated Cognition and the Culture of LearningJ. Educational Reasercher, 1, 1989. 03 Chris, Dede. The Evolution of Constructivist Learning Envi-ronments: Immersion in Distributed Virtual WorldsJ. Ed-ucational Technology, Sept-Oct, 1995. 學(xué)位申請者如果能通過規(guī)定的課程考試，而論文的審查和答辯合

4、格，那么就給予學(xué)位。如果說學(xué)位申請者的課程 考試通過了，但論文在答辯時(shí)被評為不合格，那么就不會授予他學(xué)位。 有資格申請學(xué)位并為申請學(xué)位所寫的那篇畢業(yè)論文就稱為學(xué)位論文，學(xué)士學(xué)位論文。學(xué)士學(xué)位論文既如需 要圖紙等資料，聯(lián)系 QQ1961660126 是學(xué)位論文又是畢業(yè)論文 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) VDC 001.81、CB 7713-87號文件給學(xué)術(shù)論文的定義為： 學(xué)術(shù)論文是某一學(xué)術(shù)課題在實(shí)驗(yàn)性、理論性或觀測性上具有新的科學(xué)研究成果或創(chuàng)新見解的知識和科現(xiàn)象、制定 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 1 新理論的一種手段，舊的科學(xué)理論就必然會不斷地為新理論推翻。 ” （斯蒂芬梅森）

5、因此，沒有創(chuàng)造性，學(xué)術(shù)論文就 沒有科學(xué)價(jià)值。 三、三、創(chuàng)造性 學(xué)術(shù)論文在形式上是屬于議論文的，但它與一般議論文不同，它必須是有自己的理論系統(tǒng)的，不能只是材料的羅列， 應(yīng)對大量的事實(shí)、材料進(jìn)行分析、研究，使感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識。一般來說，學(xué)術(shù)論文具有論證色彩，或具有論 辯色彩。論文的內(nèi)容必須符合歷史唯物主義和唯物辯證法，符合“實(shí)事求是” 、 “有的放矢” 、 “既分析又綜合” 的科學(xué) 研究方法。 一般普通刊物（省級、國家級）審核時(shí)間為一周，高質(zhì)量的雜志，審核時(shí)間為14-20天。 核心期刊審核時(shí)間一般為4個(gè)月，須經(jīng)過初審、復(fù)審、終審三道程序。 3.期刊的級別問題。 國家沒有對期刊進(jìn)行級別劃分。但

6、各單位一般根據(jù)期刊的主管單位的級別來對期刊劃為省級期刊和國家級期刊。 省級期刊主管單位是省級單位。國家級期刊主管單位是國家部門或直屬部門。 如需要圖紙等資料，聯(lián)系 QQ1961660126 第二章第二章 汽車振動(dòng)的簡化及分析汽車振動(dòng)的簡化及分析.5 2.1 振動(dòng)的簡化.5 2.2 車身與車輪雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)分析 .6 第三章第三章 空氣懸架系統(tǒng)元件概述空氣懸架系統(tǒng)元件概述.9 3.1 空氣彈簧.9 空氣彈簧特性.10 空氣彈簧特性試驗(yàn).12 3.2 減振器.14 3.3 高度控制閥.15 第四章第四章 控制方式控制方式 .18 4.1 最優(yōu)控制方法.18 4.2 自適應(yīng)控制方法.18 4.3

7、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法 .19 第五章第五章 信號采集、控制元件的選擇信號采集、控制元件的選擇 .20 5.1 試驗(yàn)臺信號采集、控制方案設(shè)計(jì) .20 5.2 元件選擇.20 5.3 信號采集裝置的布置及剛度、高度調(diào)節(jié) .22 第六章第六章 機(jī)械元件的設(shè)計(jì)、校核機(jī)械元件的設(shè)計(jì)、校核.23 6.1 空氣彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算.23 空氣彈簧剛度計(jì)算.23 附加空氣室設(shè)計(jì).24 6.2 減振器選擇與計(jì)算.24 6.3 輪胎當(dāng)量螺旋彈簧的設(shè)計(jì)、校核 .25 6.4 減振器螺栓的校核.26 6.5 立柱的設(shè)計(jì) .26 6.6 簧上、簧下質(zhì)量的確定.27 簧上質(zhì)量的確定.27 簧下質(zhì)量的確定.28 南京林業(yè)大學(xué)

8、畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2 結(jié)結(jié) 論論.29 致致 謝謝.30 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).31 附附 錄錄 前 言 汽車空氣懸架近幾年開始發(fā)展迅猛，在空氣懸架中，空氣彈簧是主要的彈性元件， 它代替了傳統(tǒng)懸架中的螺旋彈簧，是一種新型的彈性元件，它的剛度可根據(jù)具體情況靈 活改變，使乘坐舒適性大大提高。不僅如此，配合其特有的高度控制閥，它還可以自動(dòng) 調(diào)整車輛高度，增加高速時(shí)的行車安全性。與傳統(tǒng)汽車懸架相比，空氣懸架有許多性能 優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)懸架無法與之匹敵。 本論文首先在熟悉空氣懸架各零部件的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要根據(jù)學(xué)校實(shí) 驗(yàn)室現(xiàn)有的一個(gè)四分之一模擬懸架機(jī)械裝置，針對空氣懸架試驗(yàn)臺系統(tǒng)的

9、要求對上述四 分之一模擬懸架機(jī)械裝置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，然后對空氣懸架總成中的重要零部件進(jìn)行型 號選擇和論證，確定整個(gè)試驗(yàn)臺的功用和結(jié)構(gòu)布局，以方便后期試驗(yàn)臺的制造。 本論文所涉及的是南京林業(yè)大學(xué)車輛半主動(dòng)懸架智能控制器研究(校創(chuàng)新基金 CX2004-05)項(xiàng)目中的一部分。 黃義龍 2007 年 5 月 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 3 第一章 緒論 1.1 空氣懸架結(jié)構(gòu)與分類 圖 1.1 前懸 圖 1.2 后懸 空氣懸架按具體結(jié)構(gòu)可分為以下三種：全長鋼板彈簧并用式空氣懸架、鋼板彈簧后 端式空氣懸架、平行桿式空氣懸架，分別如圖 1.3，圖 1.4、圖 1.5 所示。 圖 1.

