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目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 課題的背景和研究意義 1
1.2 汽車電子控制空氣懸架的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀 2
1.2.1 ECAS系統(tǒng)的組成及工作原理 2
1.2.2 ECAS 的發(fā)展歷程 4
1.2.3 ECAS當(dāng)前及未來(lái)的研究熱點(diǎn) 5
1.3 研究的基本內(nèi)容 6
第2章 汽車全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 7
2.1汽車懸掛系統(tǒng)概述 7
2.1.1懸掛系統(tǒng)的功用和組成 7
2.1.2 懸掛系統(tǒng)的分類 7
2.1.3 懸掛系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 9
2.2 全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 10
2.2.1 全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的特性分析 10
2.2.2全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立 10
2.2.3 系統(tǒng)固有頻率、靜撓度、剛度的計(jì)算 13
2.2.4全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算 16
2.2.5全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)阻尼參數(shù)的確定 17
2.3全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的設(shè)計(jì)與計(jì)算小結(jié) 21
第3章 汽車全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)可變阻尼器裝置的設(shè)計(jì) 24
3.1 汽車全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 24
3.2汽車阻尼可調(diào)阻尼器的比較分析 25
3.2.1 傳統(tǒng)液壓阻尼器的工作原理 25
3.2.2 電、磁流變液阻尼器 26
3.2.3 調(diào)節(jié)節(jié)流口面積的阻尼可調(diào)阻尼器 26
3.2.4 干摩擦式阻尼可調(diào)阻尼器 28
3.2.5 阻尼阻尼器的研究展望 29
3.3可變阻尼器的一般設(shè)計(jì)方法 29
3.3.1雙缸結(jié)構(gòu)的可調(diào)阻尼器 29
3.3.2 單缸結(jié)構(gòu)的可調(diào)阻尼器 31
3.4 可變阻尼器的結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計(jì) 32
3.4.1 阻尼器的阻尼特性 32
3.4.2 可調(diào)阻尼器的數(shù)學(xué)模型 33
3.4.3 阻尼器主體的設(shè)計(jì) 34
3.5阻尼器油液的選擇 37
第4章 汽車可變阻尼器系統(tǒng)控制策略的探討 38
4.1 可變阻尼器控制系統(tǒng)的分析與總體設(shè)計(jì) 38
4.2 全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)控制策略的發(fā)展 39
4.2.1最優(yōu)控制 39
4.2.2 自適應(yīng)控制 39
4.2.3 天棚阻尼控制 40
4.2.4 預(yù)見控制 40
4.2.5 滑模控制 40
4.2.6 智能控制 41
4.2.7 魯棒控制 42
4.3 可變阻尼器模糊PID控制算法的研究 42
4.3.1 典型的PID控制分析 42
4.3.2模糊控制系統(tǒng)分析 44
4.3.3 模糊PID控制系統(tǒng)分析 45
4.3.4 可變阻尼器模糊PID控制器的設(shè)計(jì) 46
4.4 可變阻尼器系統(tǒng)控制的挑戰(zhàn) 49
第5章 汽車可變阻尼器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 51
5.1 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 51
5.1.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu) 51
5.1.2 可變阻尼器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 51
5.1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 54
5.1.4 步進(jìn)電機(jī)功放電路的設(shè)計(jì) 55
5.1.5電源設(shè)計(jì) 56
5.2 計(jì)算機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì) 57
5.2.1 系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境 57
5.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 57
第6章 總結(jié)與展望 60
6.1 總結(jié) 60
6.2 展望 60
致謝 62
參考文獻(xiàn) 63
附錄0 圖紙清單 65
摘 要
隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車行駛平順性、穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)克服了被動(dòng)懸掛系統(tǒng)的缺陷，系統(tǒng)參數(shù)能夠根據(jù)路況、工況及速度等的變化而變化，理論上能夠獲得一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)理想懸掛系統(tǒng)的控制目標(biāo)。可調(diào)阻尼器是全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的核心部件,它的好壞將直接影響汽車行駛的平順性。本文設(shè)計(jì)了一種效果良好,價(jià)格適宜的全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)可調(diào)阻尼器,它能夠隨路面狀況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)阻尼，產(chǎn)生連續(xù)的阻尼力。
全文通過(guò)建立四分之一車體全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算出滿足行駛平順性的剛度范圍和阻尼范圍；之后，比較了當(dāng)前已研發(fā)的各種可調(diào)阻尼器，設(shè)計(jì)出滿足全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)需要的可調(diào)阻尼器的結(jié)構(gòu)及懸掛系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；接著，本文探討了幾種常用的全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的控制策略，確定了控制算法，并利用8031單片機(jī)，完成了懸掛系統(tǒng)可變阻尼器硬件電路模塊的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了汽車全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)阻尼器阻尼值的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在低成本的情況下提高了汽車懸掛系統(tǒng)控制的可靠性、準(zhǔn)確性，滿足汽車的控制要求。
關(guān)鍵詞：懸掛系統(tǒng)，可變阻尼器，步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)，控制策略
Abstract
As the development of car technology, people's demands of vehicle ride comfort, and stability getting higher and higher. The parameters of full-active suspension system which overcomes the shortcomings of the passive suspension system can change as the changes of pavement condition, working condition & speed of car; in theory, full-active suspension system is a high-quality vibration-isolated system, which achieves ideal control objectives of suspension system. Variable damper is a core component of full-active suspension system, whose quality will directly affect vehicle ride comfort. This paper describes an effective, affordable and variable damper of full-active suspension that can real-time change damping ratio with changes of road status, and generate continuous damping force.
In this paper, one-fourth car of active suspension system dynamics model are established to calculate out the stiffness and damping ratio ranges which meet vehicle ride comfort;and then comparison of many variable dampers which has been developed as far are undertaken in order to design the structure of variable dampers which can meet the needs of full-active suspension system and the overall suspension system structure; after that discussion of several commonly used control strategies of full-active suspension system were taken out in this paper and the control algorithm was fixed;and though the use of single-chip 8031, the hardware circuit modules of the variable dampers of suspension system were designed, and ultimately a real-time variable damper of automotive full-active suspension system was brought about in this paper, which improves the reliability and accuracy of automotive suspension control in the case of low-cost, and meets the vehicle control requirements.
