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汽车半主动悬架控制方法研究
第一章、绪论
引言
为减少汽车振动,除了要改善路面质量,减少振动的来源外,还要要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振一般有三个环节,即轮胎、悬架和座椅,其中,起重要作用的是由弹性元件和阻尼元件构成的车辆悬架系统。汽车悬架是车身和车轮之间的一切传力连接装置的总称。悬架是汽车上的重要总成之一,它把车身和车弹性地连接在一起,一般由弹性元件、减振器和导向元件组成。在汽车行驶过程中,悬架的作用是弹性地连接车桥和车架,减缓行驶中车辆受到由路面不平引起的冲击力,保证乘坐舒适和货物完好,迅速衰减由于弹性系统引起的振动,传递垂直、纵向、侧向反力及其力矩,并起导向作用,使车轮按一定轨迹相对车身运动。悬架决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性,是现代汽车十分重要的部件之一,设计优良的悬架对提高汽车质量有着重要的意义。评价一个悬架系统性能的好坏,不论主动悬架还是被动悬架,要求它能动态地改变阻尼力,尽可能地减弱通过悬架传递到车体上的路面信号的大小。自汽车诞生一百多年以来,为改善汽车的使用性能,其机械结构一直处在不断发展和完善过程。在经历近半个世纪的发展后,再只靠改变传统的机械结构和有关参数来提高汽车悬架的性能已是非常有限。因此能根据不同的车况和路况而具有不同的性能,使悬架的安全性和平顺性之间的矛盾得到很大的改善的主动、半主动悬架得以快速发展。近年来电子技术特别是计算机技术的飞快发展给汽车工业的发展也提供了扩展传统悬架功能的可能性。
汽车悬架发展概述
在马车出现的时候,为了乘坐更舒适,人类就开始对马车的悬架—叶片弹簧进行孜孜不倦的探索。在1776年,马车用的叶片弹簧取得了专利,并且一直使
用到20世纪30年代,叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧代替。1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定,在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中,很难适应各种复杂路况,减振的效果较差。为了克服这种缺陷,采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法,虽然有一定成效,但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上,现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架,比如桑塔纳、夏利、赛欧等车。为了克服被动悬架的缺陷和改善汽车悬架的性能,汽车工业中出现了半主动、主动悬架。1954年,GM公司ErspielLabrosse在悬架设计中首先提出了主动悬架的思想。之后,汽车主动、半主动悬架的研究逐渐展开,并且日益深入。主动悬架采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系
统,根据车辆系统的运动状态和外部输人的变化(路面激励或驾驶员方向盘操作)做出反应,主动地调整和产生所需的控制力,使悬架始终处于最佳减振状态。主动悬架由控制系统和执行机构组成,执行机构为有源液压系统的主动悬架简称全主动悬架,而无源主动悬架则简称半主动悬架。半主动悬架由可调弹簧或可调阻尼器构成,与全主动悬架相比,最大优点是工作几乎不消耗发动机的功率,结构简单,造价较低,因此受到广泛重视;主动悬架可以明显改善汽车的乘坐舒适性,它是一个闭环控制系统,根据车辆的运动状态和路面状况主动作出反应,以抑制车体的运动,使悬架始终处于最优减振状态。所以主动悬架的特点就是能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。因此,系统必须是有源的。半主动悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成。
悬架的分类
根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化,可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架,半主动悬架还可以按阻尼级分为有级式和无级式两类。凡不需输入能量的振动控制称为被动控制;输入少量能量的调节阻尼系数的振动控制称为半主动控制;通过输入外部能量使振动机构给悬架系统施加一定控制力
的振动控制称为主动控制。
被动悬架系统
目前我国的车辆主要还是采用被动悬架系统,而设计这种悬架系统主要就是确定其阻尼系数C和刚度系数K,使得汽车在安全性和平顺性之间寻找一个最优的折衷方案,但是这种最优的折衷方案是针对特定的道路和速度的情况下确定的,只可能在特定的情况下达到,而在其它的路面及速度的情况下则不理想。这主要是由于被动悬架系统的参数一旦确定后就无法在汽车的行驶过程中随着路面激励和汽车运行自身状态而动态变化,被动控制由于无需输入外部能量和结构简单等优点而获得广泛应用,但它是一种机械式悬架,大多数由弹簧和减振器组成,传统的被动悬架由于弹性元件和减振器参数不能改变,因而不能使汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性同时最优。事实证明,对于随机的路面激励,被动悬架系统不能同时兼顾汽车的行驶舒适性和操纵稳定性,甚至仅仅行驶舒适性也得不到
保证,因此该悬架难以使汽车具有良好的平顺性。
全主动悬架系统
全主动悬架系统是一种有源控制,主动悬架可以根据
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