10、3 全長鋼板彈簧并用式 圖 1.4 鋼板彈簧后端式 圖 1.5 平行桿式 空氣懸架還可按進(jìn)氣的控制方式分為機(jī)械控制式和電子控制式兩種。 空氣懸架因?yàn)榭諝鈴椈删哂蟹蔷€性剛度特性，因此可以得到較低的固有振動(dòng)頻率， 保證了汽車良好的行駛平順性；而且空氣懸架質(zhì)量輕、彈簧剛度低，可以提高輪胎的附 著能力，縮短制動(dòng)距離，提高了整車的操縱穩(wěn)定性；相對板簧結(jié)構(gòu)而言，空氣懸架車體 平穩(wěn)，從空載到滿載的整個(gè)范圍內(nèi)都能有效隔斷路面?zhèn)鬟f的振動(dòng)，具有防震、防噪聲等 功能；但空氣彈簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高；空氣彈簧尺寸大，布置困難；密封環(huán)節(jié)多， 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 4 密封困難。 1.2 空

11、氣彈簧懸架國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 空氣彈簧誕生于十九世紀(jì)中期，早期用于機(jī)械設(shè)備的隔振。1947 年，美國首先在普 爾曼車上使用空氣彈簧，到 1964 年，美國生產(chǎn)的 25 種公共汽車中，有 23 種使用了空氣 彈簧懸架。美國的通用汽車公司在 1958 年就生產(chǎn)了裝有空氣彈簧懸架的牽引車。1961 年， 德國開始在大多數(shù)公共汽車上使用空氣彈簧，到 1964 年，德國生產(chǎn)的 55 種大中型客車 中，有 38 種使用了空氣彈簧懸架。此后意大利、英國、法國及日本等國家相繼對空氣彈 簧作了大量的研究工作。目前，空氣彈簧懸架在國外豪華汽車上已經(jīng)被廣泛采用，在高 速客車和豪華城市客車上的使用率已達(dá)到 100%

12、，在中、重型貨車以及掛車上也超過 80%，如美國的 Ford，德國的 Benz、Man、Neoplan，瑞典的 Volvo，法國的雷諾，日本的 尼桑、日野、五十鈴、三菱等。同時(shí)部分高級轎車上也有選裝空氣彈簧懸架的，如美國 的林肯，德國的 Benz300SE 和 Benz600 等。 我國早在二十世紀(jì)五十年代就對空氣彈簧進(jìn)行了研究，1957 年初，長春汽車研究所 與化工部橡膠工業(yè)研究所合作，進(jìn)行空氣彈簧橡膠氣囊的設(shè)計(jì)與研究，同年底制造出我 國第一輛空氣懸架貨車。1958 年，長春汽車研究所在北京、天津、上海等地設(shè)計(jì)和協(xié)助 設(shè)計(jì)了公共汽車、無軌電車以及軌道車輛等多種車輛的空氣彈簧懸架。 八十年代初

13、長春汽車研究所再次進(jìn)行空氣彈簧懸架的研究，并為武漢客車制造廠、 瓦房店客車廠、四平客車廠等幾家工廠設(shè)計(jì)了空氣彈簧懸架，當(dāng)時(shí)車身自振頻率可降低 到 1.11.2Hz，平均車速提高了 17%。懸架質(zhì)量也比同車型的鋼板彈簧懸架減輕了 5060 公斤。這期間國產(chǎn)空氣懸架存在的主要問題是橡膠氣囊的壽命偏低和高度控制閥 泄漏等沒有得到很好解決。 上世紀(jì)九十年代，國內(nèi)客車廠紛紛從國外購置空氣彈簧懸架及空氣彈簧懸架客車底 盤，對其產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以提高其產(chǎn)品的技術(shù)含量，搶占國內(nèi)高檔客車市場，如北 方車輛制造廠、廈門金龍聯(lián)合汽車公司、亞星客車集團(tuán)公司等。同時(shí)國內(nèi)各大汽車廠、 研究所、大專院校也對空氣懸架進(jìn)行開

14、發(fā)設(shè)計(jì)和理論研究。如東風(fēng)汽車工程研究院，中 國重型汽車集團(tuán)公司，上海匯眾汽車制造公司，淝河汽車制造廠，交通部重慶公路科學(xué) 研究所，江蘇省交通科學(xué)研究院，湖北大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，北京理工大學(xué)等。在這段時(shí)期 沈陽飛機(jī)制造公司和交通部重慶公路科學(xué)研究所起草了 GB11612-89客車空氣懸架用高 度控制閥和 GB/T13061-1991汽車懸架用空氣彈簧橡膠彈簧國家標(biāo)準(zhǔn)，為高度控 制閥和橡膠氣囊國產(chǎn)化提供了標(biāo)準(zhǔn)。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5 為了滿足空氣彈簧懸架維修配件的需要，近年來國內(nèi)一些企業(yè)正在生產(chǎn)空氣彈簧懸 架零部件，如貴州前進(jìn)橡膠、山東萊州市橡膠廠、鐵道部四方車輛研究

15、所等廠家，主要 生產(chǎn)各種膜式和囊式空氣彈簧氣囊，應(yīng)用于汽車、鐵路車輛和一些機(jī)械設(shè)備上。也有些 曾經(jīng)生產(chǎn)過或正在生產(chǎn)高度控制閥的廠家，如鐵道部科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，華中 理工大學(xué)，中國電子工程設(shè)計(jì)院，交通部重慶公路科學(xué)研究所，浙江瑞安市東歐汽車零 件廠等。 1.3 本論文研究的目的、內(nèi)容和意義 隨著我國公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，人們對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性提出更高的要求。 在傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架中各參數(shù)一經(jīng)確定就無法改變，從而限制了汽車性能的進(jìn)一步提高。 阻尼或剛度參數(shù)可調(diào)節(jié)的半主動(dòng)懸架，可以根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)和道路激勵(lì)大小自動(dòng)調(diào) 節(jié)懸架參數(shù)，使其始終保持在最優(yōu)設(shè)定狀態(tài)，提高了汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定

16、性，空 氣彈簧懸架具有自振頻率低、彈簧剛度可調(diào)、振動(dòng)及噪聲小、使用壽命長等特點(diǎn)，推廣 使用空氣彈簧懸架可以有效地解決上述問題。目前，國內(nèi)外對半主動(dòng)空氣彈簧懸架已經(jīng) 進(jìn)行了一些研究，尤其是在空氣彈簧懸架設(shè)計(jì)和空氣彈簧懸架控制及整車匹配技術(shù)方面 做了大量開創(chuàng)性的工作。但是，對于空氣彈簧懸架的研究必須從實(shí)驗(yàn)室開始，實(shí)驗(yàn)室研 究又必須以試驗(yàn)臺為基礎(chǔ)。至于試驗(yàn)臺的研究設(shè)計(jì)目前國內(nèi)也就只有幾所大專院校正在 進(jìn)行，有些還僅限于仿真階段，或者進(jìn)行某個(gè)部件的試驗(yàn)研究，基本上沒有詳細(xì)、全面 的科研成果。 本試驗(yàn)臺系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)就是為了能夠更好的設(shè)計(jì)出符合研究和試驗(yàn)使用的試驗(yàn)臺 而進(jìn)行的。通過對空氣懸架系統(tǒng)的各種元

17、件進(jìn)行正確的選型和論證，構(gòu)造出符合研究和 試驗(yàn)使用的試驗(yàn)臺就是本論文的目的和內(nèi)容。研究用試驗(yàn)臺一旦成功設(shè)計(jì)制造出來，它 將最大可能的模擬車輛懸架系統(tǒng)的真實(shí)的工作情況，試驗(yàn)出來的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)將是實(shí)際車輛 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造的直接參考依據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確與否將關(guān)系到實(shí)際車輛懸 架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造流程的周期與成本。因此，本論文所研究的關(guān)于汽車空氣懸架 試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)整個(gè)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造流程中最為關(guān)鍵，也最為重要的第一 步。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 6 第二章 汽車振動(dòng)的簡化及分析 2.1 振動(dòng)的簡化 汽車是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)所分析的問題進(jìn)行簡化。圖

