越野車液壓主動懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì),越野車液壓主動懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì),越野車,液壓,主動,懸架,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1 汽車懸架系統(tǒng)簡介 是汽車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的震動，以保證汽車能平順地行駛。 　　 典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個(gè)別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式，而現(xiàn)代轎車懸架多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，個(gè)別高級轎車則使用空氣彈簧。 汽車懸架又可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)車輪由一根整體式車橋相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架與車架（或車身）連接。當(dāng)一側(cè)車輪因道路不平而發(fā)生跳動時(shí)，必然引起另一側(cè)車輪在汽車橫向平面內(nèi)發(fā)生擺動，故稱為非獨(dú)立懸架。獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是車橋做成斷開的，每一側(cè)的車輪可以單獨(dú)的通過彈性懸架與車架（或車身）連接，兩側(cè)車輪可以單獨(dú)跳動，互不影響，故稱為獨(dú)立懸架。 　　 1.1.1 懸架的功能 懸架是汽車中的一個(gè)重要總成，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，關(guān)系到汽車的多種使用性能。從外表上看，轎車懸架僅是由一些桿、筒以及彈簧組成，但千萬不要以為它很簡單，相反轎車懸架是一個(gè)較難達(dá)到完美要求的汽車總成，這是因?yàn)閼壹芗纫獫M足汽車的舒適性要求，又要滿足其操縱穩(wěn)定性的要求，而這兩方面又是互相對立的。比如，為了取得良好的舒適性，需要大大緩沖汽車的震動，這樣彈簧就要設(shè)計(jì)得軟些，但彈簧軟了卻容易使汽車發(fā)生剎車“點(diǎn)頭”、加速“抬頭”以及左右側(cè)傾嚴(yán)重的不良傾向，不利于汽車的轉(zhuǎn)向，容易導(dǎo)致汽車操縱不穩(wěn)定等。 1.1.2 懸架的分類 按懸架工作原理不同可分為被動懸架、半主動懸架及主動懸架三種。 1、 被動懸架 被動懸架即傳統(tǒng)式的懸架，由彈簧、減震器(減震筒)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成，其功能是減弱路面?zhèn)鹘o車身的沖擊力，衰減由沖擊力引起的承載系統(tǒng)的震動。其中，彈簧主要起減緩沖擊力的作用，減震器的主要作用是衰減震動。由于這種懸架是由外力驅(qū)動而起作用的，所以稱為被動動懸架。 傳統(tǒng)的被動懸架雖然結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉且不消耗外部能源，但因?yàn)槠鋮?shù)固定，所以具有較大的局限性。主要表現(xiàn)在：懸架參數(shù)固定，不能隨路礦改變，只能針對某種特定工況，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；而且懸架元件僅對局部的相對運(yùn)動做出響應(yīng)，故限制了懸架參數(shù)的取值范圍。研究表明在人體共振頻率附近，振動的不適主要是由彈簧的剛度決定，而在非懸置質(zhì)量共振頻率附近，阻尼力起決定性作用。減小懸架剛度后對改善乘坐舒適性有利，但對改善輪胎的動載荷不利，故在被動懸架設(shè)計(jì)中需要針對這些矛盾因素選擇折衷方案。由于存在這種本質(zhì)性的矛盾問題，這就必然導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無法使參數(shù)優(yōu)化達(dá)到期望的最優(yōu)性能指標(biāo)。所以傳統(tǒng)被動懸架難以實(shí)現(xiàn)乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性的完美結(jié)合。隨著汽車速度的提高，對汽車懸架的性能也提出了越來越高的要求。所以在這種情況下智能懸架系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生了，即基于電子控制的智能懸架系統(tǒng)——主動懸架，半主動懸架得了迅速發(fā)展并逐漸在轎車上應(yīng)用。 2、主動懸架 主動懸架是近十幾年發(fā)展起來的、由電腦控制的一種新型懸架。它匯集了力學(xué)和電子學(xué)的技術(shù)知識，是一種比較復(fù)雜的高技術(shù)裝置。例如裝置了主動懸架的法國雪鐵龍桑蒂雅，該車懸架系統(tǒng)的中樞是一個(gè)微電腦，懸架上的5種傳感器分別向微電腦傳送車速、前輪制動壓力、踏動油門踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤角度及轉(zhuǎn)向速度等數(shù)據(jù)。 　 　電腦不斷接收這些數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較，選擇相應(yīng)的懸架狀態(tài)。同時(shí)，微電腦獨(dú)立控制每一只車輪上的執(zhí)行元件，通過控制減振器內(nèi)油壓的變化產(chǎn)生抽動，從而能在任何時(shí)候、任何車輪上產(chǎn)生符合要求的懸架運(yùn)動。因此，桑蒂雅轎車備有多種駕駛模式選擇，駕車者只要扳動位于副儀表板上的“正?！被颉斑\(yùn)動”按鈕，轎車就會自動設(shè)置在最佳的懸架狀態(tài)，以求最好的舒適性能。 　　 主動懸架具有控制車身運(yùn)動的功能。當(dāng)汽車制動或拐彎時(shí)的慣性引起彈簧變形時(shí)，主動懸架會產(chǎn)生一個(gè)與慣力相對抗的力，減少車身位置的變化。例如德國奔馳2000款Cl型跑車，當(dāng)車輛拐彎時(shí)懸架傳感器會立即檢測出車身的傾斜和橫向加速度。電腦根據(jù)傳感器的信息，與預(yù)先設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較計(jì)算，立即確定在什么位置上將多大的負(fù)載加到懸架上，使車身的傾斜減到最小。 3、半主動懸架 半主動懸架系統(tǒng)的構(gòu)造與主動懸架類似，它利用彈性元件和阻尼器并列支撐懸置質(zhì)量。不同之處是半主動懸架系統(tǒng)中可控阻尼器代替了主動懸架的主動力作動器。一般地，由于汽車懸架彈性元件需承載車身的靜載荷，因而在半主動懸架中實(shí)施剛度控制比阻尼控制困難得多，所以對半主動懸架的研究目前大多數(shù)都只限于阻尼控制問題，利用合適的控制律，它可提供介于主動懸架和被動懸架之間的性能。半主動懸架除了需要少量能量驅(qū)動電磁閥外，并不需要外加動力源，代表了性能提高和設(shè)計(jì)簡單的折衷。根據(jù)阻尼系數(shù)是連續(xù)可調(diào)還是離散可調(diào)，半主動懸架又可以分為連續(xù)可控式和分級可控式。它們的區(qū)別是連續(xù)可控式中的阻尼系數(shù)在一定的變化范圍內(nèi)可以連續(xù)調(diào)節(jié)，而分級可控式中只有幾種阻尼系數(shù)可供選擇切換。 