[毕业设计精品]汽车电控悬架系统特点和维修工艺分析.doc

毕业（设计）论文题 目:汽车电控悬架系统特点和维修工艺分析 学生姓名: 指导教师: 学 号： 专 业: 汽车电子技术 班 级: 2008级301班2010年1月摘 要随着人类生活水平的提高，人们对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统，汽车空调系统等已不能满足人们的要求。人们希望空调调节的温度能随环境的变化而自动调节；汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器的阻尼的大小能随汽车的载荷，行驶速度，以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。为了满足人们对汽车舒适性的要求，20世纪90年代以来，在汽车电子技术以及高速公路发展的同时，各汽车公司相续开发了电子控制悬架系统等提高汽车舒适性的电子控制系统。汽车悬架系统在协调汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性方面起着至关重要的作用。传统的被动悬架由于其自身固有的局限性而无法根据路面及行驶状况的变化做出适当调整从而使汽车的整体行驶性能达到最佳。研制和开发新型的汽车悬架势在必行。电控悬架由于能够改善汽车的整体行驶性能而备受关注，其中主动悬架由于结构简单，成本低而更具有实用性。本文介绍了汽车悬架的发展现状、结构组成及工作原理。重点分析了汽车电控悬架尤其主动悬架的控制技术、最优控制方法、发展现状及应用的必要性和可能性。目 录第一章 绪 论11.1电控悬架的发展11.2目前国内外汽车悬架发展的状况11.3我国空气悬架的应用发展现状2第二章 汽车悬架结构组成62.1汽车悬架的功用和组成62.1.1汽车悬架的功用62.1.2汽车悬架的组成62.2汽车悬架的分类及设计时注意事项8第三章 电控悬架系统概述113.1 电子控制悬架系统的功用113.2电子控制悬架系统的组成及原理123.3电控悬架的工作过程12第四章 电控主动悬架144.1 汽车主动悬架及控制技术144.1.1汽车主动悬架14 4.1.2汽车电子控制技术144.1.3汽车悬架主动控制技术154.2 汽车主动悬架的主要控制方法164.2.1汽车悬架智能控制164.2.2汽车悬架作动器164.3主动式主要控制方式174.3.1电控主动液压悬架174.3.2电控主动空气悬架194.4主动悬架其他的控制方式214.4.1 电机蓄能式主动悬架214.4.2 双重控制控制悬架21结束语23参考文献24致 谢25第一章 绪 论1.1电控悬架的发展随着人类生活水平的提高，人们对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统 ， 汽车空调系统等已不能满足人们的要求。人们希望空调调节的温度能随环境的变化而自动调节；汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器的阻尼的大小能随汽车的载荷，行驶速度，以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。为了满足人们对汽车舒适性的要求，20世纪90年代以来，在汽车电子技术以及高速公路发展的同时，各汽车公司相续开发了电子控制悬架系统等提高汽车舒适性的电子控制系统。1.2目前国内外汽车悬架发展的状况 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）的技术支持下，在1934年研制出了柱式空气弹簧悬架系统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。试验结果显示了空气悬架系统的内在优越性。通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作，1953年开始试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，固特异轮胎公司研制出一种滚动凸轮式空气弹簧，凸轮在活塞的型面上滚动，从而控制空气弹簧的负载变化关系曲线。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。随后不久，空气悬架技术在欧洲也得到很快发展，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，因而其成本较高。而北美的空气悬架通用性较强，应用较简单，成本较低。