18、 2.1 為一個(gè)把汽車 車身質(zhì)量看作剛體的立體模型。汽車的懸掛質(zhì)量為，它是由車身、車架及其上的總成 2 m 所構(gòu)成。該質(zhì)量繞通過質(zhì)心的橫軸 y 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，懸掛質(zhì)量通過減振器和懸架與車 y I 軸、車輪相連接。車輪、車軸構(gòu)成的非懸掛質(zhì)量為。車輪在經(jīng)過具有一定彈性和阻尼 1 m 的輪胎支撐在不平的路面上。在討論平順性時(shí)，這一立體模型的車身質(zhì)量主要考慮垂直、 俯仰、側(cè)傾 3 個(gè)自由度，4 個(gè)車輪質(zhì)量有 4 個(gè)垂直自由度,共 7 個(gè)自由度。 圖 2.1 四輪汽車的簡化的立體模型 圖 2.2 雙軸汽車簡化的平面模型 當(dāng)汽車對稱于其縱軸線且左右車轍的不平度函數(shù) x(I)=y(I)，此時(shí)車身只有垂直振動(dòng)

19、 Z 和俯仰振動(dòng) ，這兩個(gè)自由度的振動(dòng)對平順性的影響很大。圖 2.2 為汽車簡化成 4 個(gè) 自由度的平面模型。在這個(gè)模型中，又因輪胎阻尼較小而可以忽略不計(jì)，同時(shí)把質(zhì)量， 2 m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的車身按動(dòng)力學(xué)等效的條件分解為前軸上、后軸上及質(zhì)心 C 上的 3 個(gè)集中、 y I 2 f m 、。這 3 個(gè)質(zhì)量由無質(zhì)量的剛性桿連接，它們的大小由下述 3 個(gè)條件決定： 2r m 2c m 1)總質(zhì)量保持不變 (1) 2222 mmmm crf 2)質(zhì)心位置保持不變 (2) 22 0 fr m am b 3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值保持不變 (3) 222 222yyfr Imm am b 式中為繞橫軸 y 的回轉(zhuǎn)半徑；

20、a、b 為車身質(zhì)量部分的質(zhì)心至前、后軸的距離。由式(1)、 y (2)和(3)得出 3 個(gè)集中質(zhì)量分別為： 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 7 = = = 2 f m 2 m 2 y aL 2r m 2 m 2 y bL 2c m 2 m 2 (1) y ab 式中的為軸距。L 通常，令 =/，并稱其為懸掛質(zhì)量分配系數(shù)。由上面 3 個(gè)式子可以看出當(dāng) 2 y ab =1 時(shí)，聯(lián)系質(zhì)量=0。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分汽車的 =0.81.2，即接近于 1。在 =1 2c m 的情況下，前后軸上方車身部分的集中質(zhì)量、的垂直方向運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的。在 2 f m 2r m 此的情況下，當(dāng)前輪遇到

21、路面不平度而引起振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量運(yùn)動(dòng)而質(zhì)量不運(yùn)動(dòng)； 2 f m 2r m 反之也是這樣；因此，在這種特殊情況下，可以分別討論圖 2.2 上和前輪軸以及 2 f m 和后輪軸所構(gòu)成的兩個(gè)雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)。 2r m 2.2 車身與車輪雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)分析 圖 2.3 兩個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng) 對于圖 2.2 所示的雙軸汽車四個(gè)自由度的振動(dòng)模型，當(dāng)懸掛質(zhì)量分配系數(shù) = 的數(shù)值接近 1 時(shí)，前后懸掛系統(tǒng)的垂直振動(dòng)幾乎是獨(dú)立的。于是可以簡化為圖 2.3 2 / y ab 所示的兩個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)除了具有車身部分的動(dòng)態(tài)特性外，還能反映車輪 部分在 1015Hz 范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻共振時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，它對平順性

22、和車輪的接地性有較大 影響，更接近汽車懸掛系統(tǒng)的實(shí)際情況。圖中，為懸掛質(zhì)量(車身質(zhì)量)；為非懸 2 m 1 m 掛質(zhì)量(車輪質(zhì)量)；為懸掛剛度；為阻尼器阻尼系數(shù)；為輪胎剛度；q 為輸入的KC t K 路面不平度函數(shù)。 車輪與車身垂直位移坐標(biāo)為 z1、z2，坐標(biāo)原點(diǎn)選在各自的平衡位置，其運(yùn)動(dòng)方程為： (4) 222121 1 112121 ()()0 ()()()0 t m zC zzK zz m zC zzK zzK zq 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 8 無阻尼自由振動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程變成 (5) 2221 1 1121 ()0 ()0 t m zK zz m zK zzK

23、 z 由運(yùn)動(dòng)方程可以看出，與的振動(dòng)是相互耦合的。若不動(dòng)(=0)，則得 2 m 1 m 1 m 1 z 222 0m zKz 這相當(dāng)于只有車身質(zhì)量的單自由度無阻尼自由振動(dòng)。其固有圓頻率為： 2 m 。 2 K m 同樣，若不動(dòng)(=0)，相當(dāng)于車輪質(zhì)量作單自由度無阻尼自由振動(dòng)，于是可 2 m 2 z 1 m 得車輪部分固有圓頻率： 1 () tt KKm 與是雙質(zhì)量系統(tǒng)，是只有單獨(dú)一個(gè)質(zhì)量振動(dòng)時(shí)的部分頻率(偏頻)。 o t 在無阻尼自由振動(dòng)時(shí)，設(shè)兩個(gè)質(zhì)量以相同的圓頻率和相角作簡諧振動(dòng)，振幅為 、，則其解為： 10 z 20 z () 110 jt zz e () 220 jt zz e 將上面兩個(gè)

24、解代入微分方程組(5)得： (6) 2 202010 22 0 KK zzz mm (7) 2 102010 11 0 t KKK zzz mm 將、代入式(6)和(7)，可得 2 02 K m 2 1 () tt KKm 2010 10 1 ()0 0 zz zz m 此方程組有非零解的條件是和的系數(shù)行列式為零，化為代數(shù)式即 10 zz 1 ()0m (8) 4222222 10001 ()0 t m 式(8)稱為系統(tǒng)的頻率方程或特征方程，它的兩個(gè)根為雙質(zhì)量系統(tǒng)主頻率和的平方 1 2 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9 2 222 1 20 21 11 22 =() 0

25、24( ) t t KK t m m 、 經(jīng)過一定的理論計(jì)算可以得到雙質(zhì)量系統(tǒng)的傳遞特性；車身加速度、懸架彈簧動(dòng) 2 z 撓度和車輪相對動(dòng)載的幅頻特性，從而可在一定的試驗(yàn)條件下得出系統(tǒng)參數(shù)(車 d f d fG 身部分固有頻率、阻尼比、剛度比和質(zhì)量比)對振動(dòng)響應(yīng)的影響。具體總結(jié)如下： 0 f 車身加速度、懸架彈簧動(dòng)撓度和車輪相對動(dòng)載對車身部分固有頻率的變 2 z d f d fG 0 f 化是很敏感的。阻尼比的變化對、和都有較大的影響：隨阻尼比增大，在 2 z d f d fG 低頻共振區(qū)的、的峰值均會下降，而在低頻、高頻兩個(gè)共振區(qū)之間都增大，在高 2 z d fG 頻共振區(qū)變化很小，而有明顯