1.2主動懸架系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀為普遍, 如自從汽車發(fā)明以來，工程師們就一直在研究如何將汽車的懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更好。最初的汽車懸架系統(tǒng)是使用馬車的彈性鋼板，效果當(dāng)然不會很好。1908年螺旋彈簧開始用于轎車，當(dāng)時(shí)就曾經(jīng)有兩種截然不同的意見。第一種意見主張安裝剛性較大的螺旋彈簧，以使車輪保持著與路面接觸的傾向，提高輪胎的抓地能力。但是這樣的弊端是乘坐汽車時(shí)有較強(qiáng)烈的顛簸感覺。另一種意見認(rèn)為應(yīng)該采用較軟的螺旋彈簧，以適應(yīng)崎嶇不平的路面，提高乘坐汽車時(shí)的平穩(wěn)性及舒適性。但是這樣的汽車操縱性較差。到了三四十年代，獨(dú)立懸架開始出現(xiàn)，并得到很大發(fā)展。減振器也由早期的摩擦式發(fā)展為液力式。這些改進(jìn)無疑提高了懸架的性能，但無論怎樣改良，此時(shí)的懸架仍然屬于被動式懸架，仍然在很多方面有很大局限性。 衡量懸架性能好壞的主要指標(biāo)是汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，但這兩個(gè)方面是相互排斥的性能要求，往往不能同時(shí)滿足。怎樣在二者之間取得合理的平衡以達(dá)到最好的效果，一直是工程師們的研究課題。 平順性一般通過車體或車身某個(gè)部位(如車底板、駕駛員座椅處)的加速度響應(yīng)來評價(jià)，操縱穩(wěn)定性則可以通過車輪的動載來度量。例如，若降低彈簧的剛度，則車體加速度減少使平順性變好，但同時(shí)會導(dǎo)致車體位移的增加。由此產(chǎn)生車體重心的變動將引起輪胎負(fù)荷變化的增加，對操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；另一方面，增加彈簧剛度會提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對路面不平度很敏感，使平順性降低。所以，理想的懸架應(yīng)該在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼，既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩(wěn)定性要求 為了克服這個(gè)缺陷，國外在50年代就提出了主動懸架的概念。主動懸架采用有源或無源可控元件組成的一個(gè)閉環(huán)或開環(huán)的控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)和外部輸入的變化（路面激勵(lì)或者駕駛員方向盤的操作）作出反應(yīng)，主動地調(diào)節(jié)和產(chǎn)生所需的控制力，是懸架始終處于最佳減振狀態(tài)。主動懸架由控制系統(tǒng)喝執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)味有源液壓系統(tǒng)的主動懸架簡稱全主動懸架，而無源主動懸架則簡稱半主動懸架。半主動懸架由可調(diào)節(jié)彈簧或可調(diào)阻尼器構(gòu)成，與全主動懸架相比，最大的優(yōu)點(diǎn)就是工作幾乎不消耗發(fā)動機(jī)的功率，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，因此受到廣泛重視?！? 由于被動懸架設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是在滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷，對于不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的基礎(chǔ)上犧牲次要性能。所以盡管被動懸架在設(shè)計(jì)上以不斷改進(jìn)被動元件而實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性的目標(biāo)，但始終無法解決同時(shí)滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求。 為此，自五六十年代起產(chǎn)生了主動懸架的概念，它能夠根據(jù)懸架質(zhì)量的加速度，利用電控液壓部件主動地控制汽車的振動。在這方面的研究，各大汽車制造公司均不遺余力。典型的例子，早期有雪鐵龍公司在1955年發(fā)展的一種液壓-空氣懸架系統(tǒng)，可以使汽車具有較好的行駛性能和舒適性，但是它的制造工序太復(fù)雜，最終難以普及。到90年代，日產(chǎn)公司在無限Q45轎車上應(yīng)用了新式主動懸架，進(jìn)一步提高了轎車適應(yīng)崎嶇路面的能力。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可變特性懸架控制系統(tǒng)。它可根據(jù)運(yùn)行條件與路面狀況，以手動控制懸架特性變化。手動開關(guān)可選擇兩種擋位：1.“SPORT”擋位，剛性高，相當(dāng)于高級跑車的懸架特性。2.“TOURING”擋位，柔性，相當(dāng)于高級旅行車的懸架特性。 現(xiàn)時(shí)引人注意的是奔馳公司發(fā)展的ABC(Active Body Control)系統(tǒng)，可算是相對先進(jìn)的主動懸架系統(tǒng)代表。 ABC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員從一開始就沒有將注意力放在傳統(tǒng)的思路上，而是另辟蹊徑，集中研究車身在行駛時(shí)的跳動。他們認(rèn)為，從穩(wěn)定性考慮，通過抑制車身在行駛時(shí)的起伏、傾斜及跳動，可以最大限度地提高舒適性，而且更簡單直接。對駕駛而言，采用剛性較大的螺旋彈簧，可以使汽車優(yōu)越的操縱駕駛性得到保證。早在多年前，研究人員已經(jīng)進(jìn)行過這方面的驗(yàn)證。隨著近年來電子技術(shù)及電腦控制在轎車上大量應(yīng)用，這種新型主動懸架變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的條件越來越成熟。最新面世的系統(tǒng)采用了大量電子控制技術(shù)，奔馳公司稱之為主動式車身控制系統(tǒng)，簡稱ABC 。 傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)工作方式主要是通過厚重的車身跳動，推壓液壓油，通過阻尼減振器抑制車身的振動，并由螺旋彈簧將跳動能量吸收。這種完全被動的方式當(dāng)然有許多不足之處。而ABC系統(tǒng)則通過感應(yīng)最輕微的車輪及車身動作，在任何大的車身振動之前及時(shí)對懸架系統(tǒng)作出調(diào)整，保持車身的平衡。該系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)各種路面情況，即使在異常崎嶇不平的地方，轎車也能保持優(yōu)越的操縱性、舒適性及方向穩(wěn)定性。 為了達(dá)到理想的效果，ABC系統(tǒng)在各條懸架滑柱內(nèi)裝有一套新型的液力調(diào)節(jié)伺服器，可動態(tài)調(diào)整的液壓缸根據(jù)不同的路面情況自動調(diào)節(jié)螺旋彈簧座的位置，這一點(diǎn)很重要。