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空气悬架产品，应用于世界各地的客车、货车、小轿车及铁道车辆上。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也已达80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。部分轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯、德国的Benz300SE和Benz600等。在一些特种车辆（如对防振要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等）上，空气悬架的使用几乎为唯一选择。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主动全空气悬架（即ECAS电控空气悬架系统）”的型式变化。主动全空气悬架应用了电子控制系统，使传统的空气悬架系统的性能得到很大改善，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）。目前ECAS系统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用。随着人们生活水平的提高，对汽车舒适性的要求越来越高，可以预见，ECAS这一先进的空气悬架系统越来越普及。1.3我国空气悬架的应用发展现状目前国内拥有空气悬架项目的公司为数众多，但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造的寥寥无几，规模也十分有限。目前国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多，主要以代理美国、德国、韩国、日本产品为主，公司规模一般不大，产品有限。由于代理公司主要是以追求经营利润为导向，对设计匹配等技术环节往往存在先天不足，导致主机厂出现问题时无法及时解决等问题，影响被代理产品的声誉及市场，因此，国外的制造公司也纷纷以不同的方式直接介入中国市场。比如，美国FIRESTON公司在允许一定代理的同时，在上海设立了销售办事处，日本NHK弹簧公司在重庆合资成立NHK重庆公司，韩国大圆钢业会社在天津合资成立大圆天津公司，丹麦丹拂斯公司在天津合资成立丹拂斯天津公司，美国固特异公司在大连、青岛相继建立工厂。另外，整车厂为降低成本，把空气悬架系统细分成气囊、推力杆、直拉杆、稳定杆、高度阀、平衡阀、线束、减振器、导向臂等项目采购，也导致了国内空气悬架产品的部件加工、制造正在往高度离散的方向发展。空气悬架在我国的应用已经落后国外几十年，直到近几年随着高档客车制造技术的引进以及人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架才开始逐步应用起来。目前空气悬架主要集中应用在高等级客车上，但是受多方面因素的制约，空气悬架的配置率还很低，基本上还属于“导入”阶段。据掌握的不完全资料，国内部分数量相对较大的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、扬州亚星、一汽客车、东风杭汽等规模较大的主要客车及底盘厂家。此外，国内其它一些客车厂家也都是少批量、以选装国外空气悬架产品为主。目前汽车空气悬架在载重货车的应用国内尚处于起步阶段。由于国内已经能够生产优质的空气悬架部件，以此为支撑，汽车主机厂开始自己设计空气弹簧悬架产品。其产品符合中国道路状况和车辆实际条件，并选装国内优秀的部件，成本降低。以郑州宇通客车股份有限公司为例，2000年以前采用北京柯布克公司代理的产品，由于该产品与中国车辆、道路匹配出现了一系列问题，后来部分采用其他公司代理的产品，同样出现了问题，而且存在成本昂贵的因素。所以宇通公司成立了“郑州百特零部件公司”，自己设计匹配，分散采购。2002年宇通公司本部生产空气悬架客车235辆，除“猛狮”系列属德国进口底盘外，国产车空气悬架各部件大多为国内加工制造。由于一些主机厂本身在空气悬架系统方面无研制开发能力，完全依赖于外部市场，从而采取了直接进口国外成熟的空气悬架系统产品，或是依靠国内的有关公司。以安凯、西沃为典型代表。以空气弹簧悬架取代传统的钢板弹簧悬架，既是必然趋势，也是现实的客观要求。目前，摆在国内商用车厂商面前的形势是：谁先掌握了汽车空气悬架的开发技术 ，谁领先开发出配置空气悬架的成熟车型，谁就掌握了今后若干年内商用车市场的先机和主动。因此，对于我国汽车业界而言，空气悬架项目不仅仅是一个难得的商机，更重要的意义在于空气悬架的广泛应用可以较快提升我国商用车的档次、技术水平和市场竞争力，缩短与国外商用车的技术、等级差距，巩固和扩大国产商用车的市场份额。 