Keywords: Suspension system, Variable damper, Stepping Motor, Single-chip, Control Strategy
-II-
第1章 緒 論
1.1 課題的背景和研究意義
汽車是現(xiàn)代社會(huì)必不可少的交通工具，隨著人類物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)汽車的舒適性要求也越來(lái)越高，要求汽車能充分體現(xiàn)物為人用的特性，在保證安全、快捷、節(jié)能、環(huán)保的同時(shí)，也要讓人感到用車的最大享受。汽車不僅會(huì)在平坦良好的道路上行駛，也往往會(huì)在無(wú)路或壞路條件下行駛，因而要求汽車具有良好的通過(guò)性能?，F(xiàn)代汽車的舒適性已成為衡量汽車性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，消費(fèi)者也越來(lái)越注重汽車的行駛平順性和易操作性，事實(shí)上汽車的這些性能除了與座椅的柔軟程度、支撐力等因素有關(guān)外，關(guān)系最大的就是汽車的懸掛系統(tǒng)。懸掛系統(tǒng)是車架與車軸連接的傳力部件，對(duì)行駛的安全性、通過(guò)性、穩(wěn)定性以及附著性能都有重大影響，因此懸掛系統(tǒng)是汽車發(fā)展的重點(diǎn)。
傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)，其剛度和阻尼是按經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定的，根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)的懸架機(jī)構(gòu)，在汽車行駛過(guò)程中，其性能是不變的，也是無(wú)法調(diào)節(jié)的，也就是說(shuō)，傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)只能保證在一種特定的道路狀態(tài)和行駛速度下達(dá)到性能最佳。從而使汽車的行駛平順性和乘坐舒適性受到一定的影響。隨著高速公路網(wǎng)的發(fā)展和路面條件的改善，人們希望汽車不僅有很高的行駛速度，而且還要有很好的行駛平順性、安全性和乘坐的舒適性。因此在20世紀(jì)60年代，國(guó)外提出了懸掛系統(tǒng)可根據(jù)汽車行駛條件（車輛的運(yùn)行狀態(tài)和路面狀況以及載荷等）的變化而對(duì)懸架的剛度和阻尼進(jìn)行動(dòng)態(tài)地自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使懸掛系統(tǒng)始終處于最佳減振狀態(tài)的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。
世界各國(guó)的汽車行業(yè)目前都將全主動(dòng)、半主動(dòng)懸架列為重要的研究目標(biāo)[1]之一。早在1982 年, Lotus 公司就研制出有源主動(dòng)懸掛系統(tǒng), 瑞典Volvo 公司在其車上安裝了實(shí)驗(yàn)性的Lotus 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。豐田汽車公司1986 年的Soarer 車型采用了能分別對(duì)阻尼和剛度進(jìn)行三級(jí)調(diào)節(jié)的空氣懸架。1989 年豐田Celica 車型上裝置了真正意義上的主動(dòng)油氣懸掛系統(tǒng)。
尼桑公司在90 年的InfiniteQ45 轎車上也裝備了液壓主動(dòng)懸架。保時(shí)捷, 福特, 奔馳等公司均在其高級(jí)轎車上裝備有各自開發(fā)的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。2004年保時(shí)捷新車911就配備了全新的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。在軍用車輛方面, 由于越野和高速行駛的需要, 所以使用主動(dòng)懸架的愿望更為迫切。
軍用車輛的懸掛系統(tǒng)多為獨(dú)立懸掛系統(tǒng),即每個(gè)車輪單獨(dú)通過(guò)一套懸掛安裝于車身或者車橋上, 車橋采用斷開式,中間一段固定于車架或者車身上;此種懸掛兩邊車輪受沖擊時(shí)互不影響,而且由于非懸掛質(zhì)量較輕;緩沖與減震能力很強(qiáng), 乘坐舒適。各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于非獨(dú)立式懸掛, 但該懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 而且還會(huì)便驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向系變得復(fù)雜起來(lái)。使用獨(dú)立懸架的目的是在壞路和無(wú)路的情說(shuō)下, 可保證全部車輪與地面的接觸,提高汽車的行駛穩(wěn)定性和附著性, 發(fā)揮汽車的行駛速度。英國(guó)早在70 年代,就在“蝎”式輕型坦克上實(shí)驗(yàn)了AP液壓件公司研制的液力機(jī)械主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。
Lotus 公司與美國(guó)陸軍坦克自動(dòng)車司令部(TACOM)和Teledyne大陸汽車公司(TCM)聯(lián)合組成小組在1992年10月把一種簡(jiǎn)化的主動(dòng)懸架裝置安裝在Hummer“蜂鳥”輪式車輛上,最大限度地提高了在崎嶇不平路面上的行駛速度。
2003 年7 月長(zhǎng)春汽博會(huì)展出了一輛LTY2021 高機(jī)動(dòng)性越野車(現(xiàn)役軍車) 擁有4×4 驅(qū)動(dòng), 前后獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu), 能承受強(qiáng)大的過(guò)載沖擊, 具有良好的越野性和通過(guò)性。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展得很快，但大多數(shù)的汽車產(chǎn)商沒(méi)有完善的、具有自主知識(shí)版權(quán)的全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)技術(shù)，基本上都是采用國(guó)外合作廠家或購(gòu)買國(guó)外產(chǎn)商的技術(shù)。我國(guó)的汽車技術(shù)還很落后，因此，我們有必要開發(fā)一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車技術(shù)。根據(jù)汽車懸掛系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)見全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)將得到迅速和廣泛發(fā)展。目前，用電子計(jì)算機(jī)對(duì)懸掛系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制是研究的熱點(diǎn)，其中電子控制懸掛系統(tǒng)在轎車上的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。此外，聲學(xué)與光學(xué)也將在懸掛系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
1.2 汽車電子控制空氣懸架的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來(lái)，日、美、歐各大汽車公司在設(shè)計(jì)轎車內(nèi)飾的過(guò)程中，除重視功能性要求外，更重視內(nèi)飾的布置外型風(fēng)格的協(xié)調(diào)性，以及內(nèi)飾整體的統(tǒng)一性，但最重視的仍是乘坐的舒適性。為了不斷提高轎車的乘坐舒適性，20世紀(jì)90年代以來(lái)，日、美、歐各大公司比以往更重視應(yīng)用人體工程學(xué)的研究成果，更強(qiáng)調(diào)以駕駛?cè)藛T和乘客心理、生理等要求為前提條件進(jìn)行內(nèi)飾設(shè)計(jì)，更講究利用內(nèi)飾材料的質(zhì)感和色彩來(lái)創(chuàng)造賞心悅目、氣氛宜人的駕乘環(huán)境。然而在汽車上，懸掛系統(tǒng)仍然是提高乘坐舒適性的主要環(huán)節(jié)。電子控制空氣懸掛系統(tǒng)能有效地提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性,是未來(lái)汽車懸架發(fā)展方向之一。