當(dāng)車輪遇到障礙物時(shí)，ABC系統(tǒng)通過傳感器感知，自動調(diào)節(jié)彈簧座，并在彈簧座上施加壓力，使之能最大限度地抵消傳遞給車身的跳動能量。同樣的方法，ABC系統(tǒng)還能夠避免轎車在制動、加速及轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的車身傾斜。當(dāng)汽車制動或拐彎時(shí)的慣性引起彈簧變形，懸架傳感器會檢測出車身的傾斜度和橫向加速度。微電腦根據(jù)傳感器的信息，與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較計(jì)算，并立即確定在什么位置上將多大的負(fù)載加到懸架上，使車身的傾斜減到最小。幾乎可以說，車身在任何狀態(tài)下都能保持水平位置。 ABC系統(tǒng)的控制感應(yīng)裝置由兩個(gè)微型處理器及13個(gè)傳感器組成，每10μs對懸架系統(tǒng)作一次掃描和調(diào)整。各傳感器分別向微處理器傳送車速、車輪制動壓力、踏動油門踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤角度及轉(zhuǎn)向速度等數(shù)據(jù)。電腦不斷接收這些數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較。同時(shí)，電腦能獨(dú)立控制每一個(gè)車輪上的執(zhí)行元件，從而能在任何時(shí)候、任何車輪上產(chǎn)生符合要求的懸架運(yùn)動以適應(yīng)汽車的每一種行駛狀況。 ABC系統(tǒng)使汽車對側(cè)傾、俯仰、橫擺、跳動和車身高度的控制都能更加迅速、精確，即使在路況較差的路面上，汽車的跳動也很小。而且汽車高速行駛和轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性大大提高。車身的側(cè)傾小，車輪外傾角度變化也小，輪胎就能較好地保持與地面垂直接觸，使輪胎對地面的附著力提高，以充分發(fā)揮輪胎的驅(qū)動制動作用。此外汽車的載重量無論如何變化，汽車始終能保持一定的車身高度，所以懸架的幾何關(guān)系也可以確保不變。 目前，這種主動式車身控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在奔馳最新的C系列轎車上，雖然價(jià)格不菲，但也贏得極佳的口碑，被譽(yù)為是動力性能和乘坐舒適性改進(jìn)的一個(gè)里程碑。主 1.3 課題的目的與意義 汽車懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響汽車的乘坐舒適性和操縱安全性。傳統(tǒng)的被動懸架由于其參數(shù)固定從根本上造成了兩者的矛盾，主動懸架作為最先進(jìn)的懸架系統(tǒng)，能根據(jù)實(shí)時(shí)工況，主動及時(shí)地調(diào)整和產(chǎn)生所需懸架控制力，使懸架處于最優(yōu)的減振狀態(tài)，從而達(dá)到兩者的完美結(jié)合。　 主動懸架擁有自身的能源，并以一個(gè)力的發(fā)生器取代了被動懸架中的減振器，采用電液伺服閥作為懸架系統(tǒng)中液壓作動器的控制閥，通過液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合ECU的控制功能，實(shí)現(xiàn)對汽車車身高度的自動調(diào)節(jié)，阻尼及剛度的自動調(diào)節(jié)。 主動懸架因?yàn)槠溆刑囟ǖ慕Y(jié)構(gòu)特性而具有提高乘坐舒適性方面的巨大潛力，將逐步取代被動懸架和半主動懸架。隨著控制理論的不斷完善以及其他軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，主動懸架技術(shù)會漸漸走向成熟，從而可極大地提高汽車性能，使得主動懸架具有廣闊的應(yīng)用前景。 1.4 本課題的研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)一套越野汽車液壓式主動懸架系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)能根據(jù)車況進(jìn)行懸架剛度和阻尼力調(diào)節(jié)、車身高度的調(diào)節(jié)。主動懸架是一個(gè)動力驅(qū)動系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)、反饋控制中心、能量源和執(zhí)行器四個(gè)部分。其原理是測量系統(tǒng)通過傳感器獲得車輛振動信息，傳遞給控制中心進(jìn)行處理，進(jìn)而由控制中心發(fā)出指令給能量源產(chǎn)生控制力，再由執(zhí)行器進(jìn)行控制，衰減懸架的振動。 第2章 汽車液壓式主動懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主動懸架是近十幾年發(fā)展起來的、由電腦控制的一種新型懸架。它匯集了力學(xué)和電子學(xué)的技術(shù)知識，是一種比較復(fù)雜的高技術(shù)裝置。例如裝置了主動懸架的法國雪鐵龍桑蒂雅，該車懸架系統(tǒng)的中樞是一個(gè)微電腦，懸架上的5種傳感器分別向微電腦傳送車速、前輪制動壓力、踏動油門踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤角度及轉(zhuǎn)向速度等數(shù)據(jù)。 　 　電腦不斷接收這些數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較，選擇相應(yīng)的懸架狀態(tài)。同時(shí)，微電腦獨(dú)立控制每一只車輪上的執(zhí)行元件，通過控制減振器內(nèi)油壓的變化產(chǎn)生抽動，從而能在任何時(shí)候、任何車輪上產(chǎn)生符合要求的懸架運(yùn)動。因此，桑蒂雅轎車備有多種駕駛模式選擇，駕車者只要扳動位于副儀表板上的“正常”或“運(yùn)動”按鈕，轎車就會自動設(shè)置在最佳的懸架狀態(tài)，以求最好的舒適性能。 2.1 從動懸架與主動懸架的對比 主動懸架是一個(gè)動力驅(qū)動系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)、反饋控制中心、能量源和執(zhí)行器四個(gè)部分。其原理是測量系統(tǒng)通過傳感器獲得車輛振動信息，傳遞給控制中心進(jìn)行處理，進(jìn)而由控制中心發(fā)出指令給能量源產(chǎn)生控制力，再由執(zhí)行器進(jìn)行控制，衰減懸架的振動。由于主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，需要很大的能量消耗，它的發(fā)展受到了一定的制約，只在少數(shù)高級轎車中有所應(yīng)用。與之相比，半主動懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、基本不需要消耗能量等優(yōu)點(diǎn)，而對振動的控制效果在一定程度上卻可以接近主動懸架，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于被動懸架，因而越來越受到業(yè)界的重視，得到了飛速發(fā)展從動懸架設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷，對不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的基礎(chǔ)上犧牲次要性能。