半主动悬架毕业论文

摘要Abstract 近年来，随着人们生活水平的提高，对汽车乘坐舒适性的要求也越来越高。汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性已经逐渐成为其在现代市场竞争中夺取优势的一项非常重要的性能指标。本文首先通过建立汽车悬架系统的七自由度整体模型图，运用结构动力学和振动知识推导出系统在正弦激励下的拉格朗日方程，并简化为振动微分方程形式，通过MATLAB编制优化程序，求出系统的复特征值和在特定参数下的响应变化图形。然后，简述现代汽车悬架系统的各种控制方法，模拟仿真出系统在不同的刚度和阻尼下输出响应的图形，通过比较分析，为半主动悬架系统的减振器的阻尼和弹性元件的刚度控制提供根据。最后，得出本文的结论。即，汽车悬架的动力响应和控制分析与刚度和阻尼的变化之间的紧密联系。 In recent years, with the improvement of people's living standard, it is higher and higher to take the requirement for comfortableness to the car. Whom car go getting smooth-going and stability that handle become their capture one important performance index very of advantage among modern market competition gradually already. This text, through setting up whole model picture of degree of freedom seven that the car hung a system at first, use structural dynamics and vibration knowledge to derive the system out to encourage Lagrangian equation under in the sine, simplify it for the vibration differential equation form, work out the procedure of optimizing through MATLAB, ask out systematic replying characteristic value and response under the particular parameter and changing the figure. Then sketch Hyundai Motor hang sets of various of system control method, simulation emulation produce system output the figure responded under different rigidity and damping, through comparative analysis,hang sets of damping and rigidity of components elastic of shock absorbers of system control offer to half voluntarily according to. Finally, draw the conclusion herein. ., the car power of hanging the shelf responds and controls the close connection between analysis and change of rigidity and damping.关键词：汽车悬架；响应；控制分析Keyword: The car hangs the shelf; Response; Control and analyze

0 前年，如果轿车安装有 ABS(防抱死制动系统)，不但说明该车的安全性能出类拔萃，而且档次也相当高级。今天，安装ABS的轿车已经相当普遍，经济型车也安装有ABS。防抱死制动系统 ABS(Anti-lock Braking System)属于汽车的主动安全系。ABS系统的配置，既可有效避免紧急制动时车轮抱死(打滑)现象的发生，同时还可以保持车辆制动过程中的平稳。 随着对汽车安全性能的要求越来越高，一些中、高档级的轿车已经不满足于ABS，还安装了ASR(驱动防滑系统，Acceleration Slip Regulation，又称牵引力控制系统)防止车辆尤其是大马力车在起步、再加速时驱动轮打滑现象，以维持车辆行驶方向的稳定性。ASR与ABS的区别在于，ABS是防止车轮在制动时被抱死而产生侧滑，而ASR则是防止汽车在加速时因驱动轮打滑而产生的侧滑，ASR是在ABS的基础上的扩充，两者相辅相成.或者 ESP(电控行驶平稳系统)，使汽车的安全性能进一步提高。