電子控制空氣懸掛系統(tǒng)( Electronically Controlled Air Suspension System,簡(jiǎn)稱ECAS) 可以根據(jù)車身高度、行駛速度、轉(zhuǎn)向角度、制動(dòng)等信號(hào),由電子控制單元( ECU)控制氣路系統(tǒng)中的電磁閥或步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行元件,進(jìn)行調(diào)整橡膠空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣量,懸架剛度和車身高度隨之改變,以抑制車輛急加速、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的俯仰運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)傾運(yùn)動(dòng),保持車身姿態(tài)平衡。除此之外,還有許多輔助功能:故障診斷功能、故障記憶功能、車身高度也可以調(diào)節(jié)(便于提高車輛在凹凸路面的通過(guò)性或貨物的裝載) 、屈膝( kneeling)功能(主要用于城市客車方便乘客上下車)等。因此,ECAS能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。ECAS在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的大客車、載重汽車和高檔乘用車上已得到廣泛應(yīng)用, 各大著名汽車生產(chǎn)企業(yè)( FORD, GM. , VOLVO,SCAN IA, TOYOTA, RENAUL, NEOPLAN, M. A. N, BENZ等) 均有自己的相關(guān)產(chǎn)品;而國(guó)內(nèi)只有小部分高檔客車(如蘇州金龍) 、極少高檔轎車(2006年國(guó)產(chǎn)新AUD IA6和A8)在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上已經(jīng)開始安裝ECAS系統(tǒng),但是可以預(yù)見, ECAS這一先進(jìn)的空氣懸掛系統(tǒng)在不久的將來(lái)會(huì)在國(guó)產(chǎn)汽車上越來(lái)越普及。
ECAS具有諸多優(yōu)點(diǎn),是汽車懸掛系統(tǒng)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一,也是未來(lái)智能懸架的研究基礎(chǔ)。
1.2.1 ECAS系統(tǒng)的組成及工作原理
ECAS系統(tǒng)一般有以下幾大部分組成:機(jī)械結(jié)構(gòu)總成(包括導(dǎo)向桿系、橫向穩(wěn)定桿等) :由于橡膠空氣彈簧只能承載垂向載荷,在行駛過(guò)程中的縱向力、側(cè)向力及其力矩必須依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞,其中導(dǎo)向桿系的結(jié)構(gòu)類型有雙縱臂式、雙橫臂式、A型架和單縱臂式等。
彈性元件:主要指橡膠空氣彈簧。
阻尼元件:主要是液力阻尼器(包括可調(diào)阻尼阻尼器和非可調(diào)阻尼阻尼器)。
執(zhí)行機(jī)構(gòu):步進(jìn)電機(jī)和電磁閥。
電子控制系統(tǒng):包括采集信號(hào)的傳感器、A /D轉(zhuǎn)換,電子控制單元( ECU) 、D /A轉(zhuǎn)換,控制電路。ECU接收傳感器中車輛狀態(tài)變化信號(hào),進(jìn)行判斷和計(jì)算,向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令進(jìn)行調(diào)節(jié)控制車輛。
氣路系統(tǒng):主要有空氣壓縮機(jī)、干燥劑、儲(chǔ)氣筒和管路等組成。車身高度的升降和彈簧剛度的大小都是通過(guò)橡膠空氣彈簧內(nèi)被壓空氣量來(lái)控制的,而空氣量的增減必需由氣路系統(tǒng)進(jìn)行輸送。
雖然乘用車用和商用車用ECAS系統(tǒng)組成基本相同,但是由于乘用車和商用車結(jié)構(gòu)上的差異,導(dǎo)致它們?cè)谠S多部件之間不能通用,而且在具體結(jié)構(gòu)上差別很大。因此,本文在此將進(jìn)行分別介紹。
1）乘用車用ECAS
由于乘用車空間的限制,乘用車用ECAS系統(tǒng)前后懸架都是空氣彈簧和阻尼器集成一體的空氣懸架支柱,不僅對(duì)車身高度、懸架剛度,而且還對(duì)阻尼器阻尼力進(jìn)行控制。
空氣懸架支柱是由可調(diào)阻尼阻尼器、電磁閥、雙氣室所組成。電控阻尼器頂部有一個(gè)步進(jìn)電機(jī),可通過(guò)它轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)調(diào)整節(jié)流孔大小的控制桿將阻尼分成多級(jí),從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻尼力的目的。電磁閥也充當(dāng)了一個(gè)調(diào)節(jié)空氣彈簧容積的作用, 通常主副氣室是相通的,二者加起來(lái)的總?cè)莘e起著彈簧的作用,比較柔軟;但當(dāng)關(guān)閉雙氣室之間的電磁閥時(shí), 則以一個(gè)主氣室的容量來(lái)承擔(dān)空氣彈簧的作用,就會(huì)變得“硬”, 因此電磁閥起到調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度的作用。
ECAS工作時(shí),氣路系統(tǒng)中的電磁閥控制通向空氣彈簧總成的空氣流量。傳感器檢測(cè)出汽車的行駛狀態(tài)并反饋至ECU, ECU綜合這些反饋信息計(jì)算并輸出指令控制空氣彈簧中的步進(jìn)電機(jī)和電磁閥,從而使ECAS隨行駛及路面狀態(tài)不同而變化:在一般行駛中,空氣彈簧剛度處于軟及阻尼力為小的狀態(tài),可獲得較好的舒適性;在急轉(zhuǎn)彎或者制動(dòng)時(shí),則空氣彈簧剛度變大和阻尼器阻尼變大,以提高車身的穩(wěn)定性。同時(shí),該系統(tǒng)還能自動(dòng)調(diào)整車身高度,可以隨車速的增加而降低車身高度(減小離地間隙),減少行駛阻力以降低油耗;在車速比較慢時(shí)車身高度又可恢復(fù)正常。
2）商用車用ECAS
商用車用ECAS[2]機(jī)械系統(tǒng)和傳統(tǒng)的空氣懸架基本沒(méi)有什么區(qū)別,它只是將電子控制系統(tǒng)替代原來(lái)的機(jī)械控制系統(tǒng)(高度控制閥) 。
但是相對(duì)乘用車ECAS來(lái)說(shuō),商用車ECAS控制對(duì)象少:空氣彈簧一般不帶附加氣室,這樣空氣彈簧沒(méi)有兩級(jí)可調(diào);車身高度只是通過(guò)圖1-1中的手動(dòng)遙控器控制,沒(méi)有自動(dòng)調(diào)整功能。
而車身高度根據(jù)車輛工況和路面狀況由ECU (圖1-1中的1)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。例如當(dāng)ECU檢測(cè)到高度傳感器車身高度偏離平衡位置變小時(shí), ECU經(jīng)過(guò)計(jì)算判斷向電磁閥發(fā)出指令,讓電機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)工作進(jìn)行泵氣,被壓縮的空氣通過(guò)電磁閥壓入橡膠空氣彈簧,空氣彈簧內(nèi)的氣體壓力增加,支撐力變大,車身升高;相反,車身高度變大時(shí), ECU發(fā)出指令使電磁閥和排氣閥同時(shí)打開,空氣彈簧內(nèi)的被壓縮的空氣通過(guò)電磁閥和排氣閥流到大氣中去,空氣彈簧內(nèi)氣體壓力減小,車身高度降低。
目前,大部分商用車ECAS的阻尼器是傳統(tǒng)阻尼器,但是隨著可調(diào)阻尼阻尼器技術(shù)的成熟,現(xiàn)在有小部分商用車ECAS匹配了可調(diào)阻尼阻尼器,一般可以在“軟”、“中”、“硬”3種阻尼狀態(tài)之間進(jìn)行有級(jí)調(diào)節(jié)。
1. 電子控制器(ECU) 2. 空氣彈簧 3. 可調(diào)阻尼阻尼器
4. 電磁閥 5. 手動(dòng)遙控器
圖1-1 商用車ECAS布置示意圖
1.2.2 ECAS 的發(fā)展歷程
ECAS的最早歷史可以追溯到1847年橡膠空氣彈簧的誕生。20世紀(jì)50年代GM. 公司和FIRESTONE合作研究在汽車懸架上運(yùn)用橡膠空氣彈簧,隨后誕生了非電子控制的鋼板空氣彈簧復(fù)合式懸架,這種空氣懸掛系統(tǒng)是鋼板彈簧與空氣彈簧并聯(lián)在一起,鋼板彈簧主要作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu),同時(shí)也作為彈性元件承受部分垂直載荷,是一種過(guò)渡結(jié)構(gòu)型式,其減振性能受鋼板彈簧的影響較大,存在偏頻較大和難于匹配等不足之處。為了解決鋼板空氣彈簧復(fù)合式懸架的缺點(diǎn),出現(xiàn)了非電子控制的全空氣懸架(懸架垂向載荷的95%以上均由空氣彈簧承擔(dān)) ,大大提高了汽車的平順性和舒適性,但是機(jī)械式高度控制閥調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)只能被動(dòng)地適應(yīng)汽車運(yùn)行的各種工況條件,汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性則因路面狀況不同而差別較大。
在Hubbard和Margolia于1976年提出彈簧剛度可調(diào)的半主動(dòng)空氣懸掛系統(tǒng)的概念之前,其實(shí)早在1962年, Cadillac 就開發(fā)了一種空氣彈簧和螺旋彈簧并聯(lián)的ECAS系統(tǒng),用于乘用車后軸。隨后,Ford開發(fā)了僅用空氣彈簧承載的ECAS,成功配置于ContinentalMarkⅦ車型的后懸架上。