被動懸架的優(yōu)點(diǎn)是成本低、有較高的可靠性。缺點(diǎn)是無法解決同時(shí)滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求。剛性較大的螺旋彈簧以使車輪保持著與路面接觸的傾向，提高輪胎的抓地能力。但是這樣的弊端是乘坐汽車時(shí)有較強(qiáng)烈的顛簸感覺。采用較軟的螺旋彈簧，以適應(yīng)崎嶇不平的路面，提高乘坐汽車時(shí)的平穩(wěn)性及舒適性，但是這樣的汽車操縱性較差。 2.2 電控空氣懸架系統(tǒng)和電控液壓懸架系統(tǒng)的特點(diǎn)對比 電子控制懸架系統(tǒng)按懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式分，可分為電控空氣懸架系統(tǒng)和電控液壓懸架系統(tǒng)兩種[5]。 電控空氣懸架工作原理就是用空氣壓縮機(jī)形成壓縮空氣，并將壓縮空氣送到彈簧和減振器的空氣室中，以此來改變車輛的高度。在前輪和后輪的附近設(shè)有車高傳感器，按車高傳感器的輸出信號，微機(jī)判斷出車身高度的變化，再控制壓縮機(jī)和排氣閥，使彈簧壓縮或伸長，從而起到減振的效果。 空氣懸架給予了汽車更多的靈性。當(dāng)你在高速行駛時(shí)懸架可以變硬來提高車身的穩(wěn)定性；而長時(shí)間在低速不平的路面行駛時(shí)，控制單元會使懸架變軟來提高車子的舒適性。 電控主動式液壓懸架系統(tǒng)的控制形式是較先進(jìn)的形式，主動懸架就屬于這一類形式，它采用一種有源方式來抑制路面對車身的沖擊力及車身傾斜力。它既能使車輛具有軟彈簧般的舒適性，又能保證車輛具有良好的操縱穩(wěn)定性；對于傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)而言，一旦參數(shù)固定，在車輛行駛過程中就無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此使懸架性能的進(jìn)一步提高受到很大限制。目前乘用車上采用的電液控制懸架系統(tǒng)基本上具有三個(gè)功能：一是具有車高調(diào)節(jié)功能。不管車輛負(fù)載在規(guī)定范圍內(nèi)如何變化，都可以保證車高一定，可大大減少汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)傾。當(dāng)車輛在凸凹不平的道路上行駛時(shí)，可提高車身高度；當(dāng)車身高速行駛時(shí)，又可使車身高度降低，以減小風(fēng)阻并提高其操縱穩(wěn)定性。二是具有衰減力調(diào)節(jié)功能。其作用是提高車輛操縱穩(wěn)定性，在急轉(zhuǎn)彎、急加速和緊急制動時(shí)可以抑制車輛姿勢變化（減小俯仰角、后仰角、側(cè)傾角）。三是具有控制懸架系統(tǒng)減振力和彈性元件的彈性或剛性系數(shù)的功能。利用彈性元件或剛性系數(shù)的變化，控制車輛起步時(shí)的姿勢。該系統(tǒng)由液壓源、壓力控制閥、液壓懸架缸、傳感器、ECU等組成。 2.3液壓式主動懸架的工作原理 液壓式主動懸架就是在被動懸架的基礎(chǔ)上加裝個(gè)可以產(chǎn)生作用力的動力裝置，由動力源、壓力控制閥、液壓缸、傳感器、控制器等組成,如圖2.1。 系統(tǒng)作用過程：路面有不平度輸入Z0經(jīng)輪胎K1傳遞到非簧載質(zhì)量M1，然后再由M1經(jīng)懸架剛度Ks與懸架阻尼Cs出家門都傳遞到簧載質(zhì)量M2，使簧載質(zhì)量M2產(chǎn)生加速度：此時(shí)，液壓主動懸架控制系統(tǒng)通過加速度傳感器測得其加速度信號，再經(jīng)電荷放大器將所有的電信號放大以使其與控制器的輸入電信號幅值相匹配；最后再由控制器對所測得的電信號按照事先設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行處理，得到對應(yīng)得輸出控制量傳給比例閥，比例閥輸出相應(yīng)的流量來控制液壓缸，使其作用出相應(yīng)的動作以改變簧載質(zhì)量的加速度，從而讓加速度在期望的范圍內(nèi)波動。理論上，這一動力裝置產(chǎn)生的作用力可根據(jù)需要在極短的時(shí)間內(nèi)由零變化到無窮大。但作用力越大，加速度變化越快，需要液壓系統(tǒng)的工作壓力就越高，系統(tǒng)消耗的能量也就越大。 圖2.1液壓式主動懸架工作原理圖 M1—非簧載質(zhì)量; M2—簧載質(zhì)量；Kt—輪胎剛度；Ks—懸架彈簧剛度；Cs—懸架阻尼系數(shù)；F—作用力發(fā)生器；Z0—路面激勵(lì)位移；Z1—非簧載質(zhì)量位移；Z2—彈簧質(zhì)量位移 2.4 液壓系統(tǒng)方案確定 根據(jù)電控空氣懸架系統(tǒng)和電控液壓懸架系統(tǒng)的比較，兩者的共同性則是能為高速行駛的車輛提供足夠的穩(wěn)定性，當(dāng)車輛在不平路面行駛時(shí)，又能提高車身增加通過能力。但電控主動空氣懸架的缺點(diǎn)也很明顯，成本高昂、維護(hù)保養(yǎng)成本高。所以對液壓式懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.4.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)： 1、采用控制器控制三位四通伺服閥閥芯的位置，閥芯位置決定了流出伺服閥的 壓力油的流量大小和方向，通過活塞桿上下的壓力差產(chǎn)生主動控制力，控制器根據(jù)汽車的運(yùn)動狀態(tài)調(diào)整作動器作用力的大小、方向和變化速度，使汽車行駛的平順性得以改善。 2、液壓缸與蓄能器之間安裝一個(gè)阻尼孔可調(diào)的節(jié)流閥（主、副節(jié)流孔截面積不 同），根據(jù)傳感器輸入信號，由ECU處理后控制電磁閥接通主、副節(jié)流孔，起到阻尼控制。 3、利用蓄能器的進(jìn)氣與排氣來改變氣室容積，起到剛度調(diào)節(jié)作用。 4、車身高度傳感器測得的信息輸入ECU，經(jīng)處理后控制伺服閥動作，使液壓缸上、下腔壓力變化推動活塞上下動作，達(dá)到車身高度理想值，如圖2.2。 圖2.2 液壓伺服控制系統(tǒng)原理圖 1-液壓缸；2-蓄能器；3-M型三位四通閥；4-溢流閥；5-電動機(jī)；6-液壓泵；7-過濾器；8-蓄能器 ；9-單向閥；10-空氣壓縮機(jī)；11-放氣閥；12-節(jié)流閥；13-油箱 2.5 本章小節(jié) 本章首先分析了汽車懸架幾個(gè)類型的分類，了解了主動懸架的發(fā)展現(xiàn)狀，對懸架進(jìn)行了系統(tǒng)性的對比研究，了解其類的優(yōu)缺點(diǎn)，說明液壓主動懸架的基本工作原理，基本控制功能，對下文做了理論基礎(chǔ)。 第3章 車身高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 車高控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車身負(fù)載的變化自行調(diào)節(jié)，使車身高度不隨乘員和貨物的變化而變化，保證懸架始終都有合適的工作行程。 車高控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由空氣或油氣彈簧組成，因而高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般分為空壓式與液壓式兩類。該車高控制系統(tǒng)采用液壓式，執(zhí)行元件為油液作動器（液壓缸），并由電控裝置、動力源、電液伺服閥、蓄能器、傳感器、ECU等組成。 