汽车主动悬架毕业论文.docx
《汽车主动悬架毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车主动悬架毕业论文.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
汽车主动悬架毕业论文
摘要
为了满足现代汽车悬架提出的各种性能要求,悬架的结构形式一直在不断地更新和完善,尽管这样,传统的被动悬架仍然受到很多限制,主要是难于同时改善在不平路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性,即使采用优化设计也只能保证悬架在特定的激励发生变化后,悬架的性能亦随之发生变化,为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制,近年来,汽车工业中相继出现了性能更加优越的主动悬架和半主动悬架。
关键词：
汽车主动悬架半主动悬架生产发展方向
Abstract
Inordertosatisfythemodernautomobilesuspendedframeoftheproposedallsortsofperformancerequirements,suspensionstructureformhasbeeninconstantupdatesandperfect,despitethis,traditionalpassivesuspensionstillsubjecttomanyrestrictions,mainlyisdifficulttoimprovingtheunevenpavementonthestabilityofthevehicleandtheartof,evenifadoptingtheoptimizationdesignalsoonlyguaranteethesuspensioninparticularincentivechange,suspensionperformancealsochange,inordertoovercomethetraditionalpassivesuspensionforcarperformanceimprovementthelimit,inrecentyears,theautoindustryinsuccessioninappearedmoresuperiorperformanceactivesuspensionandsemi-activesuspension
Keywords:
caractivesuspensionsemi-activesuspensionproductionanddevelopmentdirection
摘要1
Abstract2
前言4
1汽车悬架概述5
1.1汽车悬架功用5
1.2悬架系统的性能要求6
2汽车电子控制悬架系统7
2.1汽车电子控制系统的基本内容7
2.2汽车电子控制悬架概述8
3主动悬架系统概论9
3.1主动悬架系统组成9
3.2主动悬架系统的类型及原理10
3.3主动悬架的优缺点12
3.4主动悬挂技术应用发展状况及趋势13
3.5主动悬架的电控系统及控制策略15
3.5.1预见控制方法16
3.5.2自适应控制16
3.5.3鲁棒控制17
3.5.4变结构控制17
3.5.5模糊控制17
4主动悬架系统对汽车制动性能改善分析18
4.1问题的提出18
4.2模型的建立19
4.3控制器的建立19
4.4模拟分析19
结语22
致谢23
参考文献24
前言
振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性以及汽车零部件疲劳寿命的重要因素。
剧烈的振动会影响汽车的行驶速度，并随之产生环境噪音污染。
随着现代汽车队乘坐舒适性和安全性的要求越来越高，设计一个具有良好综合性能的悬架成为现代汽车研究的一个重要课题。
随着车辆参数及行驶工况的变化，对悬架系统性能的要求是不同的：