我国长春汽车研究所早在1957年就开始了空气悬架技术的研究，不少高校的相关专家及研究机构多年来也做了大量富有成效的工作，并取得了许多重要研究成果。但是由于种种原因，这些研究成果大多还停留在理论上，产业转化率非常低，导致许多有价值的研究没能继续坚持和深入下去。我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比处于明显的落后地位。目前，我国在汽车悬架系统方面，除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外，其它悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进、仿制或直接购买产品阶段。悬架产品的设计开发滞后，一方面表现在设计手段落后，计算机应力分析、动态仿真在企业中应用还较少；另一方面没有建立一套完善的设计评价体系。在美国，由于空气悬架的普遍应用，已经成就了一批专门从事空气悬架设计、制造的悬架专业公司。我国交通行业标准营运客车类型划分及等级评定已经规定，高级大、中型客车要采用空气悬架，但既没有一家整车厂能独立设计出空气悬架并成功地应用于整车，也没有一家悬架专业公司能够设计出并向市场提供成熟的空气悬架产品。虽然我国加入WTO之后，汽车及零部件产业会全面融入全球经济一体化，汽车行业可以实现全球采购，但是不能拥有悬架设计和制造的关键技术，整车的市场竞争力肯定会削弱。根据这种状况，我国汽车零部件企业应当抓住机遇，加快研发空气悬架产品。首先必须明确划分空气悬架系统设计开发的权限与分工，由研发部门负责研发方向、确定系统特性参数，指定具体的二级开发单位，实现产品的快速研发和升级换代；其次，要从产品的工艺路线入手，制定合理的开发配套模式，集中于一家公司采取“二级开发、总成集配、模块供货”。最后，应摒弃狭隘的自主开发理念，积极开展与国外强势企业的合资合作，加快融入空气悬架领域的国际竞争、合作和发展，最终实现我国商用汽车整体技术水平及竞争实力的提升。第二章 汽车悬架结构组成2.1汽车悬架的功用和组成悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。2.1.1汽车悬架的功用汽车悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量(即簧载质量)、非悬挂质量(即非簧载质量)和弹簧 (弹性元件)组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。2.1.2汽车悬架的组成尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如图2-1钢板弹簧非独立悬架兼起弹性元件及导向机构的作用，2-2麦克弗逊悬架 (McPherson strut suspension，或称滑柱摆臂式独立悬架)中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能。2-1钢板弹簧非独立悬架图2-2麦克弗逊悬架2.2汽车悬架的分类及设计时注意事项根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。图2-3汽车悬架示意图非独立悬架如上图2-3汽车悬架示意图(a)所示。其特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。非独立悬架2-3汽车悬架示意图（b）的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。图2-3汽车悬架中(a)独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等除上述非独立悬架和独立悬架外，还有一种近似半独立悬架，它与近似半刚性的非断开式后支持桥相匹配。当左右车轮跳动幅度不一致时，后支持桥中呈V形断面并与左右纵臂固结在一起的横梁受扭，由于其具有一定的扭转弹性，故此种悬架既不同于非独立悬架，也与独立悬架有别。该弹性横梁还兼起横向稳定杆的作用。按照弹性元件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。按照作用原理，可以分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间的图2-4的半主动悬架。图2-4汽车被动悬架主动悬架有作为直接力发生器的动作器，可以根据输入与输出进行最优的反馈控制，使悬架有最好的减震特性，以提高汽车的平顺性和操纵稳定性。