26、下降；當(dāng)增大時(shí)，在高、低兩個(gè)共振區(qū)均 2 z d fG d fG 會明顯下降，在兩個(gè)共振區(qū)之間變化很?。恍旭偘踩砸笕≥^大值，平順性要求取較 小值。車身與車輪部分質(zhì)量比增大，、略有減小，主要是變化較大，因此， 2 z d f d fG 減小車輪部分質(zhì)量對平順性影響不大，主要影響行駛安全性。當(dāng)其他參數(shù)、和 1 m 0 f 均保持不變時(shí)，增大相當(dāng)于懸架剛度不變而輪胎剛度增大，從而使車輪部分系K t K 統(tǒng)參數(shù)提高而下降，使三個(gè)幅頻特性高頻共振峰向高頻移動(dòng)，而且峰值提高，其中 t f t 的變化最大，次之；采用軟的輪胎對改善平順性，尤其是提高車輪與地面間的附 d fG 2 z 著性能有明顯好處。

27、可控懸架就是通過改變彈簧剛度或減振器阻尼來改變懸架系統(tǒng)的剛度比或阻尼比來 使行駛平順性和操縱安全性的矛盾適時(shí)緩解，從而使行駛平順性更好，更舒適而操縱穩(wěn) 定性更好。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 10 第三章 空氣懸架系統(tǒng)元件概述 3.1 空氣彈簧 橡膠空氣彈簧是由簾線層、內(nèi)外橡膠層或鋼絲圈經(jīng)成型后硫化形成一種撓性體，利 用充入空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性功能的一種橡膠元件。俗稱空氣彈簧、橡膠氣囊、氣囊 等。空氣彈簧只能承受垂直載荷，所以空氣彈簧懸架需要一套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來承受切向力和 側(cè)向力。橡膠空氣彈簧總成一般由彈性元件、護(hù)圈、緩沖塊等經(jīng)裝配后形一個(gè)具有密閉 氣室的整體。如圖 3.

28、1 所示。 圖 3.1 空氣彈簧結(jié)構(gòu) 橡膠空氣彈簧工作時(shí)，內(nèi)腔充入壓縮空氣，形成一個(gè)壓縮空氣氣柱。隨著振動(dòng)載荷 量的增加，彈簧的高度降低，內(nèi)腔容積減小，彈簧的剛度增加，內(nèi)腔空氣柱的有效承載 面積加大，此時(shí)彈簧的承載能力增加。當(dāng)振動(dòng)載荷量減小時(shí)，彈簧的高度升高，內(nèi)腔容 積增大，彈簧的剛度減小，內(nèi)腔空氣柱的有效承載面積減小，此時(shí)彈簧的承載能力減小。 這樣，空氣彈簧在有效的行程內(nèi)，空氣彈簧的高度、內(nèi)腔容積、承載能力隨著振動(dòng)載荷 的遞增與減小發(fā)生了平穩(wěn)的柔性傳遞、振幅與震動(dòng)載荷的高效控制。還可以用增、減充 氣量的方法，調(diào)整彈簧的剛度和承載力的大小，還可以附設(shè)輔助氣室，實(shí)現(xiàn)自控調(diào)節(jié)。 根據(jù)橡膠氣囊工作時(shí)

29、的變形方式，空氣彈簧可分為囊式空氣彈簧、膜式空氣彈簧和 混合式空氣彈簧三種。如圖 3.2、圖 3.3、圖 3.4 所示。按密封結(jié)構(gòu)形式分為壓力自封式、 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 11 輪緣夾緊式、箍環(huán)密封式和混合式四大類。 膜式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形；囊式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊 的撓屈獲得彈性變形；混合式空氣彈簧則兼有以上兩種變形方式。 囊式空氣彈簧根據(jù)橡膠氣囊曲數(shù)不同分為單曲、雙曲和多曲囊式空氣彈簧。氣囊各 段之間鑲有金屬輪緣，目的是承受內(nèi)壓張力。囊式空氣彈簧的有效面積變化率及彈簧剛 度較大，振動(dòng)頻率也較高。 圖 3.2 囊式 圖 3.3 膜式 圖

30、 3.4 混合式 膜式空氣彈簧的結(jié)構(gòu)是在蓋板和底座之間放置一個(gè)圓柱形橡膠氣囊，通過氣囊撓曲 變形實(shí)現(xiàn)整體伸縮。膜式空氣彈簧可得到比囊式空氣彈簧更為理想的彈性特性曲線。膜 式空氣彈簧在正常工作范圍內(nèi)，彈簧剛度變化要比囊式空氣彈簧小，同時(shí)也可通過改變 底座形狀的方法，控制有效面積變化率，以獲得比較理想的彈性特性。膜式空氣彈簧有 效面積變化率也比囊式空氣彈簧小。 膜式空氣彈簧可通過改變氣囊長度來增加工作行程。根據(jù)橡膠氣囊與上蓋板和底座 的連接方式不同又可分為約束膜式和自由膜式空氣彈簧兩種。約束膜式空氣彈簧密封一 般用螺栓夾緊密封；自由膜式空氣彈簧采用氣囊內(nèi)的壓力自封。 混合式空氣彈簧的氣囊上部與囊式

31、氣囊的上部基本相同，它的下部則與膜式空氣彈 簧類似，混合式空氣彈簧兼有膜式空氣彈簧與囊式空氣彈簧的特點(diǎn)。 空氣彈簧氣囊是由高質(zhì)量的彈性物質(zhì)構(gòu)成，具有良好的力學(xué)特性。一般工作內(nèi)壓為 0.40.6MPa，適應(yīng)于-40C+70C 的溫度變化，并能抗磷化物質(zhì)、酸堿溶劑和臭氧等 的侵蝕。橡膠空氣彈簧的載荷主要由簾線承受，簾線的層數(shù)主要由 2 層組成，特殊要求 產(chǎn)品由 4 層簾線層組成。內(nèi)層橡膠主要是起密封作用，外層橡膠除了起密封作用外，還 起保護(hù)作用。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 12 (1)空氣彈簧具有其剛度隨氣囊壓力和輔助氣室以及底座形狀的變化而改變的特點(diǎn)， 因此可以根據(jù)需要

32、將空氣彈簧設(shè)計(jì)成具有理想剛度特性的形式。在裝有高度閥的空氣彈 簧懸架中還可實(shí)現(xiàn)在任何載荷下車身固有頻率保持不變這一特性，從而提高了車輛行駛 平順性。而對于普通金屬彈簧，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，其剛度固定不變，所以車輛載荷發(fā) 生變化時(shí)其固有頻率隨載荷的變化而改變，從而無法保證在任何載荷下都具有較好的行 駛平順性。圖 3.5 是普通金屬彈簧懸架和帶有高度調(diào)節(jié)閥的空氣彈簧懸架的靜態(tài)特性比 較曲線，圖中 a 為載荷撓度特性，b 為載荷頻率特性。由 a 可以看出，對于金屬彈簧 懸架其靜撓度隨載荷增加而增大，而對于空氣彈簧懸架其靜撓度在所有載荷條件下都幾 乎保持不變，從 b 可以看出當(dāng)載荷變化時(shí)金屬彈簧懸架的固