3.1 車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 車高控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車身負(fù)載的變化自行調(diào)節(jié)，使車身高度不隨乘員和貨物的變化而變化，保證懸架始終都有合適的工作行程。 車高控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由空氣或油氣彈簧組成，因而高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般分為空壓式與液壓式兩類。該車高控制系統(tǒng)采用液壓式，執(zhí)行元件為油液作動器（液壓缸），并由電控裝置、動力源、電液伺服閥、蓄能器、傳感器、ECU等組成，如圖3.1. 圖3.1車身高度控制原理圖 1-液壓缸；2-蓄能器；3-M型三位四通閥；4-溢流閥；5-電動機(jī)；6-液壓泵；7-過濾器；8-油箱 ECU根據(jù)車高傳感器信號的變化和駕駛員選擇的控制模式指令，給控制車高的電液伺服閥發(fā)出指令。當(dāng)車需要升高時(shí)，三位四通伺服閥動作，接通供油油路，液壓泵供液壓油進(jìn)入液壓缸支撐腔，車身上升。若伺服閥停止動作，液壓缸支撐腔壓力不變，車身維持在一定高度。如果乘客增加而使車身高度降低時(shí)，車身高度傳感器給出的信號將與ECU存儲的車高量不符，ECU就會發(fā)出指令，伺服閥通電打開，給液壓缸支撐腔供油，直到車高達(dá)到規(guī)定的高度為止。當(dāng)車身需要下降時(shí)，液壓泵停止工作，三位四通伺服閥動作接通回油油路，液壓油回油箱，車身下降 車身高度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)： 1、停車水平控制——停車后，當(dāng)車上載荷減少而車身上抬時(shí)，控制系統(tǒng)能自動降低車身高度，以減小懸架系統(tǒng)負(fù)荷，改善汽車外觀形象。 2、特殊行駛工況高度控制——汽車高速行駛時(shí)，主動降低車身高度，以改善行車的操縱穩(wěn)定性和液力傳動特性。當(dāng)汽車行駛于起伏不平度較大的路面時(shí)，主動升高車身，避免車身于地面或懸架的磕碰。 3、自動水平控制——車身高度不受載荷影響，保持基本恒定，姿態(tài)水平，使乘坐更加平穩(wěn)，前大燈光束方向保持水平，提高行車安全。 由于車身高度控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是車載變化不影響懸架工作行程，它對車輛性能改進(jìn)的潛力是與車載變化成正比的。因此，這種懸架通常用于一些車載變化較大的重型貨車和大型客車，也有些用于高級豪華轎車。 3.2 液壓缸參數(shù)的確定 假設(shè)基于1/4車輛模型的某型桑塔納乘用車主動懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)為： M1 =60kg,M2=300kg ,Kt=300000N/m,Cs=1000Ns/m. 3.2.1 供油壓力的選擇 選擇較高的供油壓力，可以減小液壓動力元件、液壓能源裝置和連接管道等部件的重量和尺寸，可以減小壓縮性容積和減小油液中所含氣體對體積彈性模量的影響，有利于提高液壓固有頻率。但執(zhí)行元件主要規(guī)格尺寸減小，又不利于液壓固有頻率提高。 選擇較低的供油壓力，可以降低成本，減小泄漏、減小能量損失和溫升，可以延長使用壽命，易于維護(hù)，噪聲較低。在條件允許時(shí)，通常還是選用較低的供油壓力。 在一般工業(yè)的伺服系統(tǒng)中，供油壓力可在2.5～14MPa的范圍內(nèi)選取，在軍用伺服系統(tǒng)中可在21～32MPa的范圍內(nèi)選取。 根據(jù)以上情況及主動懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文初選工作壓力。 3.2.2 液壓缸主要參數(shù)的確定 本文選用的液壓缸是雙作用單桿活塞缸，液壓缸的主要參數(shù)就是缸筒內(nèi)徑和活塞直徑，選取活塞最大行程為。根據(jù)負(fù)載和供油壓力計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑[12]。 1、對于無桿腔內(nèi)徑 (3.1) 式中 ——負(fù)載?。? ——液壓缸工作壓力 ； 2、對于雙作用單桿活塞液壓缸，其活塞桿直徑可根據(jù)往復(fù)運(yùn)動速度比（即面積比）來確定即： (3.2) 缸的速度比過大會使無桿腔產(chǎn)生過大的背壓，速度比過小則活塞桿太細(xì)，穩(wěn)定性不好。推薦液壓缸的速度比如表3.1所示。 表3.1 液壓缸往復(fù)速度比推薦值 工作壓力 ≤10 12.5～20 ＞20 往復(fù)速度比 1.33 1.46 , 2 2 見表3.1和工作壓力，選擇速度比，則： 查閱液壓設(shè)計(jì)手冊，將計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)經(jīng)和活塞桿直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，。 3、液壓缸無桿腔面積 (3.3) 4、液壓缸無桿腔面積 (3.4) 5、導(dǎo)向長度 (3.5) = 6、活塞寬度 ～ (3.6) 7、導(dǎo)向套滑動面長度 ～ (3.7) 8、已知： ；；；；。 （1）求固有頻率 (3.8) = =243 式中 ——取滿載質(zhì)量為600kg； ——液壓缸行程 ； ——油彈性模量 ； ——有桿腔面積與無桿腔面積比； （2）求最短加速時(shí)間 (3.9) = =0.14s （3）求液壓缸的最大速度 (3.10) = =0.61 式中 ——總循環(huán)時(shí)間 ； （4）求最大加速度 (3.11) = = （5）求液壓缸達(dá)到最大速度時(shí)所需要的流量 (3.12) = = （6）求液壓缸運(yùn)動過程中需要達(dá)到的最大壓力，其中： (3.13) = =2610 (3.14) = =6.76 （7）液壓系統(tǒng)所需供油壓力 (3.15) = =15.3 3.3 液壓泵的選擇 1、液壓缸的工作壓力 (3.16) = =6.36 式中 ——液壓缸的工作壓力 ； ——負(fù)載取8000N； ——液壓缸無桿腔面積 ； 2、液壓泵的工作壓力 ～ (3.17) =8.23 3、液壓缸所需流量 (3.18) = ——液壓缸的最大速度 ； 4、液壓泵輸出流量 ～ (3.19) 本模型中，負(fù)載工作壓力約為8；在一般工業(yè)的伺服系統(tǒng)中，供油壓力可在2.5～14的范圍內(nèi)選取[14]。根據(jù)主動懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)壓力損失及摩擦力的存在，且液壓閥工作在較大壓差下，因此將泵站油源的供油壓力設(shè)為。 葉片泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動平穩(wěn)、噪聲小、輸油均勻以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中、低壓液壓系統(tǒng)中，其工作壓力為6～21。即選擇葉片泵滿足設(shè)計(jì)要求，其選取型號為YB-D50定量葉片泵。 3.4 電動機(jī)的選擇 液壓系統(tǒng)采用YB-D50型的葉片泵供油，驅(qū)動液壓泵的電動機(jī)功率為 (3.20) 即選取型號-52的電動機(jī)。 3.5 車身高度傳感器的選擇 根據(jù)控制工程經(jīng)驗(yàn)，檢測元件的精度必須高于控制系統(tǒng)控制精度的4倍以上，其響應(yīng)速度則為系統(tǒng)頻寬的 8～10倍以上。