一方面，为提高悬架系统的行驶平顺性，希望悬架系统的刚度较小，而采用较软的悬架；另一方面，为了提高车辆的行驶安全性和方向的控制，则要求悬架系统的阻尼和刚度都比较大，需要采用较硬的悬架以减少车轮与车身件的相对行程，获得良好的路面附着于支撑。
传统的被动式悬架系统的弹性元件的阻尼元件的刚度值和阻尼值是固定的，在汽车行驶过程中无法随着路面状况、载荷和车速等因素的变化而变化。
目前，被动悬架系统的潜力已经接近极限，所以有必要设计一种不同于被动悬架系统的新型悬架系统，它可以随汽车行驶状况而自适应的改变其阻尼和刚度参数，具有优良的减震性和操纵稳定性。
近年来，由于计算机技术和各种新型控制方法的迅速发展，使人们对各种振动和噪音的控制水平不断提高，为从本质上改善汽车悬架系统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，智能悬架系统应运而生，即基于电子控制的智能悬架系统——主动悬架系统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、人工神经网络等智能控制的研究，不仅在理论上取得了令人瞩目的成绩，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。
1汽车悬架概述
1.1汽车悬架功用
悬架是车架（或承载式车身）与车轮之间所有传力连接零件的总称。
传统的被动悬架包括弹性元件、减振装置、导向机构和横向稳定器。
现代的半主动悬架及主动悬架在被动悬架的基础上增加了传感器控制计算机和执行元件。
但无论哪种悬架其基本功能均为：
（1）支撑车身或车体；
（2）将路面作用于车轮上的各种力以及力矩传递给车架，从而保证车辆的正常行驶；
（3）通过弹性元件的缓和冲击作用、减振装置的衰减振动作用以及导向机构对车身和车轮运动轨迹的限制作用，使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。
实际车辆行驶在多变的环境里，即路况（路面不平度等级）、车速以及工况（加速、制动、转向、直线行驶）经常要发生变化，例如：
汽车在急速起步或急速加速时会产生所谓的“加速后仰”现象；汽车高速行驶紧急制动时，会产生所谓的“制动点头”现象；汽车在急转弯行驶时会产生所谓的“转向侧倾”现象。
上述情况会对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性产生不利的影响。
被动悬架由于其结构特点很难保证汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性同时达到最佳。
因此，为解决这一问题，产生了根据工况要求保证汽车的性能达到最佳的电控悬架。
电控悬架采用传感器技术、控制技术和机电液一体化技术，对汽车的行使工况进行监测，由控制计算机根据一定的控制逻辑产生控制指令，控制执行元件产生动作，保证汽车具有良好的行驶性能。
1.2悬架系统的性能要求
车辆动力学模型是进行性能分析和系统设计的基础，下图说明了与车辆行驶动力学有关的重要性能特性。
在有限的悬架工作空间内，设计师必须为驾驶员和乘客提供良好的乘坐舒适性、可接受的车身姿态、以及对车轮动载荷的合理控制。
综合悬架的基本功能和行使动力学的主要性能指标我们大体可以得出对理想悬架的设计期望是：
（1）车辆在不同路面（包括不同的车速、路面不平度情况）上直线行驶时能够使车身及车轮的振动减少至最低水平，为乘员提供最好的乘坐舒适性（即所指的平顺性）；
（2）从行驶安全性和操纵稳定性方面考虑，应该能够最大限度的减小轮胎的动载荷以保证良好的轮胎接地性；
（3）悬架的动行程要控制在允许的范围内，以尽量保证不发生限位块撞击所引起的对人和货物的冲击；
（4）从舒适性和稳定性考虑保证良好的车身姿态；
（5）此外，还需考虑再结合其它控制系统的情况下的车辆总体性能的要求，如结合自动防抱死系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和四轮转向系统（4WS）等在不同车辆工况下（如启动、制动、转弯时），仍需保证对车身的方向控制和姿态控制，或根据需要提供各轮胎的载荷分布，同时提供良好的乘坐舒适性。