它由弹性元件C和一个力发生器Fe组成。 半主动悬架可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统，虽然它不能随外界的输入进行最优的控制和调节，但它可按存储在计算机的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。它由弹性元件C和一个一个阻尼系数能在较大范围内调节的阻尼器组成。 如前所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求：(1)通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力；(2)合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性要求；(3)导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引起转向轮摆振；(4)侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾(即所谓“点头”和“后仰”)；(5)悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小；(6)便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间；(7)所有零部件应具有足够的强度和使用寿命；(8)制造成本低；(9)便于维修、保养。悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。第三章 电控悬架系统概述3.1 电子控制悬架系统的功用电子控制悬架系统(ECSS， Electronic Controlled Suspension System)，又称电子调节悬架系统(Electronic Modulated Suspension System)，简称为 EMS。对于传统的悬架系统而言，当其结构确定后，就具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在车辆行驶过程中无法进行调节，也就是在汽车行驶过程中不能人为地加以控制，因此悬架减振性能的进一步提高受到了限制。这种车辆在行驶过程中悬架刚度和阻尼系数不能改变的悬架称为被动悬架。显然，被动悬架在汽车行驶过程中平顺性和操纵稳定性不能兼而有之。为了满足汽车悬架系统平顺性和操纵稳定性两项性能要求，克服被动悬架的刚度和阻尼系数不能调节的弱点，便出现了汽车主动悬架的概念。主动悬架能够根据车辆的运动状态和路面状况主动做出反应，抑制车体的运动，使悬架始终处于最优的减振状态。车辆在行驶过程中悬架刚度和阻尼系数可人为地加以控制，并不断变化的悬架称为主动悬架。所以主动悬架的特点就是能够根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。随着电子技术的发展，在汽车悬架系统中采用了电子控制技术，便形成了电子控制悬架系统，简称电控悬架。显然，电子控制悬架系统就是主动悬架系统。3.2电子控制悬架系统的组成及原理图3-1丰田凌志LS400轿车电控空气悬架结构图各种车型的电控悬架虽有一定的区别，但其基本结构和工作原理都是一样的。主要由如图3-1丰田凌志LS400轿车电控空气悬架结构图 ，前、后车身高度传感器、方向盘转向和转角传感器、节气门位置传感器和车速传感器、控 制开关、电子调节悬架电控单元(EMS ECU)和执行器等组成。，车身高度传感器采集前后车身的高度信号，方向盘转向和转角传感器采集汽车行驶方向信号，节气门位置传感器采集驾驶员加、减速信号，车速传感器采集汽车行驶速度信号。传感器和控制开关向 EMS ECU输入车身以及汽车行驶的状态信息，EMS ECU 接受传感器和控制开关输入的电信号，并向执行元件发出控制命令，执行元件产生一定的机械动作，从而改变车身高度、弹簧刚度和减振器的阻尼力。3.3电控悬架的工作过程现代社会典型的电控悬架由电子控制元件（ECU）、空气压缩机、车高传感器、转向角度传感器、速度传感器、制动传感器、空气弹簧元件等组成。空气弹簧元件是由电控减振器、阀门、双气室所组成。电控减振器顶部有一个小型电动机，可通过它转动一个调整量孔大小的控制杆将阻尼分成多级，从而实现控制阻尼的目的。阀门也充当了一个调节气流的作用，通常双气室是连通的，合起来的总容积起着空气弹簧的作用，比较柔软；但当关闭双气室之间的阀门时，则以一个气室的容量来承担空气弹簧的作用，就会变得硬，因此阀门起到控制“弹簧”变软变硬的作用。图3-2电控悬架图示3-2 ECU、压缩机(5)、阀门(3)(4)、空气弹簧元件(1)(2)。