為了進(jìn)一步提高車輛的操縱穩(wěn)定性和行使平順性, 1986年Toyoto公司在Soarer和LEXUS LS400GT[3]車上后前懸架均采用ECAS,并且其剛度可在“軟”( soft)和“硬”( hard)之間調(diào)節(jié), 4個(gè)阻尼器一起可以在“軟”( soft) 、“中”(medium)和“硬”( hard)中調(diào)節(jié)。后來(lái),其他研究人員進(jìn)一步改進(jìn)ECAS性能,將4 個(gè)阻尼器阻尼同時(shí)控制改成獨(dú)立控制,而且阻尼調(diào)節(jié)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,即由“軟”、“中”和“硬”3級(jí)改成“硬”( F IRM ) 、“正?！?NORMAL ) 、“軟”( SOFT)和“舒適”(COMFORT) 4級(jí)。
隨著ECAS技術(shù)成熟,它的功能也越全和使用范圍越廣。1989年, Range Rover成為第一個(gè)配置ECAS的四輪驅(qū)動(dòng)車,這不僅使其具備了非同尋常的公路駕駛舒適性,還擁有了無(wú)與倫比的越野性能。另外,該ECAS還開創(chuàng)了兼容底盤升降技術(shù)的先河,例如在行駛速度超過(guò)80 km /h時(shí),車身高度會(huì)自動(dòng)降低,以提高其行駛穩(wěn)定性并降低風(fēng)阻和油耗;在越野路況,駕駛員可以增加車身高度,以提高車輛的通過(guò)性。
2002年,梅賽德斯-奔馳在Adap tive Damp ing System Ⅱ基礎(chǔ)上研發(fā)了自適應(yīng)阻尼的ECAS系統(tǒng)(Airmatic DC System) ,并應(yīng)用于新E級(jí)轎車上。
2006年,新Audi A8L 6. 0 quattro空氣懸架的阻尼器采用無(wú)級(jí)電子雙管氣壓控制實(shí)現(xiàn)了非智能材料阻尼器阻尼力的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[4]。
綜上所述,縱觀ECAS的發(fā)展歷程,最先進(jìn)的ECAS具有的功能:身高度的控制:在標(biāo)準(zhǔn)、升高和降低3者間調(diào)節(jié); ②阻尼器阻尼力控制具有無(wú)級(jí)可調(diào); ③空氣彈簧的彈性系數(shù)分軟、硬兩檔。
1.2.3 ECAS當(dāng)前及未來(lái)的研究熱點(diǎn)
1)無(wú)級(jí)可調(diào)阻尼器的研制
剛度可調(diào)、阻尼器阻尼力也可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的ECAS系統(tǒng)是未來(lái)的主流產(chǎn)品。目前、阻尼可調(diào)阻尼器主要有兩種,一種是通過(guò)改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼,另一種是通過(guò)改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼。節(jié)流孔的大小一般通過(guò)電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié),這種方法成本較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過(guò)改變減振液的粘性來(lái)改變阻尼系數(shù),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本不高、無(wú)噪音和沖擊等特點(diǎn),因此是目前發(fā)展的主要方向。
2)控制策略的研究
隨著現(xiàn)代控制理論、方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,空氣懸架的控制理論和控制方法成為研究的重點(diǎn)。1984 年, G. J. Stein發(fā)表了利用前饋與反饋相結(jié)合的“天棚”控制理論( skyhood) ,采用比例壓力控制閥控制空氣彈簧,并用計(jì)算機(jī)模擬和假人試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)座椅上假人的垂直振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,提出了ECAS的最優(yōu)控制方法,它比天棚原理考慮了更多的變量,控制效果更好,目前最優(yōu)控制規(guī)律有3種:線性最優(yōu)控制、HQ最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)見控制。由于實(shí)際懸掛系統(tǒng)中有許多非線性的、時(shí)變的、高階動(dòng)力系統(tǒng),使最優(yōu)控制方法變得不穩(wěn)定,為此又發(fā)展了自適應(yīng)控制方法。自適應(yīng)控制方法具有參數(shù)識(shí)別功能,能適應(yīng)懸架載荷和元件特性的變化,自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù),保持性能最優(yōu)。自適應(yīng)控制方法也有增益調(diào)度控制、模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制3類。目前發(fā)展最迅速的控制策略是智能控制(模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制)[5]。模糊控制方法具有自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入變量的組合、隸屬函數(shù)的參數(shù)和模糊規(guī)則數(shù)目等學(xué)習(xí)功能,計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明該方法更有效。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量處理單元組成的高度并行的非線性動(dòng)力系統(tǒng),它能進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、學(xué)習(xí)適應(yīng)性和并行處理,研究表明它比傳統(tǒng)控制有更好的性能。發(fā)展能夠結(jié)合非線性理論和智能控制理論,并且適合空氣懸掛系統(tǒng)控制的穩(wěn)定的算法,成為研究的熱點(diǎn)。
3)注重節(jié)能
傳統(tǒng)空氣懸架在彈簧放氣時(shí),直接排到大氣中,能量消耗較大,針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,由比較節(jié)能的延時(shí)響應(yīng)型高度控制閥替代了即時(shí)響應(yīng)型高度控制閥; 1999年Meller T. 提出了自激勵(lì)空氣懸架高度控制系統(tǒng)(self-energizing leveling system)；文獻(xiàn)[6]介紹了利用空氣壓縮機(jī)回收空氣彈簧排出氣體的思想。
4)控制系統(tǒng)的模塊化、集成化
隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,以微處理器和傳感器為基礎(chǔ)的汽車電子控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用于汽車上, ECAS系統(tǒng)與電子噴射系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、安全氣囊控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)和通訊導(dǎo)航系統(tǒng)等將逐步形成一個(gè)集成管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)工程和公共數(shù)據(jù)總線所有的子系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)、互相連通、互相作用,實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間硬件、能量和信息的共享,以最大限度地獲取系統(tǒng)集成帶來(lái)的增效作用,提高汽車的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。
1.3 研究的基本內(nèi)容
目前,隨著汽車的普及度的增加,對(duì)汽車自身的舒適性、行駛的平順性和安全性能的要求已經(jīng)提升到了一個(gè)很高的地位,設(shè)計(jì)一個(gè)良好的懸掛系統(tǒng)就顯得十分重要。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)已不能滿足要求，所以，現(xiàn)在汽車的設(shè)計(jì)需要一種人性化的，合理的，能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化的懸掛系統(tǒng)。
