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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（論文）
第1章 緒 論
1.1 懸架系統(tǒng)簡介
汽車懸架是車架（車身）與車橋（車輪）之間彈性連接的部件，主要由彈性元件、導(dǎo)向裝置及減振器三個基本部分組成[1]。原始的懸架是不能夠進行控制調(diào)節(jié)的被動懸架，在多變環(huán)境或性能要求高且影響因素復(fù)雜的情況下，被動懸架難以滿足期望的性能要求。隨著電液控制、計算機技術(shù)的發(fā)展以及傳感器、微處理器及液、電控制元件制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了可控的智能懸架系統(tǒng)，即電子控制懸架系統(tǒng)。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。
1.1.1 懸架的功能
懸架是現(xiàn)代汽車的重要總成之一，一般由彈性元件、阻尼元件以及導(dǎo)向機構(gòu)等組成。懸架應(yīng)具備的功能如下：支撐車身或車體；將車體與車軸彈性的連接起來，有效的抑制、衰減、隔離來自不平路面的沖擊，以提供良好的乘坐舒適性；傳遞車輪和車體間一切力與力矩，使輪胎盡量跟隨著地面，盡量減弱外因引起的車身姿態(tài)變化，以提供良好的操縱穩(wěn)定性。其中的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性是兩個相互矛盾的要求。例如：應(yīng)用軟懸架，如降低彈簧剛度，可以減小車身的加速度，滿足乘坐舒適性，但同時增加了車身重心變化的幅度，加大了車輪的動載，而影響操縱穩(wěn)定性，而應(yīng)用硬懸架可以限制汽車姿態(tài)變化，保證輪胎良好接地，滿足操縱穩(wěn)定性但同時也會破壞平順性的要求。懸架對汽車的行駛平順性、乘坐舒適性及操縱穩(wěn)定性等多種使用性能都有很大的影響，因此懸架設(shè)計一直是汽車設(shè)計人員非常關(guān)注的問題之一。
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，如圖1.1所示[2]。
1、被動懸架
目前在汽車上普遍采用的懸架，仍多為被動懸架。被動懸架概念是在1934年由Olley提出的。它通常是指：結(jié)構(gòu)上只包括彈簧和阻尼器(減振器)的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的被動懸架雖然結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉且不消耗外部能源，但因為其參數(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，進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計；而且懸架元件僅對局部的相對運動做出響應(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)計人員無法使參數(shù)優(yōu)化達到期望的最優(yōu)性能指標(biāo)。所以傳統(tǒng)被動懸架難以實現(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。
圖1.1 懸架分類
2、主動懸架
主動懸架的思想誕生于1955年，由GM公司的Federspiel—Labrosse提出，并最先應(yīng)用到雪鐵龍2cv車型上。1965年，Rockwell與Kimica探討了伺服機械做主動動力吸振器的原理，為車輛主動懸架控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。設(shè)計主動懸架意圖正是為了避免被動懸架中的一些矛盾原則，它利用可控的具有隨機調(diào)節(jié)參數(shù)和信號處理能力的元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)懸架的元件，來達到改善汽車行駛安全性和平順性的目的。主動懸架通常包括三部分：傳感器，控制器以及執(zhí)行機構(gòu)，并由它們與汽車系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中控制器是整個系統(tǒng)的信息處理和管理中心，它接受來自各個傳感器的信號，依據(jù)特定的數(shù)據(jù)處理方法和控制規(guī)律，進而決定并控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，從而達到改變車身的運動狀態(tài)、滿足隔振減振要求的目的。在整個懸架控制中，控制算法(包括狀態(tài)估計、模型辨識以及控制規(guī)律)是決定主動懸架系統(tǒng)控制質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。主動懸架的執(zhí)行機構(gòu)通常由能夠產(chǎn)生具有一定頻率寬度的力或力矩的作動器及相應(yīng)的外加動力源構(gòu)成。主動懸架系統(tǒng)目前常見的實現(xiàn)形式有兩種，一種是當(dāng)前使用較多，通常稱作并聯(lián)式的主動懸架。它是在被動懸架的基礎(chǔ)上，再增加一個驅(qū)動器，由于只需在被動懸架的基礎(chǔ)上補充部分能量，因而消耗的能量小。當(dāng)主動懸架出現(xiàn)故障時，它仍能按被動懸架方式工作。另一種是獨立式的主動懸架。這種主動懸架是懸置質(zhì)量和非懸置質(zhì)量之間完全由作動器連接，并由作動器吸收和補充全部能量，該懸架的機械結(jié)構(gòu)簡單，但消耗的能量多。當(dāng)主動懸架出現(xiàn)故障，就無法正常工作。這也是主動懸架的缺點。