33、有頻率變化比空氣彈簧懸架 大，說明空氣彈簧懸架具有其固有頻率基本保持不變的特性。 a b 圖 3.5 兩種不同懸架靜態(tài)特性比較曲線 圖 3.6 兩種不同彈簧的靜特性比較 (2)空氣彈簧具有非線性彈性特性，可以將其特性曲線設(shè)計(jì)成理想形狀。圖 3.6 為金 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 13 屬彈簧和空氣彈簧的靜特性比較。在相同的載荷作用下，空氣彈簧的當(dāng)量靜撓度比鋼板 彈簧的靜撓度大得多，這就使得空氣彈簧可以得到比鋼板彈簧低得多的振動(dòng)頻率，從而 提高行駛平順性?？諝鈴椈傻妮d荷位移曲線形狀呈反“S形，作該曲線上某點(diǎn)的切線 便得到該點(diǎn)的剛度。通過合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，可使空氣彈簧在正

34、常工作范圍內(nèi)剛度及其 變化較小，而在伸張或壓縮的邊緣區(qū)段剛度逐漸增加。這樣，可以保證車輛在正常行駛 時(shí)的平順性，而在急轉(zhuǎn)彎、加速和制動(dòng)等行駛工況，空氣彈簧在大幅度拉伸和壓縮時(shí)， 其剛度逐漸增加，從而能限制車身的運(yùn)動(dòng)，提高操縱穩(wěn)定性。空氣彈簧具有變剛度特性， 固有頻率可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)馗淖?，板簧則不具有這種功能。 (3)空氣彈簧的通用性好，對于同一種空氣彈簧，當(dāng)充氣壓力改變時(shí)，可以得到不 同的承載能力，因此，同一種空氣彈簧可以適應(yīng)多種載荷的要求。另外，可以通過高度 控制系統(tǒng)的作用，使空氣彈簧具有不同的安裝高度，因此，同一種空氣彈簧又能適應(yīng)多 種結(jié)構(gòu)的要求。 (4)空氣彈簧質(zhì)量輕，對于高頻振動(dòng)的吸

35、收和隔振、消聲能力好。空氣彈簧沒有鋼板 彈簧的片與片之間的摩擦問題，與鋼板彈簧相比，空氣彈簧沒有金屬相碰和摩擦，工作 時(shí)空氣介質(zhì)內(nèi)摩擦極小，幾乎沒有噪聲。 (5)空氣彈簧單位質(zhì)量的儲能量與其它彈性元件相比是最高的。空氣彈簧單位質(zhì)量的 儲能量與橡膠氣囊的工作壓力和氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度有關(guān)。對于在 6.0MPa 工作壓力 下的氮?dú)?，其單位質(zhì)量的儲能量可達(dá)到 3.3105Nm/Kg,而鋼板彈簧、螺旋彈簧、橡膠彈 簧單位質(zhì)量的儲能量分別僅為 76Nm/Kg115Nm/Kg、178Nm/Kg280Nm/Kg、508Nm/Kg1016Nm/Kg。 (6)空氣彈簧也可以利用空氣產(chǎn)生阻尼作用?？諝鈴椈芍鳉馐?/p>

36、和輔助氣室之間可以設(shè) 有節(jié)流孔，在車身振動(dòng)過程中，空氣流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，產(chǎn)生能量損失，起到衰減汽車振動(dòng) 的阻尼作用。如果在節(jié)流孔處增加適當(dāng)?shù)墓苈泛烷y門，得到相當(dāng)?shù)淖枘嶙饔?，可以減少 液力減振器的容量或提高減振器的使用壽命。 空氣彈簧具有較強(qiáng)的非線性且其剛度隨氣囊內(nèi)初始壓力和工作行程的大小而改變。 由于存在固氣偶合以及約束條件無法確定等因素，用有限元方法分析空氣彈簧非線性特 性有一定的難度，尤其分析當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化和氣囊大變形時(shí)對其剛度特性的影響。 對于本文所研究的空氣彈簧懸架系統(tǒng)而言，了解在不同的氣囊初始壓力和不同電磁閥開 關(guān)時(shí)間下，彈簧的剛度特性變化曲線至關(guān)重要。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空

37、氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 14 利用電液伺服系統(tǒng)組成的試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖見圖 3.7，電液伺服試驗(yàn)的加載裝置可以 對空氣彈簧進(jìn)行諧波加載、正弦和隨機(jī)加載，同時(shí)可測量空氣彈簧的徑向力和變形，在 試驗(yàn)時(shí)首先應(yīng)確定空氣彈簧的初始工作壓力和允許的最大變形量，其次要確定一個(gè)加載 循環(huán)時(shí)間。 圖 3.7 空氣彈簧特性試驗(yàn)系統(tǒng)原理 在空氣彈簧充氣狀態(tài)靜特性試驗(yàn)中，在不同的初始壓力下，使用諧波信號在規(guī)定的 加載循環(huán)時(shí)間內(nèi)，通過作動(dòng)器給空氣彈簧加載，由力傳感器和位移傳感器測得空氣彈簧 的彈性力和變形，即可以得到空氣彈簧徑向載荷和位移時(shí)間曲線。通過空氣彈簧充氣時(shí) 徑向載荷和位移時(shí)間曲線，可以得到空氣彈簧在不同初始壓力

38、下的剛度曲線。通過它可 以求出空氣彈簧在不同初始壓力下的剛度值，經(jīng)過曲線擬合可以得到空氣彈簧充氣時(shí)間 與其剛度的關(guān)系曲線。 在空氣彈簧放氣狀態(tài)靜特性試驗(yàn)中，在不同的初始壓力下，使用諧波信號在規(guī)定的 加載循環(huán)時(shí)間內(nèi)，通過作動(dòng)器給空氣彈簧加載，由力傳感器和位移傳感器測得空氣彈簧 的彈性力和變形，即可以得到空氣彈簧徑向載荷和位移時(shí)間曲線。通過空氣彈簧放氣時(shí) 徑向載荷和位移時(shí)間曲線，可以得到空氣彈簧在不同初始壓力下的剛度曲線。通過它可 以求出不同初始壓力下空氣彈簧的剛度值，經(jīng)過曲線擬合可以得到空氣彈簧放氣時(shí)間與 其剛度的關(guān)系曲線。 通過試驗(yàn)看出空氣彈簧剛度隨氣囊內(nèi)工作壓力增大而增大，并具有一定的非線性

39、。 并且知道充氣電磁閥打開時(shí)間越長，空氣彈簧剛度越大。放氣電磁閥打開時(shí)間越長，空 氣彈簧剛度越小。也就是說，空氣彈簧剛度隨充氣時(shí)間增長而增大，隨放氣時(shí)間增長而 減小。 通過對空氣彈簧進(jìn)行特性試驗(yàn)，可以充分掌握空氣彈簧的特性，這對于今后整個(gè)空 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 15 氣懸架系統(tǒng)的控制有至關(guān)重要的意義，對采用何種控制方式進(jìn)行控制來說，是一個(gè)不可 缺少的必要條件，是編寫控制程序必不可少的數(shù)據(jù)來源和參考。 3.2 減振器 減振器工作的基本原理是利用阻尼消耗振動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量。汽車減振器是利用 小孔節(jié)流的流體阻尼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的減振特性，稱為液力減振。從阻尼物理現(xiàn)