車身高度傳感器安裝于車身與車橋之間，用來測量車身與車橋的相對高度，其變化頻率和幅度可反映車身的平順性信息，還用于車高的自動調(diào)節(jié)。選擇霍爾（HL）信號發(fā)生器或笛黃管式信號發(fā)生器，利用相對位置的變化，產(chǎn)生不同的HL電壓信號或?qū)ń刂剐盘?，使ECU得知車身高度差值和振頻值[15]。 3.6 本章小節(jié) 本章主要介紹車身高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組成以及工作原理，根據(jù)所給原始數(shù)據(jù)確定液壓缸的主要參數(shù)，計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑與活塞桿的直徑，根據(jù)液壓元件主要參數(shù)的確定對直流電動機(jī)，電液伺服閥、蓄能器、傳感器進(jìn)行了選擇。 第4章 懸架阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 汽車液壓式主動懸架對阻尼的控制是跟據(jù)汽車負(fù)荷、行車狀態(tài)和路面條件控制調(diào)節(jié)節(jié)流閥阻尼孔過流截面，進(jìn)而改變油液作動器的阻尼力實(shí)現(xiàn)的。通常情況下，高速行駛的汽車希望有較強(qiáng)的阻尼力，以利于控制車身姿態(tài)的變化。但是，當(dāng)行駛于城市街道時(shí)，減弱阻尼力更有利于改善乘坐舒適性。對懸架油液作動器阻尼力的控制，可以達(dá)到急加速時(shí)防止車身后坐、換擋過程中防止車身沖擊、制動時(shí)防止車身 “點(diǎn)頭”以及轉(zhuǎn)彎時(shí)防止車身側(cè)傾等目的。 阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電控裝置、動力源、電液伺服閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、油液作動器（液壓缸）等組成。 控制系統(tǒng)的傳感器包括：車速傳感器、節(jié)氣門開度（燃油噴射）傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車身和懸架加速度傳感器、制動壓力傳感器等[12]。它們分別向控制裝置（ECU）提供車速、加速狀況、方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、車身運(yùn)動狀態(tài)和汽車制動等信號，ECU通過電磁控制節(jié)流閥改變阻尼力，以適應(yīng)行駛需要。 4.1 懸架阻尼的自動調(diào)節(jié)既節(jié)流閥設(shè)計(jì) 可調(diào)阻尼裝置由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和節(jié)流閥組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)放在節(jié)流閥閥桿頂部，由直流電機(jī)、小齒輪、扇形擋板以及電磁線圈等組成。ECU根據(jù)汽車行駛狀況給直流電機(jī)和電磁線圈施加不同強(qiáng)度的電流，電機(jī)依靠下部的小齒輪帶動扇形擋板轉(zhuǎn)動，用于限制扇形擋板的極限轉(zhuǎn)角，從而確定與扇形擋板相連的閥桿位置，閥桿控制閥芯可在節(jié)流閥上獲得不同的阻尼，如圖4.1. （1） 阻尼中等模式調(diào)節(jié)控制過程 ECU根據(jù)傳感器和控制開關(guān)信號確定阻尼為“中等”狀態(tài)時(shí)，控制單元向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制指令使其小齒輪帶動閥桿轉(zhuǎn)動。直到扇形單板處于阻尼孔的截面積，如圖A。允許液壓缸油液流過節(jié)流閥的流動速度不快也不慢，因此液壓缸能以緩慢速度伸縮，使阻尼處于“中等” 狀態(tài)。 （2） 阻尼堅(jiān)硬模式調(diào)節(jié)控制過程 當(dāng)ECU根據(jù)傳感器和控制開關(guān)信號確定阻尼為“堅(jiān)硬”狀態(tài)時(shí)，控制單元向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制指令使其旋轉(zhuǎn)，因此小齒輪驅(qū)動扇形擋板沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。直到扇形擋板轉(zhuǎn)到39度為止，因?yàn)殚y芯上的阻尼孔只有極小部分流通液體，液壓缸油液流動非常緩慢，因此液壓缸伸縮非常緩慢，使阻尼處于 “堅(jiān)硬”狀態(tài)。 圖4.1阻尼調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)原理圖 1-液壓缸；2-蓄能器；3-M型三位四通閥；4-溢流閥；5-電動機(jī)；6-液壓泵；7-過濾器；8-油箱；9-節(jié)流閥 （3）阻尼柔軟模式調(diào)節(jié)控制 當(dāng)ECU根據(jù)傳感器和控制開關(guān)信號確定阻尼為“柔軟”狀態(tài)時(shí)，控制單元向步進(jìn)電機(jī)和電磁線圈發(fā)出控制指令，使電動機(jī)帶動閥桿，使扇形擋板轉(zhuǎn)到位置，此時(shí)閥芯上的阻尼孔幾乎全部打開，液壓缸油液流通受阻尼比較小，流通非?？?，使阻尼處于“柔軟”狀態(tài)。 4.2 影響流量穩(wěn)定性的因素 液壓系統(tǒng)在工作時(shí)，希望節(jié)流口大小調(diào)節(jié)好后，流量 Q穩(wěn)定不變。但實(shí)際上流量總會有變化，特別是小流量時(shí)流量穩(wěn)定性與節(jié)流口形狀、節(jié)流壓差以及油液溫度等因素有關(guān)。 4.2.1 壓差變化對流量穩(wěn)定性的影響 當(dāng)節(jié)流口前后壓差變化時(shí)，通過節(jié)流口的流量將隨之改變，節(jié)流口的這種特性可用流量剛度來表征。見式(3-21)可求得節(jié)流口的流量剛度T為： (4.1) 流量的剛度反映了節(jié)流口在負(fù)載壓力變化時(shí)保持流量穩(wěn)定的能力。 它定義為節(jié)流口前后壓差ΔP的變化與流量Q的波動值的比值。節(jié)流口的流量剛度越大，流量穩(wěn)定性越好，用于液壓系統(tǒng)時(shí)所獲得的負(fù)載特性也越好。見式(3.24)可知： ·節(jié)流口的流量剛度與節(jié)流口壓差成正比，壓差越大，剛度就越大； ·當(dāng)節(jié)流口壓差一定時(shí)，剛度與流量成反比，通過節(jié)流口的流量越小，剛度也越大； ·系數(shù)越小，剛度越大。越大，ΔP變化后對流量的影響就越大，薄壁孔 （＝0.5）比細(xì)長孔（＝1）的流量穩(wěn)定性受ΔP變化的影響要小。因此，為了獲得較小的系數(shù)，應(yīng)盡量避免采用細(xì)長孔節(jié)流口，即避免使流體在層流狀態(tài)下流動；而是盡可能使節(jié)流口形式接近于薄壁孔口，也就是說讓流體在節(jié)流口處的流動處在紊流狀態(tài)，以獲得較好的流量穩(wěn)定性。 4.2.2、油溫變化對流量穩(wěn)定性的影響 當(dāng)開口度不變時(shí)，若油溫升高，油液粘度會降低。對于細(xì)長孔，當(dāng)油溫升高使油的粘度降低時(shí)，流量Q就會增加。所以節(jié)流通道長時(shí)溫度對流量的穩(wěn)定性影響大。