本課題的研究目的就是設(shè)計(jì)一種阻尼能夠無(wú)級(jí)可調(diào)的阻尼器，它與另一同學(xué)研究的剛度無(wú)級(jí)可調(diào)空氣彈簧共同組成一個(gè)全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際路面條件，車身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)阻尼、自動(dòng)調(diào)節(jié)剛度等動(dòng)作，并且能夠使汽車自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)。
課題的核心在于如何利用單片機(jī)有效地、快速地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使其帶動(dòng)控制桿轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，控制阻尼孔截面積的改變，產(chǎn)生不同的阻尼值，以適應(yīng)不同的行駛條件。步進(jìn)電機(jī)可精確步進(jìn)及直接接受數(shù)字量，它的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如在繪圖機(jī)、打印機(jī)和一些光學(xué)儀器中都采用步進(jìn)電機(jī)定位。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生各種脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)去達(dá)到各種控制目的已屢見不鮮了。步進(jìn)電機(jī)成了計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一，尤其在精確定位場(chǎng)合和速度控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[7]。全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)需要檢測(cè)車速、車身垂直振動(dòng)的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤角度及轉(zhuǎn)向速度、車輪制動(dòng)壓力、踏動(dòng)油門的速度、輪胎的跳動(dòng)和懸架行程位置等數(shù)據(jù),需要選用和開發(fā)相應(yīng)傳感器。同時(shí)應(yīng)解決多傳感器信息融合、信息分層處理技術(shù)問(wèn)題。解決途徑是基于系統(tǒng)工程理論,面向各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試,采用高速的微處理器。微處理器芯片數(shù)據(jù)處理與傳輸速度應(yīng)該控制在微秒級(jí)以上。課題中采用的芯片是Intel公司的8031單片機(jī) [8]。
無(wú)論哪種主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，均需要有效、可靠的控制算法, 只有設(shè)計(jì)完美的控制系統(tǒng)才能獲得主動(dòng)懸掛的優(yōu)越性能。因而,主動(dòng)懸掛控制的研究一直是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域,取得的成果也非常突出。本課題就當(dāng)前主動(dòng)懸掛系統(tǒng)控制算法做了一個(gè)全面的概括，重點(diǎn)介紹了模糊PID控制算法，且本文就是采用了模糊PID控制算法設(shè)計(jì)的全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)。
另外，本文中汽車以LEXUS460轎車為設(shè)計(jì)對(duì)象，汽車所有參數(shù)取自LEXUS460。
第2章 汽車全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型
2.1汽車懸掛系統(tǒng)概述
懸掛系統(tǒng)是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的所有傳力連接裝置的總稱。
2.1.1懸掛系統(tǒng)的功用和組成
1.懸掛系統(tǒng)的功用
(1)把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車掛系統(tǒng)（或承載式車身）上，保證汽車的正常行駛，即起傳力作用；
(2)利用彈性元件和阻尼器起到緩沖減振的作用；
(3)利用懸掛系統(tǒng)的某些傳力構(gòu)件使車輪按一定軌跡相對(duì)于車架或車身跳動(dòng)，即起導(dǎo)向作用；
(4)利用懸掛系統(tǒng)中的輔助彈性元件橫向穩(wěn)定器，防止車身在轉(zhuǎn)向等行駛情況下發(fā)生過(guò)大的側(cè)向傾斜。
2.懸掛系統(tǒng)的組成
(1)彈性元件——起緩沖作用；
(2)減振元件——起減振作用；
(3)傳力機(jī)構(gòu)或稱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)——起傳力和導(dǎo)向作用；
(4)橫向穩(wěn)定器——防止車身產(chǎn)生過(guò)大側(cè)傾。
應(yīng)當(dāng)指出，懸掛系統(tǒng)只要具備上述各個(gè)功能，在結(jié)構(gòu)上并非一定要設(shè)置上述這些單獨(dú)的裝置不可[13]。例如，常見的鋼板彈簧，除了作為彈性元件起緩沖作用外，當(dāng)它在汽車上縱向安置，并且一端與車架作固定鉸鏈連接時(shí)，即可擔(dān)負(fù)起傳遞所有各向力和力矩以及決定車輪運(yùn)動(dòng)軌跡的任務(wù)，因而就沒(méi)有必要再另行設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。此外，一般鋼板彈簧是多片疊成的，它本身具有一定的減振能力，因而在對(duì)減振要求不高時(shí)，在采用鋼板彈簧作為彈性元件的懸掛系統(tǒng)中，也可以不裝阻尼器。
2.1.2 懸掛系統(tǒng)的分類
根據(jù)阻尼和剛度與車輛行駛條件的關(guān)聯(lián)性，懸架可分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架還可以按阻尼級(jí)分為有級(jí)式和無(wú)級(jí)式兩類。
1.被動(dòng)懸掛系統(tǒng)
傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)的剛度和阻尼系數(shù)，是按經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇的，一經(jīng)選定就無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此其減振性能的提高受到限制，這種懸架稱為被動(dòng)懸架。按照隨機(jī)振動(dòng)理論，它只能保證在特定的路面激勵(lì)和車速下達(dá)到最優(yōu)減振效果，難以適應(yīng)不同的車輛參數(shù)和運(yùn)行工況。簡(jiǎn)化模型如圖2-1(a)所示，其中，彈簧主要用來(lái)支承簧上質(zhì)量的靜載荷，而阻尼器主要用于控制響應(yīng)特性。
具體地講，對(duì)于汽車懸架應(yīng)滿足兩個(gè)方面的要求，一方面為提高轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等操縱過(guò)程的穩(wěn)定性，要求懸架應(yīng)具有高阻尼系數(shù)；另一方面為隔開隨機(jī)路面不平對(duì)汽車的擾動(dòng)，提高乘坐舒適性，要求懸架應(yīng)具有低阻尼系數(shù)。由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié)，限制了被動(dòng)懸掛系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。被動(dòng)懸架的減振性能很差。為了克服被動(dòng)懸架的缺陷，采用非線性變剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)裝置等方法，盡管有一定效果，但被動(dòng)懸架的缺陷仍不能根除，而主動(dòng)或半主動(dòng)懸架的采用，則為大幅度改善懸架的性能提供了一條廣闊的途徑。
圖2-1 三種懸掛系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型
2.半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)
半主動(dòng)懸架的研究工作始于1973 年，由D.A.Crosby 和D.C.Karnopp首先提出[9]。半主動(dòng)懸架的簡(jiǎn)化模型如圖2-1(b)所示，由可變特性的彈簧和阻尼器組成。其基本工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對(duì)車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)阻尼器的阻尼力。半主動(dòng)懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動(dòng)懸架，但是半主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)可以根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)作為實(shí)時(shí)或準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)整，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