40、象 上區(qū)分，阻尼產(chǎn)生的機(jī)理有 5 類，即：工程材料的材料阻尼、流體的粘滯阻尼、結(jié)合面 阻尼與庫侖摩擦阻尼、沖擊阻尼和電磁效應(yīng)產(chǎn)生的阻尼。懸架中的阻尼主要有摩擦阻尼 和粘滯阻尼兩大類，因此，在最基本的減振器分類中或許只能分為摩擦式或液力式兩種。 摩擦式減振器具有結(jié)構(gòu)輕便、成本低、容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。但它屬于典型的庫侖摩擦， 由此產(chǎn)生的力與速度關(guān)系不大。摩擦式減振器對水和油液雜質(zhì)非常敏感，并且不易產(chǎn)生 不對稱的力。由于采用摩擦式減振器的車輛，無論是在行駛性能方面還是在操縱性能方 面，很難滿足人們對現(xiàn)代車輛的使用性能的要求，因此摩擦式減振器現(xiàn)已被淘汰。 液力式減振器的機(jī)理是，車架與車橋作往復(fù)相對運(yùn)動(dòng)，而

41、活塞在缸筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 減振器殼體內(nèi)的油也便反復(fù)地從一個(gè)腔通過一些狹小的孔隙流入另一腔。此時(shí)孔壁與油 液間的摩擦及流體分子內(nèi)摩擦便產(chǎn)生了阻尼力。液力式減振器有多種結(jié)構(gòu)，但基本上可 劃為兩類：有兩個(gè)活塞的桿式減振器和一個(gè)活塞的筒式減振器。 筒式減振器有單筒式和雙筒式之分。單筒式減振器如圖 3.8 所示對外界碰傷敏感， 而雙筒式減振器可以阻擋外界的側(cè)面碰傷。圖 3.9 為雙筒式減振器結(jié)構(gòu)示意圖，雙筒式 減振器由防塵罩 10，貯油缸 5，工作缸 2，活塞 3，導(dǎo)向座 9，壓縮閥 6，流通閥 8，伸張 閥 4，補(bǔ)償閥 7，活塞桿 1 和油封 11 等元件組成。 減振器根據(jù)在壓縮和伸張兩個(gè)行程內(nèi)是否都

42、起作用分為雙向作用式和單向作用式兩 種。根據(jù)減振器阻尼是否可調(diào)分為阻尼可調(diào)式和阻尼不可調(diào)式兩種。目前又出現(xiàn)了磁流 變和電流變等新型減振器，它們是根據(jù)阻尼介質(zhì)的不同加上控制方式的不同加以分類的， 但它們都屬于可變阻尼減振器。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 16 圖 3.8 單、雙筒式減振器 圖 3.9 雙筒式減振器結(jié)構(gòu) 雙向作用筒式液力減振器一般都具有四個(gè)閥(圖 3.9)，即壓縮閥 6、伸張閥 4、流通 閥 8 和補(bǔ)償閥 7。流通閥和補(bǔ)償閥是一般的單向閥，其彈簧很弱，當(dāng)閥上的油壓作用力與 彈簧力同向時(shí)，閥處于關(guān)閉狀態(tài)，完全不通油液；而油壓作用力與彈簧力反向時(shí)，只要 很小的油

43、壓，閥便能開啟。壓縮閥和伸張閥是卸何閥，其彈簧較強(qiáng)，預(yù)緊力較大，只有 當(dāng)油壓增高到一定程度時(shí)，閥才能開啟；而當(dāng)油壓降低到一定程度時(shí)，閥即自行關(guān)閉。 雙向作用筒式液力減振器的工作原理可按圖 3.9，分為壓縮和伸張兩個(gè)行程加以說明。 壓縮行程 當(dāng)汽車車輪滾上凸起或滾出凹坑時(shí)，車輪移近車架(車身)，減振器受壓 縮，減振器活塞 3 下移?；钊旅娴那皇?下腔)容積減小，油壓伸高，油液經(jīng)流通閥 5 流到活塞上面的腔室(上腔)。由于上腔被活塞桿 1 占去一部分，上腔內(nèi)增加的容積小于 下腔減小的容積，故還有一部分油液推開壓縮閥 6，流回儲油缸 5。這些閥對油液的節(jié)流 便造成對懸架壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力。 伸張行程

44、 當(dāng)車輪滾進(jìn)凹坑或滾離凸起時(shí)，車輪相對車身移開，減振器受拉伸。此 時(shí)減振器活塞向上移動(dòng)?；钊锨挥蛪荷?，流通閥 8 關(guān)閉。上腔內(nèi)的油液便推開伸張 閥 4 流入下腔。同樣，由于活塞桿的存在，自上腔流來的油液還不足以充滿下腔所增加 的容積，下腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，這時(shí)儲油缸中的油液便推開補(bǔ)償閥 7 流入下腔進(jìn)行 補(bǔ)充。此時(shí)，這些閥的節(jié)流作用即造成對懸架伸張運(yùn)動(dòng)的阻尼力。 目前普通汽車上廣泛采用的是雙向作用式減振器，這種減振器有如下特點(diǎn)： (1)在懸架壓縮行程，減振器阻尼力較小，充分利用彈性元件的彈性，以緩和沖擊； (2)在懸架的伸張行程，減振器的阻尼力較大，以實(shí)現(xiàn)迅速減振； (3)當(dāng)車橋和車架的

45、相對速度過大時(shí)，減振器應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)加大液流通道截面積，使阻 尼始終保持在一定限度內(nèi)，以避免承受過大的沖擊載荷。 3.3 高度控制閥 車架高度控制機(jī)構(gòu)包括一個(gè)高度傳感器、控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能為: 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 17 a.隨車載變化保持合理的懸架行程； b.高速時(shí)降低車身，保持汽車穩(wěn)定性，減少空氣阻力； c.在起伏不平的路面情況下，提高車身高度以提高汽車通過性。 在空氣彈簧懸架中，高度閥是用來控制空氣彈簧內(nèi)壓的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理見圖 3.10。高度閥固定在車架上，其進(jìn)、排氣口分別與儲氣筒和空氣彈簧相接。當(dāng)空氣彈簧 上的載荷增加時(shí)，彈簧被壓縮，儲氣筒內(nèi)的氣