而對于薄壁孔，油的溫度對流量的影響是較小的，這是由于流體流過薄刃式節(jié)流口時(shí)為紊流狀態(tài)，其流量與雷諾數(shù)無關(guān)，即不受油液粘度變化的影響；節(jié)流口形式越接近于薄壁孔，流量穩(wěn)定性就越好。 4.2.3、阻塞對流量穩(wěn)定性的影響 當(dāng)流量小時(shí)，流量穩(wěn)定性與油液的性質(zhì)和節(jié)流口的結(jié)構(gòu)都有關(guān)。表面上看只要把節(jié)流口關(guān)得足夠小，便能得到任意小的流量。但是油中不可避免有臟物，節(jié)流口開得太小就容易被臟物堵住，使通過節(jié)流口的流量不穩(wěn)定。 產(chǎn)生堵塞的主要原因是：(1)油液中的機(jī)械雜質(zhì)或因氧化析出的膠質(zhì)、瀝青、炭渣等污物堆積在節(jié)流縫隙處；(2)由于油液老化或受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極化分子，而節(jié)流縫隙的金屬表面上存在著電位差，故極化分子被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，因而影響了節(jié)流縫隙的大小。以上堆積、吸附物增長到一定厚度時(shí)，會被液流沖刷掉，隨后又重新附在閥口上。這樣周而復(fù)始，就形成流量的脈動；(3)閥口壓差較大時(shí)容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。 4.3 傳感器的選擇 根據(jù)控制工程經(jīng)驗(yàn)，檢測元件的精度必須高于控制系統(tǒng)控制精度的4倍以上，其響應(yīng)速度則為系統(tǒng)頻寬的 8～10倍以上。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器安裝于轉(zhuǎn)向柱上，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號間接地把汽車轉(zhuǎn)向程度（快慢、大小）的信息送給微機(jī)；加速度傳感器實(shí)際上是與油門踏板連接的節(jié)氣門動作傳感器，將加速動作信號送給微機(jī)；制動壓力傳感器安裝于制動管路中，當(dāng)制動時(shí)，它向微機(jī)發(fā)送一個(gè)階躍信號，表示制動，使微機(jī)產(chǎn)生并輸出抑制“點(diǎn)頭”的信號；車速傳感器安裝于車輪上，送出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，微機(jī)利用該信號與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，可以計(jì)算出車身的側(cè)傾程度；車身高度傳感器安裝于車身與車橋之間，用來測量車身與車橋的相對高度，其變化頻率和幅度可反映車身的平順性信息，同時(shí)還用于車高的自動調(diào)節(jié)。 4.4 高速開關(guān)閥的設(shè)計(jì) 高速開關(guān)閥早期主要應(yīng)用在一些要求快速操作的液壓系統(tǒng)中。其后，由于其數(shù)字化的特征在計(jì)算機(jī)控制的液壓系統(tǒng)中受到重視。高速開關(guān)閥于脈寬調(diào)節(jié)（PWM）控制結(jié)合后，人們發(fā)現(xiàn)只要控制脈沖的寬度，開關(guān)閥就能像其他的數(shù)字流量閥一樣，對流量進(jìn)行連續(xù)的控制，因此而使高速開關(guān)閥成為一種有前途的數(shù)字閥。雖然普通的電磁閥也具有同樣的開關(guān)數(shù)字特征，但普通電磁閥的響應(yīng)時(shí)間較慢，常在幾十毫秒級。由分析知，開關(guān)原件的響應(yīng)速度直接影響系統(tǒng)的控制性和穩(wěn)定性。響應(yīng)速度越快，穩(wěn)定性越好，控制精度也越高。因此普通的電磁開關(guān)閥并不適宜于作為PWM控制的元件。 高速開關(guān)閥按工作的位置數(shù)目及通數(shù)可分為三位四通，二位三通和二位二通三種，而以二位二通最常見。按電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置可分為螺管電磁鐵式，盤式電磁鐵式，力矩馬達(dá)和壓電晶體式等多種。按閥芯的結(jié)構(gòu)形式可分為圓柱滑閥式，球閥式，錐閥式和噴嘴擋板式。 圖4.2壓電晶體式高速開關(guān)閥 1：閥桿 2：閥體 3：電磁線圈 4：壓電晶體疊合元件 4.4.1壓電晶體式告訴開關(guān)閥 壓電晶體是一種利用在壓電材料上施加一定的電壓，電壓材料會產(chǎn)生相對應(yīng)的變形，利用該變形帶動滑閥閥芯運(yùn)動的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件。壓電晶體工作時(shí)無噪音，工作可靠性及穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)微型化，尤其是他的響應(yīng)非?？?，可達(dá)到20~150千赫茲，分辨率非常高，可達(dá)，可獲得極高的位移精密度,外形如圖4-2。設(shè)計(jì)有多層壓電晶體的疊合元件4左右分別施加電壓時(shí)，閥芯1被驅(qū)動，閥芯帶著閥體2左右移動來控制油液。 4.5本章小節(jié) 本章主要介紹了阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組成及工作原理，節(jié)流閥，高速開關(guān)閥的設(shè)計(jì)與外部尺寸，還介紹了影響節(jié)流閥流量穩(wěn)定性的因素。從而確定了自動液壓調(diào)節(jié)阻尼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第5章 懸架剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在部分小轎車、越野汽車和大型豪華客車上的電子控制懸架系統(tǒng)中，每個(gè)車輪上都采用了空氣彈簧和普通減震器。改變空氣彈簧氣壓腔中壓縮空氣的壓力（實(shí)際上是改變空氣的密度），即可改變空氣彈簧懸架的剛度。根據(jù)空氣彈簧和普通減震器改變懸架剛度的原理，設(shè)計(jì)液壓式懸架剛度調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用一個(gè)蓄能器代替空氣彈簧，液壓缸代替普通減震器，通過空氣壓縮機(jī)的供氣及蓄能器的排氣改變蓄能器內(nèi)壓縮空氣的壓力，進(jìn)而改變懸架的剛度。 剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電控裝置、動力源、電液伺服閥、空氣壓縮機(jī)、蓄能器、油液作動器（液壓缸）、車身位置傳感器、電磁閥等組成[18]。 5.1 懸架剛度的自動調(diào)節(jié) 車身剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖5.1所示。 圖5.1車身高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)圖 1-液壓缸；2-蓄能器；3-M型三位四通閥；4-溢流閥；5-電動機(jī)；6-液壓泵；7-過濾器8-蓄能器 ；9-單向閥；10-空氣壓縮機(jī)；11-放氣閥；12-油箱 蓄能器與空氣壓縮機(jī)相連，通過液壓缸的壓力信號，由ECU控制空氣壓縮機(jī)向蓄能器補(bǔ)氣及蓄能器的排氣，利用蓄能器中壓縮空氣的多少來進(jìn)行剛度控制。當(dāng)壓力信號高出設(shè)定壓力時(shí)，空氣壓縮機(jī)向蓄能器補(bǔ)氣，使懸架的剛度增加，系統(tǒng)處于“硬” 狀態(tài)。