以上要求在车辆参数变化时也同样需要保证（如车身载荷或轮胎垂直刚度在一定范围内变化）。
但是对这样的理想悬架设计期望似乎过于苛求。
而实际上在通常的悬架设计中，上述各项要求及性能之间存在着冲突与矛盾。
比如在一个低刚度的软悬架能获得较好的乘坐舒适性，但同时需要较大的悬架空间又带来较差的车身姿态控制；而为了保证较好的操纵稳定性，使车辆在转弯、起动和刹车时车体的点头、后坐较小，又要求车辆具有较“硬”的特点。
在实际中，车辆行驶在一个多变的环境中，可能包括不同的路面输入（如不同的车速和路面不平度），不同的车辆工况（如车辆在加速、制动、转弯时等工作情况），而且车辆参数本身也可能发生变化（如随乘员和货物的多少而改变的车身质量，以及随车速和温度、胎质而改变的轮胎刚度等）。
因此，悬架设计师要对以上变化因素给予充分考虑。
多年来，车辆工程师们正是通过反复不断的探索，使其设计性能尽量体现对以上各因素合理的折中，以及对不同性能的要求及侧重，以实现尽可能的综合。
2汽车电子控制悬架系统
2.1汽车电子控制系统的基本内容
汽车电子控制系统的研究目的应该从系统工程的观点出发，以数学和工程方法为工具，综合应用汽车和微电子技术以及自动化控制理论，使三者有机结合，实现汽车电子控制的最优化。
汽车电子控制系统的基本研究内容有：
（1）对汽车的各分系统建立模型，然后利用模型分析系统，最后确定各分系统的控制目标。
（2）根据分系统的控制目标，应用自动控制理论，选择最佳控制方式。
（3）协调各分系统的关系，实现综合控制，从而保证汽车总体性能水平。
（4）研究汽车与驾驶员和环境的关系，探讨人—车—环境系统控制规律。
（5）围绕分系统的控制目标，实现各组成部分的有机结合。
（6）对汽车计算机控制系统结构和要素进行分析，论述系统的最优化途径。
（7）讨论汽车电子控制系统的可靠性问题。
（8）研究汽车计算机控制系统的设计，包括硬件和软件两部分。
2.2汽车电子控制悬架概述
悬架是车身与车轮之间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，当汽车转向时，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和安全性。
根据现代汽车对悬架系统的各种性能要求，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，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。
如果按照控制力进行分类，则可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型，三种悬架的简化模型如图1-1所示。
其中：
1—传感器、2—可调减振器、3—执行器。
（a）被动悬架（b）主动悬架（c）半主动悬架
图1-1三种悬架系统简化模型
①被动悬架：
被动悬架系统的概念是在1934年由OLLEY提出的。
它通常是指结构上只包含弹簧和阻尼器（减震器）的系统。
简化模型如图1—1（a）所示，其中，其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，而减振器主要用于控制响应特征。
被动悬架系统虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但因为其参数固定，所以具有较大的局限性。
主要表现在悬架参数固定，不能随路况改变而变化，只能针对某种特定工况进行参数优化设计，而且悬架元件仅对局部的相对运动做出响应，因而限制了悬架参数的取值范围。
②半主动悬架：
半主动悬架的研究工作始于1973年，由D.A.Crosby和D.C.Kamopp首先提出。
半主动悬架系统的简化模型如图1—1（c）所示。
半主动悬架系统由可变特性的弹簧和减振器组成，因仅需要少量的能量输入也被称为无源主动悬架，虽然不能随外界的输入进行最优控制，但它可以按照存储在电脑中的各工况下悬架最优参数指令来调节刚度和阻尼大小。
