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第六章 车辆悬架的控制技术
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第六章 车辆悬架的控制技术
悬架系统概述
一、悬架的作用
悬架是现代汽车重要总成之一,它是车架(或车身)与车桥(或车轮)之间弹性连接的机构,一般由弹性元件、导向机构和减振器三部分组成,轿车的悬架还多装有横向稳定杆。弹性元件用来承受并支撑垂直载荷,缓和由不平路面引起的对车身的冲击。导向机构用来传递车轮和车身之间的一切力和力矩,并确定车轮相对车身的运动规律。减振器则用以衰减、限制由冲击载荷引起的车身振动。横向稳定杆的作用是提高车身的侧倾刚度并使汽车具有不足转向特性,以改善汽车的操纵稳定性,保证汽车正常行驶。
悬架系统对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、通过性、安全性等多种性能都有很大影响,因此悬架系统一直是汽车设计、研究人员非常关注的问题之一。
二、被动悬架、主动悬架、半主动悬架及其特点
按悬架的工作原理不同,从控制力的角度来看,悬架可分为被动悬架(Passive Suspension)、主动悬架(Active Suspension)及半主动悬架(Semi-active Suspension)。下面对这三种悬架的特点作一些分析。
(一)被动悬架
被动悬架内无能源供给装置,其弹性和阻尼系数不会随外部状态而变化。图6-1是汽车上采用的几种典型的被动悬架,尽管各种悬架的结构不同,但研究来自不平路面的激励引起车体的垂直振动都可用图6-2所示的1/4车辆力学模型表示。
考虑到轮胎的弹性、阻尼特性对选用的轮胎来说是确定的,且固有频率远高于车体簧载质量的固有频率。为了分析被动悬架的簧载质量、悬架的刚度及阻尼系数对振动传递特性的影响,可把图6-2所示的力学模型进一步简化如图6-3。
以车体的静平衡位置作为原点,由系统动力学,可写出图6-3所示系统的运动微分方程为
(6-1)
式中, 为1/4车体质量;为车体的垂直位移;为路面的垂直位移;为悬架的阻尼系数;为悬架的刚度系数。
对式(6-1)进行付氏变换,并由此得频响函数
(6-2)
式(6-2)的模为幅频特性,即
(6-3)
式中,为频率比,为悬架固有圆频率,为悬架阻尼比。
图6-2 1/4车体被动悬架模型 图6-3 1/4车体被动悬架简化模型
对被动悬架,与在工作时是一定的,仅有汽车车体的质量因载人或载货不同是变化的。特别是货车,空载和满载时车体质量相差较大。当与恒定,由和可知,悬架的固有振动频率及阻尼比都随汽车的质量发生变化。
汽车在空载、部分载荷及满载时悬架对路面激励的幅频特性如图6-4。可见,汽车在空载行驶,由车轴到车体传递振动的频带宽,悬架的缓冲隔振效果差。为了改善因汽车载质量变化对悬架隔振缓冲性能的影响,汽车设计人员采用非线性悬架以降低汽车载质量变化对悬架传递振动特性的影响。由可以推出,要保持不随汽车质量而变,只要悬架刚度满足条件:
图6-4 车体载质量变化对幅频特性的影响 (6-4)
图6-4 车体载质量变化
对幅频特性的影响
式中 为一常数。可见要维持恒定,就需要弹性
元件的刚度应与簧载质量成正比。
由图6-5可以求得,当弹性元件的特性曲线满足条件
(6-5)
时,即可满足条件式(6-4)。求解微分方程(6-5)得弹性元件特性曲线
(6-6)
式中,;表示车体平均质量;为相对参考点的静挠度(以车体平均质量对应的稳态工作点为参考点);为悬架载质量;为悬架在参考点的刚度。
只要悬架的弹性元件具有式(6-6)的特性,它可使悬架的固有频率不会因车体质量的变化而变化。但在悬架上实现如此特性曲线有一定的困难,即便可以实现这一特性曲线,在实际应用时也存在以下问题:
(1)由于车体质量变化,将导致悬架的静态工作点变化很大。如当汽车空载或满载时,悬架的静态工作点将处在弹性元件的两端,结果使车体的高度变化较大(参看图6-5中的工作点A、B)。
(2)当动载使悬架的负荷减少时,由于悬架刚度按指数规律降低,它将导致较大的单边动挠度。
图6-5 变刚度特性曲线() 图6-6 阻尼比对幅频特性的影响
从上述分析可见,为了使
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