ASR的作用是当汽车加速时将滑动率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定。行驶在易滑的路面上，没有 ASR 的汽车加速时驱动轮容易打滑； 如是后驱动的车辆容易甩尾， 如是前驱动的车辆容易方向失 控。有 ASR 时，汽车在加速时就不会有或能够减轻这种现象。在转弯时，如果发生驱动轮 打滑会导致整个车辆向一侧偏移，当有 ASR 时就会使车辆沿着正确的路线转向。 汽车的牵引力控制可以通过减少节气门开度来降低发动机功率或者由制动器控制车轮 打滑来达到目的，装有 ASR 的汽车综合这两种方法来工作，也就是 ABS／ASR 形式。 装有 ASR 的车上，从油门踏板到汽油机节气门(柴油机喷油泵操纵杆)之间的机械连 接被电控油门装置所取替。 当传感器将油门踏板的位置及轮速信号送至控制单元 (CPU) 时， 控制单元就会产生控制电压信号， 伺服电机依此信号重新调整节气门的位置 (或者柴油机操 纵杆的位置) ，然后将该位置信号反馈至控制单元，以便及时调整制动器。 ESP(电控行驶平稳系统，英文全称 Electronic Stabilty Program)包含 ABS 及 ASR，是 这两种系统功能上的延伸。因此，ESP 称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式。ESP 系统 由控制单元及转向传感器(监测方向盘的转向角度) 、车轮传感器(监测各个车轮的速度转 动) 、侧滑传感器(监测车体绕垂直轴线转动的状态) 、横向加速度传感器(监测汽车转弯时 的离心力)等组成。 控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令。有 ESP 与只有 ABS 及 ASR 的汽车，它们之间的差别在于 ABS 及 ASR 只能被动地作出反应， 而 ESP 则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。 ESP 对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在路滑时左拐过度转向(转弯太急)时 会产生向右侧甩尾， 传感器感觉到滑动就会迅速制动右前轮使其恢复附着力， 产生一种相反 的转矩而使汽车 保持在原来的车道上。当然，任何事物都有一个度的范围，如果驾车者盲 目开快车，现在的任何安全装置都难以保证其安全。据汽车工程界专家介绍，将来 ASR 等将变得如同 ABS 一样普及，因为 ABS、ASR 及 ESP 包含着技术及性能上的贯通。有专家认为在一定的范围内 ASR 等装置有取替 4 轮驱动的可能。例如轿车，过去人们认为提高轿车行驶性能最好是采用 4 轮驱动，可是与 4 轮驱动 相比，ASR 等装置更适合轿车。这是因为 4 轮驱动结构复杂成本高，增加车重而且耗油， 而 ASR 等装置结构简单安装方便，在一般城镇道路上使用效果并不差。 ABS／ASR／VDC 系统 ABS／ASR 系统成功地解决了汽车在制动和驱动时的方向稳定性问题，但不能解 决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。 例如当汽车转向行驶时， 不可避免地受到侧向和纵向 力的作用，只有当地面能够提供充分的侧向和纵向力时，驾驶员才能控制住车辆。如果地面 侧向附着能力比较低，就会损害汽车按预定方向行驶的能力。雨天汽车高速转向行驶时，常 常侧向滑出，就是地面侧向附着能力不足的缘故。为解决此问题，最近汽车工业发达国家又 在 ABS／ASR 系统的基础上发展成汽车动态控制系统(英文名称为 Vehicle Dynamics Control，简称 VDC)。这个系统把汽车的制动、驱动、悬架、转向、发动机等各主要总成的控制系统在功能上、 结构上有机的综合在一起，可使汽车在各种恶劣工况下， 如冰雪路面上、 对开路面上、弯道路面上以及采取规避动作移线、制动、加速和下坡等工况行驶时，对不同承载、 不同轮胎气压和不同程度的轮胎磨损都有良好的方向稳定性，表现出最佳的行驶性能。 VDC 的应用，在制动、加速和转向方面完全解脱对驾驶员的高要求，在汽车的主动安全行驶方面竖立了一个新的里程碑。VDC 系统对转向行驶的控制主要是借助于对各个车轮的制动控制和发动机功率输出控 制来实现的。例如汽车左转弯时，若前轮因转向能力不足而趋于滑出弯道，VDC 系统即可 测知侧滑即将发生，就采取适当制动左后轮的办法。左后轮产生的制动力可帮助汽车转向， 使汽车继续按照理想的路线行驶。若在同一弯道上，因后轮趋于侧向滑出 而转向过多，VDC 系统即采取适当制动右前轮的办法，维持车辆的稳定行驶。在极端情况 下，VDC 系统还可采取降低发动机功率输出的办法降低行驶车速，减少对地面侧向附着能 力的需求来维持车辆的稳定行驶。采用 VDC 系统后，汽车在对开路面上或弯道路面上的制 动距离还可进一步缩短。VDC 系统主要应用了下述传感器：车轮转速传感器，用来跟踪每一车轮的运动状态； 方向盘转角传感器，用来传感方向盘的转角； 横摆角速度传感器，用来记录汽车绕垂直轴线转动的所有运动； 侧向加速度传感器，用来检测转向行驶时离心力的大小； 车轮位移传感器，用来测量车轮和车身相对位置的变化。 