46、體通過高度閥的進(jìn)氣口向氣囊注入，氣囊 內(nèi)氣壓增加，空氣彈簧升高直至恢復(fù)到原來的位置，進(jìn)氣口關(guān)閉為止；當(dāng)空氣彈簧上的 載荷減小，彈簧伸張，氣體通過高度閥的排氣口排出，直至空氣彈簧下降到原來的位置， 排氣口關(guān)閉為止。所以在高度閥的作用下，空氣彈簧的高度可以保持在平衡位置附近波 動(dòng)，從而保證車身不隨載荷變化而變化。 圖 3.10 高度閥原理示意圖 高度閥分為機(jī)械式和電磁式，按組成又可分為帶延時(shí)機(jī)構(gòu)和不帶延時(shí)機(jī)構(gòu)。目前國 內(nèi)空氣懸架多采用機(jī)械式高度閥。 延時(shí)機(jī)構(gòu)由緩沖彈簧和油壓減振器組成，其作用是：在車輛運(yùn)行時(shí)的正常振動(dòng)中， 保證空氣彈簧的高度雖有變化但不起進(jìn)、排氣作用；而當(dāng)靜載荷變化或以極低頻率振動(dòng)

47、 時(shí)，保證空氣彈簧進(jìn)行充、排氣，以使在汽車正常的振動(dòng)中高度閥的進(jìn)、排氣閥不會頻 繁地打開，從而減少壓縮空氣的浪費(fèi)。在使用不帶延時(shí)機(jī)構(gòu)的高度閥時(shí)，車輛在運(yùn)行過 程中高度閥的進(jìn)、排氣閥不斷地打開、關(guān)閉，空氣消耗量大，為此一般在空氣通道上設(shè) 置一個(gè)節(jié)流孔，或在排氣通道外加一長橡膠軟管，以便限制空氣流量，避免空氣中的水 分和灰塵堵塞小孔。圖 3.11 為帶延時(shí)機(jī)構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖，圖 3.12 為不帶有延時(shí) 機(jī)構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖。 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 18 圖 3.11 帶延時(shí)機(jī)構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖 圖 3.12 不帶有延時(shí)機(jī)構(gòu)的高度閥結(jié)構(gòu)示意圖 帶延遲機(jī)構(gòu)的高度閥

48、工作原理：車體荷重增加時(shí)，車體下降，空氣彈簧壓縮，控制 桿被推向上方，擺動(dòng)臂開始轉(zhuǎn)動(dòng)，緩沖彈簧被扭動(dòng)而產(chǎn)生的彈力帶動(dòng)主軸支架與油壓減 振器中產(chǎn)生的阻尼力相抗衡；擺動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間后，進(jìn)氣閥打開，風(fēng)缸中的壓縮空氣 沖開止回閥，通過貫通本體的空氣通道流向空氣彈簧；車架恢復(fù)到一定高度后，控制桿 會返回平衡位置，此時(shí)進(jìn)氣閥被關(guān)閉，壓縮空氣關(guān)斷。當(dāng)車體荷重減少時(shí)，車體上升， 空氣彈簧伸長，與荷重增加時(shí)情況相反，控制桿被拉下，經(jīng)過一段時(shí)間后排氣閥打開， 空氣彈簧內(nèi)的空氣被排出。 不帶延遲機(jī)構(gòu)的高度閥工作原理：車體荷重增加時(shí)，車體下降，空氣彈簧壓縮，控 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 1

49、9 制桿被推向上方，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活塞頂開進(jìn)、排氣閥，風(fēng)缸中的壓縮空氣通過一段節(jié)流 通道流入空氣彈簧；車架恢復(fù)到一定高度后，控制桿會返回平衡位置，此時(shí)進(jìn)氣閥被關(guān) 閉，壓縮空氣關(guān)斷。當(dāng)車體荷重減少時(shí)，車體上升，空氣彈簧伸長，與荷重增加時(shí)情況 相反，控制桿被拉下，進(jìn)、排氣閥打開，空氣彈簧內(nèi)的空氣經(jīng)節(jié)流通道和活塞內(nèi)的通道 排出。 通常車身高度控制采用獨(dú)立控制形式，常見的情況是后懸架由兩個(gè)高度閥分別控制 左右兩側(cè)的空氣彈簧，前懸架由一個(gè)高度閥來控制，控制信號取 3 個(gè)高度信號的平均值， 并且還可以保證汽車在發(fā)生偏載的情況下，始終維持汽車車身處于水平狀態(tài)。尤其在高 速轉(zhuǎn)向時(shí)，空氣彈簧可顯著減小車身的側(cè)傾角

50、。有資料表明，當(dāng)車速在 24km/h 以下時(shí)， 空氣懸架與板簧這兩種懸架的側(cè)傾角基本相同，當(dāng)車速達(dá)到 30km/h 時(shí)，空氣懸架的側(cè)傾 角就可以減小約 30%。 第四章 控制方式 車輛懸架控制系統(tǒng)大多采用由傳感器拾取車身絕對速度、或車身對車軸的相對速度、 車身的加速度等信號，經(jīng) 8 位或 16 位微處理器發(fā)出指令實(shí)施控制，由電液控制閥或步進(jìn) 電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)(半主動(dòng))或控制力(主動(dòng))。由于車輛懸架控制系統(tǒng)是十分 復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，基于模型的線性反饋控制策略受到極大的限制。目前應(yīng)用于車 輛懸架控制系統(tǒng)的控制方法主要有最優(yōu)控制方法、自適應(yīng)控制方法等。近年來，隨著控 制理論與控制技術(shù)的

51、發(fā)展，適用于非線性系統(tǒng)的先進(jìn)控制技術(shù)和方法涌現(xiàn)并日趨成熟。 在車輛動(dòng)力學(xué)研究中，隨著研究范圍的逐步擴(kuò)展，進(jìn)而擴(kuò)展到一些表現(xiàn)高度非線性的極 限情況，而非線性控制理論在車輛控制研究中的應(yīng)用也愈加得到重現(xiàn)。 4.1 最優(yōu)控制方法 應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法可以分為線性最優(yōu)控制、最優(yōu)控制和最 H 優(yōu)預(yù)報(bào)控制等三種。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想模型基礎(chǔ)上，采用受控制對象 的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo)，同時(shí)保證受控結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性條件 下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。把 L.Q(Linear Quadratic 線性二次型)調(diào)節(jié)器控制理論和 LQG(Linear Quadratic Gauss

52、ian 線性二次高斯型)控制理論應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。 控制是設(shè)計(jì)控制器在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，使相對于噪聲干擾的輸出取 H 極小的一種最優(yōu)控制法。為了模擬由于車身質(zhì)量、輪胎剛度、減振器阻尼系數(shù)以及車輛 結(jié)構(gòu)高頻柔度模態(tài)等變化不確定的誤差，應(yīng)用控制法可實(shí)現(xiàn)車輛懸架振動(dòng)控制具有較 H 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 20 強(qiáng)的魯棒性。最優(yōu)預(yù)報(bào)控制是利用車輛前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸入，預(yù)報(bào)控制 的策略就是把所測量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。這種控制方法特別適 合于軌道車輛的主動(dòng)懸架，由于機(jī)車大多在同一軌道上反復(fù)行駛，基于過去和現(xiàn)在的信 息可