液壓缸的壓力在設(shè)定范圍內(nèi)變化時(shí)，通過蓄能器的排氣及空氣壓縮機(jī)的補(bǔ)氣，使懸架的剛度減小，系統(tǒng)處于“軟”狀態(tài)。 當(dāng)汽車在路面上行駛時(shí)，ECU接收到各傳感器送來的信號后，和設(shè)定值比較，在壓力范圍內(nèi)變化時(shí)，液壓缸的壓力增加，ECU發(fā)出指令，通過電路控制打開蓄能器排氣閥，排氣來減小剛度。液壓缸的壓力減小，需要向蓄能器補(bǔ)氣來保持正常行駛壓力，ECU發(fā)送指令，通過電路控制，接通空氣壓縮機(jī)的電路，使空氣壓縮機(jī)開始工作，向蓄能器補(bǔ)氣。達(dá)到正常行駛壓力ECU控制空氣壓縮機(jī)停止工作。液壓缸壓力高出正常行駛壓力范圍時(shí)，ECU發(fā)送指令，控制空氣壓縮機(jī)電路，空氣壓縮機(jī)工作向蓄能器補(bǔ)氣，同時(shí)ECU還控制液壓系統(tǒng)電磁閥，向蓄能器供液壓油，提高系統(tǒng)剛度。 5.2 空氣壓縮機(jī)的選擇 空氣壓縮機(jī)屬于正壓發(fā)生裝置，它是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的能量轉(zhuǎn)換裝 置，提供高于大氣壓力的氣壓。排氣壓力高于的習(xí)慣上稱為壓縮機(jī)。 活塞式空氣壓縮機(jī)適用的壓力范圍大，特別適用于壓力較高的中小流量場合。目前仍是應(yīng)用廣泛的一種空壓機(jī)。螺桿式、離心式空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，排氣均勻。用于氣壓傳動是較新的具有發(fā)展前途的空壓機(jī)。螺桿式適用于低壓力，中小流量的場合，離心式則適用于低壓力大流量的場合。 空壓機(jī)的額定壓力應(yīng)略高于氣動系統(tǒng)的工作壓力。目前，一般氣動系統(tǒng)的工作壓力為0.5～0.8，因此選用額定排氣壓力為0.7～1的低壓空壓機(jī)。 特殊需要時(shí)，也可選用中壓1～10、高壓10～100甚至超高100 以上的空氣壓縮機(jī)。選擇空氣壓縮機(jī)的根據(jù)，是氣動系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量兩個(gè)主要參數(shù)。 1、輸出壓力 (5.1) = =8.2 式中 ——各氣動執(zhí)行元件使用的最高壓力 ； ——?dú)鈩酉到y(tǒng)的總壓力損失，一般令； 2、輸出流量 計(jì)算出各氣動設(shè)備所需的壓縮空氣流量后，轉(zhuǎn)換成自由空氣流量，再計(jì)算出空氣壓縮機(jī)的流量。 自由空氣流量，忽略溫度變化的影響，則 (5.2) = 式中 、——分別為壓縮空氣和自由空氣流量 ； 、——分別為壓縮空氣和自由空氣的絕對壓力 ； 自由空氣流量是指溫度在、大氣壓力為、相對濕度65%狀態(tài)下的流量。 (5.3) = 式中 ——?dú)鈩酉到y(tǒng)的最大總耗氣(自由空氣)量； ——漏損系數(shù)，考慮元件、管接頭及風(fēng)動工具磨損泄漏，～； ——備用系數(shù)，考慮系統(tǒng)中增添新氣動設(shè)備的余量，～； ——利用系數(shù)，若所有設(shè)備同時(shí)使用時(shí)，； 通常情況下，可令～。根據(jù)上面計(jì)算的和選擇容量稍大的壓縮機(jī)型號。蓄能器的壓力小于，所以選擇輸出壓力為中壓的空氣壓縮機(jī)～。 5.3 蓄能器的選擇 氣囊式蓄能器，通過上部的充氣閥向采用耐油橡膠制成的氣囊內(nèi)充入一定壓力的惰性氣體，氣體的壓力決定了蓄能器的壓力。當(dāng)系統(tǒng)的壓力高于蓄能器的壓力時(shí)，壓力油經(jīng)殼體底部的限位閥進(jìn)入蓄能器，壓縮氣囊內(nèi)的氣體，蓄能器儲存能量；當(dāng)系統(tǒng)的壓力低于蓄能器的壓力時(shí)，氣囊膨脹將壓力油通過限位閥輸出，蓄能器釋放能量。限位閥的作用是防止氣囊膨脹時(shí)從蓄能器油口處被擠出而損壞。此種蓄能器的氣體與液體完全隔開，氣囊慣性小、反映靈敏、體積小、質(zhì)量輕、安裝方便，適用于儲能和吸收壓力沖擊，工作壓力可達(dá)32MPa，是目前應(yīng)用最廣泛的蓄能器之一。 蓄能器的功用主要是存儲油液的壓力能。在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)液壓泵停止工作時(shí)蓄能器可以向系統(tǒng)提供壓力油，充當(dāng)應(yīng)急能源，使系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)維持壓力。液壓缸下腔容積變化大于上腔容積的變化，所以安裝一個(gè)體積僅為0.6L大小蓄能器。 為了保證系統(tǒng)壓力時(shí)，蓄能器還能釋放壓力油，應(yīng)取充氣壓力，對于皮囊式取～有利于提高其使用壽命。因，根據(jù)氣體狀態(tài)方程。 (5.4) 則有：，。 式中 ——為蓄能器工作狀態(tài)所確定的指數(shù)，； ——蓄能器的充氣壓力 ； ——蓄能器的最高工作壓力； ——蓄能器的最低工作壓力； ——蓄能器的容積 ； ——最高壓力時(shí)的氣囊容積 ； ——最低壓力時(shí)的氣囊容積 ； 為了減少功率損失，在伺服控制系統(tǒng)中采用一個(gè)蓄能器，靠近汽車懸架，并且蓄能器的容積為。此蓄能器在系統(tǒng)中還起到空氣彈簧的作用。 5.4 本章小節(jié) 本章主要介紹了剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組成及工作原理，通過傳感器向ECU發(fā)送信號，由ECU發(fā)出控制指令給空氣壓縮機(jī)和蓄能器排氣閥來完成懸架剛度的自動調(diào)節(jié)功能。還進(jìn)行了蓄能器及空氣壓縮機(jī)的選擇。 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)經(jīng)過對汽車懸架的發(fā)展現(xiàn)狀，對越野車液壓主動懸架的深入了解，結(jié)合在本科四年中學(xué)到的專業(yè)知識，設(shè)計(jì)了一種可以電控液壓自動調(diào)節(jié)車身高度，懸架阻尼，懸架剛度的主動懸架，并對該液壓系統(tǒng)做了系統(tǒng)性的分析。所得結(jié)論有以下幾點(diǎn)： 1：通過設(shè)計(jì)，查閱主動懸架的相關(guān)資料，設(shè)計(jì)整個(gè)懸架液壓系統(tǒng)，并加以理論說明。 2：通過液壓系統(tǒng)的深入了解，結(jié)合主動懸架知識，設(shè)計(jì)了電子控制液壓傳動的可以自動調(diào)節(jié)車身高度，懸架阻尼，懸架剛度的液壓系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。 3：在液壓控制方面，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)了節(jié)流閥，高速開關(guān)閥。選取了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件，傳感器，以及輔助件，使得液壓系統(tǒng)理論上匹配良好，運(yùn)行流暢，控制準(zhǔn)確。 需要進(jìn)一步研究的問題： 1：可以運(yùn)用專業(yè)軟件對此懸架系統(tǒng)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2：對系統(tǒng)進(jìn)行深入計(jì)算，分析系統(tǒng)的非線性控制問題。 參考文獻(xiàn) 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