这些传感器的核心部分是横摆角速度传感器， 这是因为汽车的横摆角速度和方向盘 转角的比值是反应汽车转向行驶品质的一个重要参数。位移传感器的信号传给电子控制装置，用来控制半主动悬架，改善汽车的接地性能。其它传感器则把汽车每一瞬时的运动状态 的信息传给电子控制装置，使之与理想的运动状态相比较，一旦汽车偏离了理想的路线，它就会在极短的时间内采取纠正措施， 给制动控制系统或发动机控制系统发出相应的指令， 维持汽车在理想的路线上行驶电子制动力分配系统(EBD) EBD 能够根据由于汽车制动时产生轴荷转移的不同，而自动调节前、后轴的制动 力分配比例，提高制动效能，并配合 ABS 提高制动稳定性。汽车在制动时，四只轮胎附着 的地面条件往往不一样。比如，有时左前轮和右后轮附着在干燥的水泥地面上，而右前轮和 左后轮却附着在水中或泥水中， 这种情况会导致在汽车制动时四只轮子与地面的摩擦力不一 样，制动时容易造成打滑、倾斜和车辆侧翻事故。EBD 用高速计算机在汽车制动的瞬间， 分别对四只轮胎附着的不同地面进行感应、计算，得出不同的摩擦力数值，使四只轮胎的制 动装置根据不同的情况用不同的方式和力量制动， 并在运动中不断高速调整， 从而保证车辆 的平稳、安全。 安全气囊(SRS) 安全气囊是现代轿车上引人注目的高技术装置。安装了安全气囊装置的轿车方向 盘，平常与普通方向盘没有什么区别，但一旦车前端发生了强烈的碰撞，安全气囊就会瞬间 从方向盘内“蹦”出来，垫在方向盘与驾驶者之间，防止驾驶者的头部和胸部撞击到方向盘 或仪表板等硬物上。安全气囊面世以来，已经挽救了许多人的性命。研究表明，有气囊装置的轿车发生正面撞车，驾驶者的死亡率，大轿车降低了 30%，中型轿车降低 11%，小型轿 车降低 14%。安全气囊主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀，气囊容量约在(50-90)L。同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体， 避免将乘客挤压受伤。安全气囊所用的气体多是氮气或一氧化碳。 除了驾驶员侧有安全气囊外，有些轿车前排也安装了乘客用的安全气囊(即双安全气囊规格)，乘客用的与驾车者用的相似，只是气囊的体积要大些，所需的气体也多一些而已。另外，有些轿车还在座位侧面靠门一侧安装了侧面安全气囊。

从控制力的角度划分，悬架可分为被动悬架，半主动悬架和主动悬架。目前，大多数汽车的悬架系统装有弹簧和减振器，悬架系统内无能源供给装置，其弹性和阻尼不能随外部工况变化，因此称这种悬架是被动悬架。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。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。一.主动式液压悬架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。主动式液压悬架在轿车上的布置如图所示，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。二.主动式空气悬架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；1车高的控制；分标准、升高和只升高后轮三种工作状态；2减震器的衰减力控制分低、中、高三档；3空气弹簧的弹性系数分软、硬两档。空气悬架电子控制系统的工作原理；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。具体说来，在汽车仪表板上有空气悬架系统的开关，利用开关可以形成6种不同的工作方式。图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。

半主动悬架的研究工作始于1973年，由D．A．克罗斯贝和D．C．卡诺普首先提出。半主动悬架由可变特性的弹簧和减振器组成。半主动悬架的基本工作原理是：用可调弹簧或可调整减振器组成悬架，并根据簧上质量的速度响应、加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律，调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动悬架主要是通过电磁阀控制可调阻尼减振器。可调阻尼减振器由具有不同节流孔的转阀得到舒适（软）、正常（中）、运动（硬）三个等级的阻尼。起步、制动、急转弯和高速选择运动（硬）以保证良好的操纵稳定性，低速选择舒适（软）以获得良好的平顺性，中速选择正常（中）兼顾平顺性与操纵稳定性。通过改变弹簧刚度以减振的半主动悬架由哈伯德等人于1976年提出，弹簧刚度的改变是通过切换空气弹簧实现的。刚度可调的空气弹簧具有副气室的空气弹簧，由刚度控制阀改变主、副气室的通道面积，得到软、中、硬不同的刚度，其控制与可调阻尼半主动悬架有类似之处。