53、以預(yù)測將來的信息，結(jié)合傳統(tǒng)的 LQ 控制系統(tǒng)實(shí)施最優(yōu)預(yù)報(bào)控制，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明，不僅改善了行駛乘坐質(zhì)量而且降低了控制所消耗的能量。 4.2 自適應(yīng)控制方法 車輛懸架振動(dòng)系統(tǒng)是含有許多不確定因素的非線性動(dòng)力系統(tǒng)難以用定常反饋系統(tǒng)達(dá) 到預(yù)定的控制性能要求。應(yīng)用于車輛懸架振動(dòng)控制的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制 和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對象參數(shù)在線性識別與 控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法。把非線性自校正控制(STC)應(yīng)用于非線性車輛主動(dòng)懸 架系統(tǒng)，能適應(yīng)懸掛載荷和懸架元件特性的變化，自動(dòng)調(diào)正主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制器來降 低車輛的振動(dòng)。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當(dāng)外界激

54、勵(lì)條件和車輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生 變化時(shí)，被控車輛的診斷輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。另有一種新的自適應(yīng)控 制方法，它通過跟蹤一個(gè)預(yù)先定義的參考模型獲得任何非線性時(shí)便懸架模型的最優(yōu)性能， 最優(yōu)性能依賴于包含前反饋控制和輔助控制器參數(shù)的自適應(yīng)控制規(guī)則達(dá)到。把非線性 “滑模”控制規(guī)則應(yīng)用于電液懸架系統(tǒng)，控制器依賴于精確的懸架系統(tǒng)模型，采用自適 應(yīng)控制的車輛懸架阻尼減振系統(tǒng)改善車輛的行駛特性，在德國大眾汽車公司的底盤上得 到了應(yīng)用。 4.3 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法 近年來，模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了行之有效的方法來解決在特定環(huán)境以及采用定 性描述方式的多種目的設(shè)計(jì)中的各類問題。模糊控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用

55、于水質(zhì)控制、地鐵操 作、汽車減振器和牽引以及攝像機(jī)聚焦等系統(tǒng)中。 自 90 年代以來，模糊控制方法被應(yīng)用在車輛懸架系統(tǒng)中。其中具有代表性的是日本 德島大學(xué)芳村敏夫教授的研究工作。他同時(shí)把模糊理論應(yīng)用于車輛懸架半主動(dòng)和主動(dòng)控 制系統(tǒng)，基于三質(zhì)量四自由度動(dòng)力學(xué)模型，在隨機(jī)激勵(lì)作用下，用語言變量表示 SM 控制 模式，采用模糊推理分別構(gòu)成半主動(dòng)和主動(dòng)控制 49 條模糊控制規(guī)則，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分 析來控制車身的垂直振動(dòng)和俯仰振動(dòng)。其結(jié)果證實(shí)了采用模糊控制方法的有效性。日本 名古屋大學(xué)橋山智訓(xùn)等采用 GA(Cenetic Algorithm 遺傳算法)設(shè)計(jì)車輛懸架半主動(dòng)系統(tǒng) 的模糊控制器，由于它具有自動(dòng)

56、調(diào)整輸入變量的組合，隸屬函數(shù)的參數(shù)和模糊規(guī)則數(shù)目 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 21 等學(xué)習(xí)功能，按 Karnopp 控制模式尋找模糊控制規(guī)則和選擇輸入變量，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果 顯示結(jié)合 Gad 的模糊推理方法比常規(guī)方法更加有效。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有大量處理單元(神經(jīng)元）所組成的高度并行的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，其 特點(diǎn)是可學(xué)習(xí)性和巨量并行性，故在車輛懸架振動(dòng)控制中有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性懸架系統(tǒng)，和用傳統(tǒng)的 LQ 調(diào)節(jié)器控制的懸架相比具有更好的性 能。還可以應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的動(dòng)力補(bǔ)償器型控制器。 第五章 信號采集、控制元件的選擇 5.1

57、試驗(yàn)臺信號采集、控制方案設(shè)計(jì) 圖 5.1 電控空氣彈簧懸架試驗(yàn)系統(tǒng) 如果完全再現(xiàn)車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將使試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和投入較高的制造成本，同時(shí) 也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化?？紤]到實(shí)際條件，本文采用兩自由度 1/4 車輛懸架模型結(jié)構(gòu)，建 立如圖 5.1 所示電控空氣彈簧懸架試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)雖然不能實(shí)現(xiàn)車身角振動(dòng)和車 身姿態(tài)的控制，但是可以反映車身的垂直振動(dòng)，對單一方向的振動(dòng)問題進(jìn)行比較深入的 理論分析和試驗(yàn)研究。表 5.1 為試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖中各符號的含義。 表 5.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖字母含義 符號含義符號含義符號含義符號含義 A 加速度傳感器 Ms 簧載質(zhì)量 H 高度傳感器 p 壓力傳感器 C 減振器

58、 Mu 非簧載質(zhì)量 Kt 輪胎當(dāng)量彈簧剛度 S 位移傳感器 5.2 元件選擇 1、本試驗(yàn)系統(tǒng)中激振臺選用型號為 DY-600-5 的電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以完 南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 22 成垂直、正弦、隨機(jī)等多種試驗(yàn)，特別適合做運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)。具體技術(shù)參數(shù)如下表： 表 5.2 DY-600-5 電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)具體技術(shù)參數(shù) 額定正弦推力 5.88KN（600kgf ） 額定頻率范圍 2-2000Hz 臺面尺寸 230mm 最大加速度 490m/s2 最大位移 51mm(p-p) 運(yùn)動(dòng)部件有效質(zhì)量 12kg 最大速度 100cm/s 額定載荷 300kg 電源3

59、相 380V 2、本試驗(yàn)系統(tǒng)中選用日本 THK 公司生產(chǎn)的 HRS-A 型直線滑軌，主要參數(shù)如下表： 表 5.3 HRS-A 型直線滑軌主要參數(shù) 總長度 360mm 軌道寬度 28mm 滑塊長度 98mm 總高度 42mm 軌道高度 26mm 滑塊橫向孔中心距 72mm 總寬度 90mm 軌道節(jié)距 80mm 滑塊縱向孔中心距 70.4mm 3、本試驗(yàn)系統(tǒng)中所用位移(高度)傳感器是安徽省傳感器廠的產(chǎn)品，具體參數(shù)見下表： 表 5.4 WYDC-75D 位移傳感器參數(shù) 型號 WYDC-75D 形式差動(dòng)變壓器式 靈敏度 100mv/mm 頻帶 0-100Hz 供電電壓 12V 量程 75mm 4、本試

60、驗(yàn)系統(tǒng)中所用加速度傳感器是美國硅設(shè)計(jì)公司的產(chǎn)品，具體型號及參數(shù)見下 表： 表 5.5 2210-010 型加速度傳感器主要參數(shù) 型號 2210-010 形式電容式硅加速度傳感器 靈敏度400mv/g(差分) 頻響（正常， 3dB） 0-600Hz 供電電壓DC 932V量程 10g 5、本試驗(yàn)系統(tǒng)中所用壓力傳感器是蘭華傳感器廠的產(chǎn)品，具體型號及參數(shù)見下表： 表 5.6 EX 型壓力傳感器主要參數(shù) 型號 EX 形式壓電式 頻帶 0-500Hz 量程 0.2MPa-1.6MPa 供電電壓 12V 輸出電壓 0-5V 6、本試驗(yàn)所需的用于控制高度的氣動(dòng)換向閥為無錫氣動(dòng)技術(shù)研究所所生產(chǎn)的 3KA230