改变悬架阻尼特性较改变刚度容易，所以可变阻尼半主动悬架系统最为常见。
随着新型智能材料的应用，半主动悬架越来越受到人们的重视。
③主动悬架：
主动悬架是近十几年发展起来的，最初装置是由AP公司基于气液悬架（液压式和空气式）发展的一种机械系统。
主动控制悬架简化模型如图1—1（b）所示，主动悬架通常包括三部分：
传感器、控制器及执行机构，并由它们与汽车系统组成闭环控制系统。
其中控制器是整个系统的信息处理和管理中心，他接受来自各个传感器的信号，依照特定的数据处理方法和控制规律，决定并控制执行机构的动作，从而达到改变车身的运动状态。
满足隔振减振的目的。
主动悬架是由电脑控制的一种新型悬架，需具备三个条件：
（1）具有能够产生作用力的动力源；
（2）执行元件能够传递这种作用力并能连续工作；（3）具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。
主动悬架一般采用闭环控制。
所谓闭环控制就是说输出量反过来又对系统的控制作用有直接影响的控制，也就是说对弹簧刚度和减振器阻尼的控制结果，还必须有反馈系统把信息传递给电脑，再有电脑进行分析和修正，以达到最佳的控制效果。
3主动悬架系统概论
3.1主动悬架系统组成
主动悬架系统是可以自行产生的悬架。
主动悬架电子控制系统基本组成如图2—1所示。
图2-1主动控制悬架电子控制系统图
（1）传感器。
电子控制悬架系统传感器将汽车行驶的路面状况和车速，以及启动、加速、转向、制动等工况变为电信号，输出给电子控制器。
该系统所使用的传感器见表3-1
（2）控制器。
控制器将传感器送入的电信号进行综合的处理，输出对悬架的刚度\和阻尼及车身高度等进行调节的控制信号。
它以一般由微机和信号输出放大电路组成。
（3）执行机构。
执行机构按照电子控制器的控制信号，准确地动作，及时地调节悬架的刚度和阻尼系数及车身的高度，通常所用的执行元件是电磁阀和步进电机及空气压缩机等。
3.2主动悬架系统的类型及原理
主动悬架系统根据不同的分类方法可将其分为不同类型。
主动悬架系统按控制方式可分为机械控制悬架系统和电子控制悬架系统。
机械控制悬架最早出现，它主要是通过高度控制阀来调节油气弹簧中的油压，进而调节刚度。
虽然结构较简单，成本较低，但其控制功能少，精度低，且不能适应多种工况。
近年来随着各种传感器的广泛使用、ECU可靠性的提高及控制策略的完善，主动悬架逐渐进入电子控制时代。
其信息输入量更丰富，功能更丰富且控制精确，但其结构及控制策略复杂，成本高。
主动悬架系统按执行元件的频率带宽度可分为宽带宽悬架和窄带宽悬架。
宽带宽悬架也称全主动悬架，其执行元件的响应频率要超过车轮刚度对应的频率（约为10HZ），频宽越高，控制效果越好，但越难实现，且成本、质量和消耗的能量都会增加；窄带宽悬架也称慢主动悬架，可以将执行元件频响带宽降至只考虑车身姿态振动及转向反应，带宽可降至3到4HZ。
在大多数实际运行工况下，其性能都可以与主动悬架媲美，而在经济性方面则有明显的优势。
主动悬架系统按控制介质主要可分为主动空气悬架、主动油气悬架、主动液力悬架等。
主动空气悬架工作原理：
用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送给弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。
通过汽车电脑和驾驶员模式的选择来控制空气弹簧气囊的充气量，进而能控制车身的高度及阻尼的大小。
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。
在减振器内设有电动机，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。
其工作原理图见图3-2
图3-2主动空气悬架系统的工作原理图
主动油气悬架工作原理：
调节空气体积实现刚度特性，通过改变油液管路中的节流孔的数量完成阻尼特性调节。