电控悬架工作时，阀门的相互作用控制通向空气弹簧元件的气流量。传感器检测出汽车的行驶状态并反馈至ECU，ECU综合这些反馈信息计算并输出指令控制空气弹簧元件的电动机和阀门，从而使电控悬架随行驶及路面状态不同而变化：在一般行驶中，空气弹簧变软、阻尼变弱，获得舒适的乘坐感；在急转弯或者制动时，则迅速转换成硬的空气弹簧和较强的阻尼，以提高车身的稳定性。同时，该系统的电控减振器还能调整汽车高度，可以随车速的增加而降低车身高度可以随车速的增加而降低车身高度（减小离地间隙），减少风阻以节省能源；在车速比较慢时车身高度又可恢复正常。第四章 电控主动悬架4.1 汽车主动悬架及控制技术4.1.1汽车主动悬架汽车的主动悬架系统是在普通悬架系统中附加一个可以控制阻尼作用力的装置，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。主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳减振状态，使车辆在各种路面状况下都会有良好的舒适性。主动悬架的关键部位是其执行机构，也就是可以调节的悬架阻尼系统。主动悬架有作为直接力发生器的动作器，可以根据输入与输出进行最优的反馈控制，使悬架有最好的减震特性，以提高汽车的平顺性和操纵稳定性。主动悬架的一个重要特点就是，它要求作动器所产生的力能够很好地跟踪任何力控制信号。因此，它为控制律的选择提供了一个广泛的设计空间，即如何确定控制律以使系统能够让车辆达到最佳的总体性能。针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架系统电控技术是汽车悬架系统振动性能改进的方向。悬架位于车身与轮胎之间，对车辆的运动性能、乘坐舒适性有重大的影响。按照路面行驶工况最优控制，悬架性能以确保车辆行驶性能与乘坐舒适性，电子控制悬架将进一步向高性能方向发展。作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一，是利用“预知传感器”进行预知控制的“预知控制悬架” 4.1.2汽车电子控制技术电子技术控制汽车悬架系统主要由（车高、转向角、加速度、路况预测）传感器、电子控制ECU、悬架控制的执行器等组成。系统的控制功能通常有以下三个： 1）车高调整 ：当汽车在起伏不平的路面行驶时，可以使车身抬高，以便于通过；在良好路面高速行驶时，可以降低车身，以减少空气助力，提高操纵稳定性。 2）阻尼力控制 ：用来提高汽车的操纵稳定性，在急转弯、急加速和紧急制动情况下，可以抑制车身姿态的变化。 3）弹簧刚度控制 ：改变弹簧刚度，使悬架满足运动或舒适的要求采用主动式悬架后，汽车对侧倾、俯仰、横摆跳动和车身的控制都能更加迅速、精确，汽车高速行驶和转弯的稳定性提高，车身侧倾减少。制动时车身前俯小，启动和急加速可减少后仰。即使在坏路面，车身的跳动也较少，轮胎对地面的附着力提高4.1.3汽车悬架主动控制技术汽车悬架主动控制：通过输入外部能量施加一定控制力的悬架主动控制大多采用流体传动的控制系统。主动控制的研究首先始于轨道车辆的悬架振动控制 。用于汽车的主动控制悬架的最初装置是由 AP( Automotive Products)公司基于气液悬架发展的一种机械系统。近年来 ,Nissan(日产 )和 Toyota(丰田 )公司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架。至今已发展了三类典型的液力主动控制系统。A类由 Lotus(莲花 )公司开发 ,它由双作用油缸和高速响应液力控制阀直接耦合 ,这个系统的控制能力较强 ,但能耗很大 ,尤其是在粗糙路面上非悬挂质量共振时这一问题尤为突出 。B类由 AP公司发展的气液悬架 ,它通过一个流量控制阀把油液输送到单作用油缸和充填蓄能器执行主动控制 ,这种控制装置同样需要消耗较高的能量 。C类液力主动控制系统由 Nissan公司开发 ,它的主要特征之一是压力控制阀同小型蓄能器和液压油缸相结合 ,在不平路面上的振动输入被蓄能器吸收 ,从而减少整个系统所需要的流量 ,悬挂质量的振动控制由液力系统的主动阻尼和被动阻尼共同完成。同 A,B类主动控制相比 ,该类主动控制的耗能较少。 目前 ,开发主动液力减振器研究方向之一是采用复合减振方法减少外部能量的消耗 。 4.2 汽车主动悬架的主要控制方法当今社会对主动悬架的研究目前主要集中两个方面:一个是控制策略；另一个是作动器。最早的主动悬架控制策略是天棚原理，假设车身上方有一固定的惯性参考，在车身和惯性参考之间有一阻尼器，作动器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制算法简单，在国外某些车型上已经得到了应用。