通常以改變阻尼器的阻尼力為主，將阻尼分為兩、三級(jí)，由人工選擇或根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)確定阻尼級(jí)。1984年日產(chǎn)公司研制出一種聲納式半主動(dòng)懸架，它能通過(guò)聲納裝置預(yù)測(cè)前方路面信息，及時(shí)調(diào)整懸架阻尼器的三種狀態(tài)[10]。另外，D.C.Karnopp等人又提出了阻尼連續(xù)可調(diào)的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)[11]。
通過(guò)改變彈簧剛度的構(gòu)成的半主動(dòng)懸架由Hubbard 年提出1976，彈簧剛度的改變是通過(guò)切換空氣彈簧實(shí)現(xiàn)的。與機(jī)械彈簧相比，空氣彈簧存在更多的優(yōu)勢(shì)。因此國(guó)外早在八十年代就已將空氣彈簧懸架應(yīng)用于各種車輛。這種懸架與被動(dòng)懸架相比，減振效果優(yōu)良得多。
3.全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)
主動(dòng)控制懸架簡(jiǎn)化模型如圖2-1（c）所示，由彈性元件和一個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用在于改進(jìn)系統(tǒng)中能源的消耗和供給系統(tǒng)以能量，該裝置的控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)，而又不需對(duì)系統(tǒng)作出較大的變化。因此，只需使力發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正比于絕對(duì)速度負(fù)值的主動(dòng)力，即可實(shí)現(xiàn)該控制目標(biāo)。這種懸架的減振效果非常理想。
主動(dòng)懸掛系統(tǒng)通常有兩種形式，即由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣式懸架和由電磁閥驅(qū)動(dòng)的油氣式懸架。
近年來(lái)，日產(chǎn)和豐田公司宣布在轎車上成功地應(yīng)用了液力主動(dòng)懸架，主要在高速賽車上進(jìn)行了試驗(yàn)，其彎道行駛橫向加速度可達(dá)到8g[12]。
主動(dòng)懸架技術(shù)成為汽車懸架發(fā)展的重要趨勢(shì)，它為同時(shí)改善汽車行駛安全性和乘坐舒適性提供了廣闊的前景。但是它也有其自身固有的缺點(diǎn)：由于主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加入，增加了汽車動(dòng)力的消耗，就限制了其實(shí)用化和產(chǎn)品化；另外，要使主動(dòng)懸架具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，就要選用高性能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如液壓伺服機(jī)構(gòu)、電磁伺服器等），并且需要一套復(fù)雜的傳感器和儀器設(shè)備，從而導(dǎo)致主動(dòng)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)性高、成本昂貴，而且其可靠性也成為一個(gè)問(wèn)題。因此，目前僅用于排量較大的高檔車型。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，減少功率消耗、提高控制系統(tǒng)的集成化將是主動(dòng)懸架研究的主要任務(wù)之一。
2.1.3 懸掛系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
由于汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，具有安全、智能和清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢(shì)。
（1）被動(dòng)懸架是傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)振動(dòng)理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果。但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本相對(duì)低廉且不需額外能量，因而應(yīng)用最為廣泛。在我國(guó)現(xiàn)階段，仍然有較高的研究?jī)r(jià)值。被動(dòng)懸架性能的研究主要集中在三個(gè)方面：①通過(guò)對(duì)汽車進(jìn)行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)；②研究可變剛度彈簧和可變阻尼的阻尼器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；③研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有較大的提高。
（2）半主動(dòng)懸架的研究集中在兩個(gè)方面：①執(zhí)行策略的研究；②執(zhí)行器的研究。阻尼可調(diào)阻尼器主要有兩種，一種是通過(guò)改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼；一種是通過(guò)改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼。節(jié)流孔的大小一般通過(guò)電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié)，這種方法成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過(guò)改變減振液的粘性來(lái)改變阻尼系數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)噪音和沖擊等特點(diǎn)，因此是目前發(fā)展的主要方向。
（3）主動(dòng)懸架研究也集中在兩個(gè)方面：①可靠性；②執(zhí)行器。由于主動(dòng)懸架采用了大量的傳感器、單片機(jī)、輸出輸入電路和各種接口，由于元器件較多，降低了懸架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一個(gè)不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動(dòng)器件代替液壓器件。電氣動(dòng)力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，今后將會(huì)取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器，可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架，使主動(dòng)懸架由理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。懸架技術(shù)的每次跨越，都和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)制造技術(shù)、運(yùn)動(dòng)仿真等為懸架的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的保障。同時(shí)，懸架的發(fā)展也給這些相關(guān)學(xué)科提出更高的理論要求，使人類的認(rèn)識(shí)邁向新的、更高的境界。
2.2 全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型
2.2.1 全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的特性分析
懸掛系統(tǒng)作為控制對(duì)象具有以下一些特點(diǎn)：
(1)不確定性。決定懸掛系統(tǒng)特性的參數(shù)有很多，國(guó)外曾有學(xué)者建立了含有81個(gè)參數(shù)的懸掛模型，但即使這樣，仍有一些影響因素沒(méi)有充分考慮進(jìn)去，而常規(guī)的簡(jiǎn)化應(yīng)用模型所考慮的就更少了，因此要考慮這些在建立模型時(shí)忽略的因素是否在系統(tǒng)中發(fā)揮作用。
(2)非線性。懸掛系統(tǒng)各參數(shù)之間并非都是相互獨(dú)立的，其中存在大量的藕合，因此具有非線性特性。而在實(shí)際研究中，往往將模型簡(jiǎn)化為線性的，因此難以保證高精度。