工作原理图见3-3。
图3-3主动油气悬架系统的工作原理图
主动液力悬架工作原理：
电子控制的主动式液压悬架能根据悬架的质量和加速度等，利用液压部件主动地控制汽车的振动。
在汽车重心附近安装有纵向、横向加速度和横摆陀螺仪传感器，用来采集车身振动、车轮跳动、车身高度和倾斜状态等信号，这些信号被输入到控制单元ECU,ECU根据输入信号和预先设定的程序发出控制指令，控制伺服电机并操纵前后四个执行油缸工作。
3.3主动悬架的优缺点
主动悬架的主要优点如下：
1）乘坐舒适性控制。
被动悬架设计是对各个性能的折中，而主动悬架则不必在稳态直行时对乘坐舒适性折中，可在操作性能不降低的情况下调整悬挂系统的参数获得更好的乘坐舒适性，也可基于特定的驾驶风格进行调整。
2）车高的控制。
载荷变化时保持车高不变，保持车轮全行程跳动，消除在非设计行驶高度下引起的操纵性变化现象。
同时解决了被动悬架针对载荷变化通常将刚度设计偏高而造成舒适性损失的问题。
在粗糙路面上增加离地间隙提高通过性，高速行驶时适当减少离地间隙以减少阻力，同时降低重心便于提高操控性和舒适性。
3）侧倾及纵摆的控制。
转向时的车身侧倾、加速、制动时车身的纵摆都可以通过调整有关车轮的悬架参数来解决，提高了舒适性，同时消除或减少了由于车身运动而带来了车轮定位参数的变化和制动跑偏等问题。
提高了操纵性，也减轻了对转向传动机构、悬架杆系设计时的过高要求。
4）接地性。
通过调节悬架系统参数可降低车轮动载波动，提高附着效果，有利于操控性。
同时也减轻了轮胎的磨损。
缺点方面,主动悬架系统结构及控制策略复杂。
其硬件要求高、耗能大、成本高，且采用主动悬架会增加整车重量，其给整车空间布置也带来了一定的困难，这些都对目前限制主动悬架普及的原因。
3.4主动悬挂技术应用发展状况及趋势
1954年，通用公司的FederspielLacrosse教授首次提出主动悬架的概念。
1955年作为较早开始研发主动悬架的公司之一，法国雪铁龙研发了一种纯机械式的油气主动悬架系统，但是它的制造工艺过于复杂，最终未能普及。
1995年Obsen和Allen在主动悬架系统上尝试采用惯性来测量加速度和驱动液压阀。
进入80年代后，随着电子技术的广泛应用，使得主动悬架系统得以真正实现。
1982年美国Lotus公司研制了有源主动悬架，并在Vovlo740汽车上进行试用。
1984年美国Lotus公司发明了主动悬架专利，且应用于赛车。
1986年日本丰田soarer车型上采用可以对阻尼刚度三级可调的主动空气悬架系统。
1989年丰田Celica车型上装备了真正意义的油气弹簧主动悬架系统。
1991年日本NISSAN在无限Q45车型上装备来了全主动油气弹簧悬架。
近年来保时捷、奔驰、宝马、福特、奥迪等汽车公司也都纷纷在其高级轿车上装备了各自开发的主动悬架系统。
表3.4列出了部分车型的主动悬挂系统。
表3.4部分车型的主动悬挂系统
公司
车型
主动悬架类型及特点
PSA
雪铁龙C5
主动油气悬挂，车高4级可调，二级阻尼设定并与刚度调节一起实现“舒适”与“运动”两种工作模式
奔驰
S级
主动空气悬架，配备双功能空气悬挂系统（AirmailDC），综合调节刚度，阻尼和车高等参数
奥迪
A8
主动空气悬架，配备自适应空气悬架系统（AAS）
宝马
7系
主动空气悬架（带液压马达控制防侧倾杆系统）。
配备保时捷主动悬架管理系统和主动式动态驾驶系统
同时主动悬架在军用车辆上的研究及应用也是从很早时候就开始了，英国早在70年代就开始在“蝎”使轻型坦克上实验了液力机械主动悬架系统。
2005年底美国L—3公司牵头研发生产的电控主动式悬架系统（ECASS）开始在“悍马”上进行试验。
目前主动悬架研发的重点和难点主要是执行器和控制策略。
其主要方向也必然是围绕上述两部分技术寻求突破，具体如下：
1）随着电子技术及智能材料的出现，全新的性能更好的执行器不断出现，比如直线伺服电机、电磁蓄能器，带液压马达控制防侧倾杆系统都是研发热点。
2）针对目前执行器本身的缺点，如果能在执行器的响应速度、能耗、重量及体积、成本及集成度等一项或多项上能有较大提高，都将大大利于主动悬架的普及。