随着现代控制理论的发展，提出了主动悬架的最优控制方法，它比天棚原理考虑了更多的变量，控制效果更好，目前最优控制规律有三种:线性最优控制、HQ最优控制和最优预见控制。由于实际悬架系统中有许多非线性的、时变的、高阶动力系统，使最优控制方法变得不稳定，为此又发展了自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类。在德国大众汽车公司的底盘上应用了自适应控制规律。4.2.1汽车悬架智能控制目前发展最迅速的控制策略是智能控制(模糊控制和神经网络控制)。模糊控制方法具有制动调节输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，计算机仿真结果表明该方法更有效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学习适应性和并行处理，研究表明它比传统控制有更好的性能。4.2.2汽车悬架作动器目前主动悬架上应用的作动器主要是液力式结构。尼桑公司则开发了如图4-1蓄能式减震器，它将压力控制阀同小型蓄能器及液压缸结合起来，使路面不平度引起的振动被蓄能缸吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不过液压动力系统尚有许多不足之处，比如对工作环境有一定要求；元件制造精度要求高、成本难以下降；处理小信号的数字运算，误差的检测与放大、测试与补偿、自动化与实现远距离等功能不如电气系统灵活准确等。因此现在作动器的研究主要集中在直线伺服电机、电磁蓄能器的方向。 图4-1蓄能式减震器4.3主动式主要控制方式主动式悬架在其结构中植入了可人工或自动控制发力的调节机构，并能根据路面情况自动调节减震器刚度和阻尼，以获得更好的行驶舒适性。从这种悬架的组成种类来看，大致又可以分为两大类。一类是电子控制式主动液压悬架，它能通过车载电脑计算出悬架受力大小和加速度，利用液压减震器的伸缩来保持车身平衡;另一类则是电子控制式空气悬架，它也是通过车载电脑计算悬架的受力及感应路面情况，适时调整空气减震器的刚度和阻尼系数，令车身的震动始终保持在一定范围内。这两类电控主动悬架的共同点是：都能实现车身高度调节，能通过改变减震器阻尼来抑制车身姿态变化。不过在性能表现上，电控主动液压悬架和空气悬架却是各有千秋。4.3.1电控主动液压悬架电子控制的主动式液压悬架最大的特点在于可手动调节悬架高度，并能自动调节减震器的刚度和阻尼。这套主动液压悬架包括：如图4-1主动式液压悬架在轿车上的布置所示，一个电子液压集成模块(包括ECU控制电脑、电磁液压分配阀、液压泵和一个电动机)、4个新型球状液压承重部件、前后减震器调压装置（如图4-1）、储液缸、简化液压网和车内显示屏。图4-1电子控制式减震器示意图电子控制的主动式液压悬架控制元件中，电子液压集成模块是整个系统的核心部分，它的作用是采集车速、减震器震动频率等数据信息来决定液压球是增高还是降低车身。而遍布全车的多个纵向、横向加速度以及横摆陀螺仪传感器，还监控着车身跳动、高度、倾斜状态和加速度，然后这些信号传向ECU控制单元，根据预设程序来控制液压减震器里的油缸是增压还是泄压，以保持合适的减震器阻尼和足够支撑力。例如，当车辆的车速超过110公里/小时后，电控液压集成模块就会使前悬降低15mm，后悬降低11mm，以此缩小离地间隙降低车身重心，增加行驶稳定性。同时，前低后高的车身也降低了迎风阻力。如果当车速逐渐减慢到90公里/小时，车身则自动恢复到标准高度。当然，驾驶者也可通过一个车内旋钮实现车身高度4挡控制，不过安全保护装置会限制挡位的运用时速。图4-2主动式液压悬架在轿车上的布置如图所示4.3.2电控主动空气悬架汽车主动式空气悬架和传统的液压减震器配螺旋弹簧的悬架相比，空气悬架利用气体的压缩性实现弹性作用，在ECU的计算下可根据车重和路面情况来调节压缩气体的压力，空气悬架由此而表现出的特点就是对高频震动和车身平稳控制得很到位。但侧向支撑不足又是空气悬架最大的软肋。为了解决这一问题的有效办法就是引入电子控制部件，实现悬架软硬可调。作为研发电控空气悬架的先行者，奔驰率先以空气弹簧和减震器为基础，引入ECU控制单元、转向角度传感器、车身高度传感器、空气压缩机、速度和制动传感器，实现电脑控制、精密计算。电控主动空气悬架可通过改变空气弹簧里的气体容量和压力来实现软硬调节，即电控空气减震器可通过调节气体的压力大小实现阻尼多级化。从而，电控主动空气悬架就兼有舒适性和运动性的特性。并且可实现直线行驶偏软，提高舒适性;转向和高速运动时加硬，增加侧向支撑提供更好的路感。