(3)時(shí)變性。懸掛系統(tǒng)的一些參數(shù)在使用過(guò)程中會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生相應(yīng)的變化，如阻尼器油液的黏度、彈性元件的剛度、簧載質(zhì)量等。在實(shí)際應(yīng)用中這些變化都是不可避免的，它們輕則導(dǎo)致系統(tǒng)難以迅速準(zhǔn)確地達(dá)到控制目標(biāo)，嚴(yán)重的甚至使整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn)。
通過(guò)以上分析我們可以知道懸掛系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多參數(shù)系統(tǒng)，如果要用一個(gè)精確全面的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，它可能會(huì)成為一個(gè)在工程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模型，并且即使能在工程中實(shí)現(xiàn)，它的復(fù)雜度也給系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患，在工程中往往采取平衡各方面的因素以求得最高性價(jià)比的方法來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型，而不是把每一個(gè)因素平等對(duì)待。
對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)及帶有未知?jiǎng)討B(tài)特性的過(guò)程，一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型往往束手無(wú)策，而一個(gè)熟練的操作人員卻能夠依據(jù)經(jīng)驗(yàn)成功的實(shí)現(xiàn)控制，因此選擇合適的控制策略加上合理的數(shù)學(xué)模型才能取得預(yù)期的效果。模糊控制理論采用近似于人的推理，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，主要依靠的是對(duì)以往成功經(jīng)驗(yàn)的積累，它不僅可以獲得良好的一致性和魯棒性，并且維護(hù)費(fèi)用也較低，為人們易于接受。
2.2.2全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立
車輛懸掛系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，從機(jī)構(gòu)學(xué)觀點(diǎn)看它是一種復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。經(jīng)簡(jiǎn)化的車體模型為簧載質(zhì)量，它由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成?？紤]到該質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)，通過(guò)質(zhì)心繞橫軸Y的俯仰運(yùn)動(dòng)，以及繞縱軸X的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，即車身等組成的懸架簧載質(zhì)量有三個(gè)自由度描述。車輪再經(jīng)過(guò)有彈性和阻尼的輪胎支承在不平的路面上。由于四個(gè)車輪的非簧載質(zhì)量有四個(gè)自由度。因此，對(duì)于整車模型可建立一個(gè)七自由度模型。
當(dāng)每個(gè)車輪采用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)時(shí)，可簡(jiǎn)化為1/4車輛模型，它能反映出車輛垂直振動(dòng)的基本特征。非簧載質(zhì)量反映所謂“輪跳”現(xiàn)象，其小阻尼自然頻率在 8-18Hz之間。簧載質(zhì)量反映出車身垂直振動(dòng)，其自然頻率在0.5-2.5Hz之間。為了反映俯仰振動(dòng)和垂直振動(dòng)，不考慮橫向擺動(dòng)，人們建立了“半車模型”，其自由度為四個(gè)。車身上、下振動(dòng)及俯仰，前、后輪非簧載質(zhì)量上、下移動(dòng)。因此，車輛模型根據(jù)分析的側(cè)重不同可分為1/4車輛模型，半車模型和整車模型。
總而言之，車輛是一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，為了便于分析，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化?，F(xiàn)代車輛動(dòng)力學(xué)分析, 常按多自由度建立車輛振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。綜合分析車輛懸架的各物理量振動(dòng)性質(zhì), 在一定假設(shè)條件下, 通常將車體質(zhì)心在鉛垂軸線振動(dòng)簡(jiǎn)化為1/4 車模雙自由度系統(tǒng)。
該系統(tǒng)中, 簧下質(zhì)量——車輪屬于行走裝置。車輪輪胎氣壓不足時(shí), 剛度降低、徑向變形增大, 導(dǎo)致胎面磨損不均勻。從而降低輪胎壽命, 促使車輪附著系數(shù)提高并在曲線運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生側(cè)向變形加大的側(cè)向彈性反力, 降低牽引性能和制動(dòng)性能。其分析建模方法是以振動(dòng)理論和多剛體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)建模，運(yùn)用現(xiàn)代代數(shù)值和分析方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并采用先進(jìn)的仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。
本章主要從垂直振動(dòng)和控制角度去分析和仿真全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，懸掛系統(tǒng)采用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，因此采用1/4車輛模型（見圖2-2）。
圖2-2 1/4車輛二自由度模型
模型中各個(gè)參數(shù)的含義如下：
① ms為車身(懸掛)質(zhì)量(kg) ；
② mt為車輪(非懸掛)質(zhì)量(kg) ；
③ ks為全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)可調(diào)剛度系數(shù)(N/m) ；
④ kt為輪胎等效剛度(N/m) ；
⑤ cs為全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)可調(diào)阻尼阻尼器的阻尼系數(shù)(Ns/m) ；
⑥ us為全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)力發(fā)生器（N）；
⑦ zs為全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)車身簧載質(zhì)量位移（m）；
⑧ zt為全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)非簧載質(zhì)量位移(m)；
⑨ r為全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的路面激勵(lì)（m）。
我國(guó)汽車通常采用的輪胎, 斷面寬度為(104～375)mm , 輪輞直徑為(400～ 1200)mm ,充氣壓力為(170～630) kPa.摩托車輪胎斷面寬度為(5018～127)mm , 輪輞直徑(35516～53314)mm.充氣壓力為(147～460) kPa.額定氣壓下的輪胎剛度與彈性元件, 如螺旋彈簧相比較, 近似于剛性。輪胎對(duì)車身的減振及隔振作用很小, 其起伏可以等同于地面起伏。 因此,可將輪胎視為剛體[14]。
進(jìn)一步將振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng), 見圖2-3。為此，我們做如下假設(shè)：
① 忽略汽車非簧載質(zhì)量不計(jì)，而將汽車全部質(zhì)量集中于系統(tǒng)的簧載質(zhì)量上，即建立單自由度系統(tǒng)模型；
② 在車輛行駛中，其輪胎始終保持單點(diǎn)接地，并且左右輪胎經(jīng)歷的路面不平度相同；
③ 空氣彈簧的剛度是線性的。
該系統(tǒng)中, 粘性阻尼和彈簧材料非彈性阻力致使路面激勵(lì)引起的振動(dòng)總能量不保持常值而有所耗散, 系統(tǒng)趨于平衡狀態(tài)。根據(jù)此特征, 我們將該系統(tǒng)定義為單自由度有阻尼非保守系統(tǒng)。
圖2-3 1/4車輛單自由度模型
如上圖所示，系統(tǒng)模型由剛度可調(diào)減振彈簧、可調(diào)阻尼阻尼器組成，路面激勵(lì)為xi=0.3sin20t，其他個(gè)參數(shù)表示如下：
1）m : 四分之一汽車的質(zhì)量，單位為千克（kg）；
2）k : 可調(diào)減振彈簧的剛度，k=k0+kr,k0為彈簧固有剛度系數(shù)，kr為可調(diào)剛度系數(shù)，單位均為牛/米（N/m）；