3）关于非线性段控制算法和提高算法鲁棒稳定性的研究。
解决这些问题可以从多方面下手，一是继续研究新的控制算法；二是寻找多种控制算法的复合办法。
毕竟单一的算法都要其自身的局限性。
如基于LQG的模糊逻辑控制算法等。
三是针对模型的不确定性问题，如果能克服及利用“抖振”现象和利用其极限刚度，滑模控制可能是一个较好的方法。
4）底盘各主动控制系统的联合控制。
车辆各系统之间，车辆各性能之间都存在着相互影响和相互制约，通过对发动机、制动、转向、悬架等各系统和相关性能进行综合控制，可防止各单独控制键的相互干扰，满足汽车所有系统性能最优而不是单一性能最优化。
同时联合控制还可以共享和集成传感器、油压源、控制器。
这一年可以提高系统的可靠性，降低成本。
3.5主动悬架的电控系统及控制策略
主动悬架电控系统是典型的多输入多输出系统，如下图所示，其输入主要是当前工况的状态信息，输出主要是调节刚度、阻尼和车高的信号，具体调节方法很多，通过不同的执行元件来实现。
图3-4主动悬架电控系统示意图
无论哪种类型的主动悬架，都需要有行之有效的控制策略，进而产生确、可靠且具有鲁棒性的控制规律及算法，只有这样才能最大限度的发挥主动悬架的性能优势。
一直以来主动悬架控制理论研究都是热点，目前已经取得一些研究成果，例如天棚阻尼控制、自适应控制、最优控制、预测控制、神经网络控制、模糊控制、鲁棒控制等。
其中有些控制理论已经在量产车中应用。
这些控制方法，通过建立系统的状态方程式提出控制目标及加权系数，然后应用控制理论求解出所设目标下的最优控制方案。
与天棚阻尼器控制方式相比，现代控制方法对系统中更多的变量的影响加以考虑，因而控制效果更好。
而且，现代控制方式的应用，主要是在系统的控制软件方面做一些改善，并不增加系统的复杂性。
3.5.1预见控制方法
当遇到较大或突变的干扰时，由于系统的能量供应峰值和元件响应速度的限制，很可能无法输出所需的控制力而达不到希望的控制效果。
而预见控制，由于通过某种方法提前检测到前方道路的状态和变化，使系统有余地地采用相应的措施，有可能降低系统的能量消耗且大幅度改善系统控制性能，取得一举两得的效果。
根据预见信息的获取及利用方法的不同，可构成不同的预见控制系统，现有的研究中大致有如下两种：
1）对四轮全进行预见控制。
这种预见控制系统在车的前部设置有特制的预见传感器以测试前方道路的凹凸情况，然后将这些信息传至控制器。
控制器根据这些信息计算出控制指令。
并将相应信号送至四个轮中的每一个悬架执行机构。
从理论上讲，这种系统应该取得最为理想的控制效果，但需要设置特定的传感器。
2）利用前轮信息对后轮进行预见控制。
在这种控制方式中，两个前轮采用的仅为反馈控制，但通过前轮部分各种传感器所获得的信息，都被作为预见信息而传送至控制器。
在决定后轮的控制指令时，控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息，而且也根据当时的车速和前后轮间的跨距，并考虑前轮各传感器所获得的信息。
因此，在后轮的执行机构上，实行的是反馈加前向反馈的双作用控制。
这样，无须增设特制的预见传感器，只需对控制系统软件做些修改，便可对后轮实施预见控制，从而提高后轮的减振效果，同时就整车而言可以减少车体的摆动。
因而控制效果得以改善。
3.5.2自适应控制
悬架的自适应性表现在两个方面，首先，悬架能够针对不同的路面输入自动的在乘坐舒适性与操纵稳定性之间进行取舍，既在好路面下强调操纵稳定性，而在坏路面下则强调乘坐舒适性；其次，悬架能够针对不同的车辆参数做出反应，并自动进行调整，使控制器在新的参数配置下仍然能够达到性能的最优。
3.5.3鲁棒控制
在悬架中应用鲁棒控制是为使其在任何工况下都能够性能稳定。
悬架系统本质上属于一个非线性系统，而在控制器的设计中，往往将其简化为一个线性系统。
汽车实际运行在一个多变且相对恶劣的环境中，由于噪声的干扰、系统建模误差，车辆参数的多变性等原因，原本在理论仿真和正常条件下控制性能良
升级会员 