此外还可通过ECU和空气压缩机实现车身的高度自动或手动调节，所以目前市面上几乎大多数的豪华SUV都装备电控主动空气悬架，以完成城市道路行驶和野外越野的双重使命。图4-3丰田凌志LS400轿车电控空气悬架控制程序在电子控制的主动式空气悬架系统中，微机根据传感器送来的信号和驾驶员给予的控制模式经过运算分析后向悬架发出指令，悬架可以根据微机给出的指令改变悬架的刚度和阻尼系数，是车身在行驶过程中保持良好的稳定性能，并且将车身的振动响应控制在允许的范围内。一般说来，主动式空气悬架的控制内容包括车身高度、减振器衰减力、弹簧弹性系数等三项空气悬架电子控制系统的工作原理：图4-3丰田凌志LS400轿车电控空气悬架控制程序和图4-4所示为丰田汽车公司的空气悬架控制装置在车上的布置情况用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送给弹簧和减震器的空气室中，以此来改变车辆的高度。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。在减震器内设有电动机，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。 图4-4所示为丰田汽车公司的空气悬架控制装置在车上的布置情况。4.4主动悬架其他的控制方式4.4.1 电机蓄能式主动悬架当今社会上有一种采用电机作动器并具有电磁蓄能作用的电机蓄能式主动悬架。它采用电机传动系统代替液压传动系统，改善了原有液力式主动悬架的诸多缺陷，使主动悬架的推广应用成为可能。其工作原理是：将悬架动挠度传感器所得编码信号和电机转子位置传感器所得脉冲信号输入微处理器，经无刷电机换相逻辑、电磁蓄能控制算法和主动悬架控制律处理后，通过驱动及蓄能电路和车载电源电路，实时控制电机作动器的电动、反接制动或再生制动状态，以主动缓冲和衰减由路面不平引起的、并由车轮传导至车身的冲击和振动，同时还将再生制动电能回收再利用。4.4.2 双重控制控制悬架为了更好的满足人们对悬架系统的要求，奔驰公司研发出了双重控制空气悬架系统（Airmatic DC System）。Airmatic悬架系统不仅在电子控制方面有了更为明显的进步，更是把主动控制空气悬架系统和自适应阻尼悬架系统（ADS）整合到一起，了双重控制（Dual Con trol）。实现irmatic悬架系统作为奔驰新S系车型的标准配备，它共拥有四种工作模式：第一模式是柔软舒适的设定，用于普通路面的行驶。这个时候，悬架系统是行车电脑自动控制的，通过测量系统、反馈控制系统的帮助，电脑自动调节悬架的阻尼，以保证车辆在不同路面情况下，始终具备最佳的舒适性和操控性。第二模式和第三模式减振器分别采取硬压缩、软回弹和软压缩、硬回弹两种方式，这两种方式适合两种特殊路况，第二模式适合高速路况，在高速下保证了车辆的稳定性，第三模式是偏重于路面复杂的慢速行驶状况，在颠簸路面能够过缓和颠簸，自动调整弹簧的软硬度，驾驶员也可以根据自己的驾驶习惯手动固定某一种模式。第四种模式是纯粹忽略了舒适性的极端运动模式，这种模式需要驾驶员通过控制菜单进行选择，这时驾驶奔驰新S系轿车与驾驶一辆跑车相差无几。结束语汽车电控悬架在汽车上得到广泛应用。在汽车整体性能优化控制方面蕴藏着巨大的潜力，是汽车电子技术未来的发展方向。通过本次设计，不但复习巩固了三年的所学基础知识和专业知识，而且也培养了我们综合运用所学的知识独立解决汽车技术问题的能力。同时也是对即将毕业走上工作岗位的我们的业务能力的一次很好的锻炼。通过现场实习，调研，向老师请教，更加熟悉了一些基本知识，为今后的工作打下了良好的基础。总之这次设计不但是大学三年的总结，也是工作实践的起点，将对自己的工作能力增加起到了重要作用。通过毕业设计，学到了不少的东西。我的动手能力以及独立思考的能力有了很大的提高，专业知识也得到了进一步的巩固。在整个毕业设计中我尽心尽力，力求完美。但我知道我的能力有限，所掌握的知识也不够全面，在设计中肯定还存在一些问题和不足，所以请各位老师和同学指出，本人一定虚心接受，并加以改正。2010.1.23 参考文献1. 百度文库. 汽车车身电子控制技术, 20082. 黄元泽,黄金陵. 车身结构与设计.机械工业出版社，20003. 付百学编著. 汽车电子控制技术.机械工业出版社，20004. 陈家瑞主编. 汽车构造.交通出版社，2003 5. 卢晓春. 汽车机械基础.机械工业出版社, 20026. 王望予. 汽车设计.机械工业出版社, 20057. 乐玉汉. 轿车车身设计.高等教育出版社, 20008. 周云山. 汽车电控系统理论与设计.北京理工大学出版社, 19999. 周云山. 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