3）c : 可變阻尼器的阻尼系數(shù), c=c0+cr,c0為阻尼器固定阻尼系數(shù),cr為可調(diào)阻尼系數(shù)，單位均為牛秒/米(Ns/m)；
4）xo ：車身輸出位移，單位為米（m）。
由于汽車在行駛過(guò)程中經(jīng)過(guò)的路面是隨機(jī)的,不平整的,路面的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致汽車也以相同的頻率振動(dòng),因此汽車車身高度在行駛過(guò)程中是變化的。從另一個(gè)角度來(lái)看，假如以汽車為參考物體，則路面相對(duì)于汽車不斷的運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向是垂直方向，這就迫使阻尼器上下振動(dòng)，所以汽車車身與路面之間的距離就不斷變化。
2.2.3 系統(tǒng)固有頻率、靜撓度、剛度的計(jì)算
1）懸掛系統(tǒng)的自然振動(dòng)頻率（固有頻率）
由懸掛系統(tǒng)剛度和彈簧支承的質(zhì)量（簧載質(zhì)量）所決定的車身自然振動(dòng)頻率是影響汽車的平順性（也稱舒適性）的重要指標(biāo)之一。根據(jù)力學(xué)分析，如果將汽車看成一個(gè)在彈性懸架上做單自由度振動(dòng)的質(zhì)量，則懸掛系統(tǒng)的自然振動(dòng)頻率（固有頻率）為
n=12πKM=12πg(shù)f （2-1）
式中，各個(gè)符號(hào)的含義：
n——懸架的頻率；
M——簧載質(zhì)量；
K——懸架剛度；
f——懸架垂直變形（撓度）。
懸架頻率n 隨簧載質(zhì)量的變化而變化，人體最舒適的頻率范圍為1～1.6Hz，如果要將汽車行駛過(guò)程中的頻率保持在1～1.6Hz內(nèi)，最好采用變剛度懸架。
由式（2-1）可見：
①在懸掛系統(tǒng)所受的垂直載荷一定時(shí)，懸架剛度越小，則汽車自然振動(dòng)頻率越低。但是，懸架剛度越小，在一定載荷下懸架垂直變形就越大，即車輪上下跳動(dòng)所需的空間越大，這對(duì)于簧載大的貨車，在結(jié)構(gòu)上是難以保證的，故實(shí)際上貨車的車身自然振動(dòng)頻率往往偏高，而大大超越上述理想的頻率范圍；
②當(dāng)懸架剛度一定時(shí)，簧載質(zhì)量越大，則懸架垂直變形越大，而自然振動(dòng)頻率越低。故空車行駛時(shí)的車身自然振動(dòng)頻率要比滿載行駛時(shí)的高?；奢d質(zhì)量變化范圍越大，則頻率變化范圍也越大。
2）懸掛系統(tǒng)的靜撓度、剛度的計(jì)算
確定懸架參數(shù)之前，先選擇前后懸架的類型：
前懸掛系統(tǒng)目前基本上都是采用獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，即左右兩個(gè)車輪各自獨(dú)立地通過(guò)懸掛裝置與車體相連，也就意味著可以各自地上下跳動(dòng)。最常見的前懸掛系統(tǒng)有雙橫臂式和麥弗遜式（滑柱擺臂式）。因?yàn)辂湼ミd式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，占用空間小，上下行程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在本設(shè)計(jì)中前懸掛系統(tǒng)選用麥弗遜式懸架。
后懸掛系統(tǒng)的種類相對(duì)比前懸架要多，原因是驅(qū)動(dòng)方式的不同決定著后車軸的有無(wú)，也與車身重量有關(guān)。主要應(yīng)用方式有連桿式和擺臂式兩種。因?yàn)檫B桿式懸架與車軸形成一體，彈簧下方質(zhì)量大，且左右車輪不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，所以顛簸路面對(duì)車身產(chǎn)生的沖擊能量比較大，平順性差。而擺臂式則是僅車軸中間差速器固定，左右半軸在差速器與車輪之間設(shè)萬(wàn)向節(jié)，并以其為中心擺動(dòng)，車輪與車架之間用Y型下擺臂連接。所以，在此后懸掛系統(tǒng)選用擺臂式懸掛系統(tǒng)。
由于在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)理論中，汽車的質(zhì)量分配系數(shù)通常在0.8～1.2之間，而更多的設(shè)計(jì)中都取=1。所以,本文中取=1。汽車的前軸和后軸他們之間的振動(dòng)是沒(méi)有聯(lián)系是，而汽車四個(gè)車輪的振動(dòng)也是相對(duì)獨(dú)立的，即他們之間互不影響。把汽車以質(zhì)心分為前后兩部分，用下標(biāo)1表示前懸掛，2表示后懸掛；同理下標(biāo)11表示左前輪，12表示右前輪，21表示左后輪，22表示右后輪。則，前后振動(dòng)頻率為：
n1=12πk1m1=12πg(shù)fc1 （2-2）
n2=12πk2m2=12πg(shù)fc2 （2-3）
式中： ——前懸掛剛度；
——后懸掛剛度；
——汽車前半部分質(zhì)量；
——汽車后半部分質(zhì)量；
fc1——前懸掛的撓度；
fc2——后懸掛的撓度；
g——重力加速度，取g=9.81m/s2。
理論研究與經(jīng)驗(yàn)證明，汽車前后懸架與其簧載質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一。具有良好的行駛平順性的汽車，其前后懸掛系統(tǒng)的固有頻率都比較低。對(duì)普通級(jí)以下轎車滿載的情況，前懸架偏頻要求在1.00～1.45Hz，后懸架則要求在1.17～1.58Hz。原則上轎車的級(jí)別越高，懸架的偏頻越小。對(duì)高級(jí)轎車滿載的情況，前懸架偏頻要求在0.80～1.15Hz，后懸架則要求在0.98～1.30Hz。貨車滿載時(shí)，前懸架偏頻要求在1.50～2.10Hz，而后懸架則要求在1.70～2.17Hz。而現(xiàn)代轎車的振動(dòng)頻率還有繼續(xù)降低的趨勢(shì)。采用低頻率的原因是為了減小車身振動(dòng)加速度和改善車輪在路面上的附著性。表2-1列出了各種車型的懸掛系統(tǒng)的固有頻率、靜撓度和動(dòng)撓度的常用范圍。
由已知條件可知，凌志LS460汽車的整備質(zhì)量為1925 kg～2045 kg，不妨取汽車質(zhì)量為2000kg，因此應(yīng)選擇比較小的固有頻率，查表（2-1），先取前懸掛系統(tǒng)的固有頻率為n1=0.95 Hz，同時(shí)為了提高汽車整體的平順性，應(yīng)該使前后懸掛系統(tǒng)的固有頻率n1、n2接近，同時(shí)前后懸掛系統(tǒng)的靜撓度f(wàn)c1、fc2也應(yīng)該接近一些。
表2-1 懸掛系統(tǒng)的固有頻率和靜撓度以及動(dòng)撓度的常用范圍表
車型
n/Hz
/cm
/cm
貨車
1.5～2.2
5～11
6～9
轎車
0.9～1.6
10～30
7～9
大客車
1.3～1.8
7～15
5～8
越野車
1.4～2.0
6～13
7～13
下面對(duì)前后懸掛系統(tǒng)的固有頻率、靜撓度進(jìn)行計(jì)算：
m1=m2=m2=20002=1000 kg
將數(shù)據(jù)代入式（2-2），得
0.95=12πk11000
那么
k1=4π2×0.952×103=3.563 ×104N/m
又由fc1=m1/k1，代入數(shù)據(jù)得
fc1=1000kg×9.81m/s23.563×104N/m=0.275 m
即
fc1=27.5 cm
對(duì)比表2-1，10<27.5<30,符合轎車靜撓度的取值范圍。
前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，汽車前后懸掛系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)該比較接近，一般取fc1=(0.8～0.9）fc2，這里取
fc2=0.9fc1=0.9×27.5 cm=24.78cm，
也符合轎車靜撓度的取值范圍。
同理，把這些數(shù)據(jù)代入式（2-3），整理得：
k2=m2gfc2=1000kg×9.81m/s20.2478m=3.959×104N/m
則后懸掛系統(tǒng)的固有頻率為：
n2=12πk2m2=12π3.959×104N/m1000kg≈1.0Hz
綜上，比較計(jì)算所得數(shù)據(jù)，前后懸架的參數(shù)比較接近，且滿足轎車常用值要求，各參數(shù)取值總結(jié)如下：
前懸架
n1=0.95 Hz； fc1=27.5 cm； k1=3.563×104N/m
后懸架
n2=1.0Hz；fc2=24.78cm；k2=3.959×104N/m
前懸架固有頻率（角頻率）
ωn1=2πn1=2π×0.95=5.969rad/s
后懸架固有頻率（角頻率）
ωn2=2πn2=2π×1.0=6.283rad/s
激勵(lì)頻率
ω=20rad/s
根據(jù)隔振理論，無(wú)論阻尼大小，僅當(dāng)頻率比ωωn>2時(shí)才有隔振效果，在實(shí)際應(yīng)用中ωωn一般取2.5～5.0之間已足夠。而前懸架
ωωn1=205.969=3.35>2
后懸架
ωωn2=206.283=3.183>2
，
都在要求范圍內(nèi)，證明參數(shù)設(shè)計(jì)合理。
2.2.4全主動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算
下圖（2-4）是全主動(dòng)懸掛