3、半主動懸架
半主動懸架系統(tǒng)的概念出現(xiàn)得較早，概念于1937年被D.A.Crosby和D.c.Karnopp首次提出。半主動懸架旨在以接近被動懸架的造價和復(fù)雜程度來提供接近主動懸架的性能。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 國內(nèi)、外汽車主動懸架系統(tǒng)發(fā)展概況
車輛主動懸架的研究在國內(nèi)外，尤其在國外得到了廣泛的開展，許多大學(xué)與大汽車公司對主動懸架進行了理論與實踐的研究，并取得了一些成果。對主動懸架的研究主要從兩個方面展開：一是各種可能模型的主動懸架及其特性的研究。二是控制規(guī)律的研究。采用不同的控制規(guī)律和數(shù)學(xué)模型，所獲得的懸架特性是不一樣的，因此采用什么樣的模型和控制規(guī)律以及與之對應(yīng)的懸架特性是什么，是主動懸架研究的一個重要方面[3]。
國外一些發(fā)達工業(yè)國家雖然己在某些車型上應(yīng)用了主動懸架的產(chǎn)品，但在控制算法的改進、系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強、性能價格比的提高等方面仍有大量工作要做。例如文獻中韓國的Han. S.-S.和Choi. S.-B.對一種新型的電流變化懸架系統(tǒng)進行了研究[4]。國內(nèi)清華大學(xué)已于1997年建成了主動油氣懸架試驗系統(tǒng)，但目前國內(nèi)的研究尚處于懸架系統(tǒng)控制算法的優(yōu)化設(shè)計和理論分析階段。所以，采用合適的控制方法，研究和開發(fā)滿足主動懸架這一非線性、時變系統(tǒng)的有效、快速、可靠、高智能度、造價合理的控制器，是主動懸架研究的重中之重。
車輛懸架振動控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)是車輛動力學(xué)與控制領(lǐng)域的前沿課題。引入主動控制技術(shù)后的懸架是一類復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其研究進展和開發(fā)應(yīng)用與機械動力學(xué)、電磁力學(xué)、流體傳動與控制、測控技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、材料科學(xué)等多個學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)。近年來，隨著相關(guān)學(xué)科和高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是高性價比微處理器的普及，使得研究實用的主動懸架振動控制系統(tǒng)成為可能。
現(xiàn)今，汽車的舒適性和安全性越來越受人們關(guān)注。并且隨著高速公路網(wǎng)的發(fā)展，汽車車速有了很大程度的提高，而被動懸架系統(tǒng)限制了汽車性能的進一步提高，現(xiàn)代汽車對懸架的要求除了能保證其基本性能外，還致力于提高汽車的行駛安全性和乘坐舒適性，向高附加值、高性能和高質(zhì)量的方向發(fā)展。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，以微電腦為代表的電子設(shè)備，因性能的大幅度改善和可靠性的進一步提高，促成汽車電子裝置的高可靠性、低成本和空間節(jié)省，使電子控制技術(shù)被有效地應(yīng)用于包括懸架系統(tǒng)在內(nèi)的各個部分。通過采用電子技術(shù)來實現(xiàn)汽車懸架系統(tǒng)的控制，既能使汽車的乘坐舒適性達到令人滿意的程度，又能使汽車的操縱穩(wěn)定性達到最佳狀態(tài)。因此，主動懸架必將是今后汽車懸架發(fā)展的方向，必將有一個光輝的前景。
1.3 課題的目的與意義
汽車在行駛時，路面的不平度會激起汽車的振動，當(dāng)這種振動達到一定程度時，將使乘客感到不舒適或運載貨物的損壞。對彈簧剛度控制，改變彈簧剛度，使懸架滿足運動或舒適的要求。懸架性能還會引起車身姿態(tài)發(fā)生變化(俯仰和側(cè)傾)，也會使乘客感到不舒適，并且會影響行車安全。對阻尼力控制，用來提高汽車的操縱穩(wěn)定性，在急轉(zhuǎn)彎、急加速和緊急制動情況下，可以抑制車身姿態(tài)的變化。車高調(diào)整，當(dāng)汽車在起伏不平的路面行駛時，可以使車身抬高，以便于通過；在良好路面高速行駛時，可以降低車身，以減少空氣助力，提高操縱穩(wěn)定性。本設(shè)計根據(jù)汽車主動懸架的工作過程和工作要求，設(shè)計一套液壓式主動懸架系統(tǒng)，利用液壓能對車輛的懸架系統(tǒng)的減振剛度、阻尼力強度和車身高度進行調(diào)節(jié)。
由于主動懸架能根據(jù)檢測到的車輛和環(huán)境狀態(tài)，主動及時地調(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)，因而，隨著現(xiàn)代汽車車速的提高和車總體質(zhì)量的減輕，有關(guān)車輛主動懸架的研究己成為世界各國汽車業(yè)矚目的熱點。懸架的設(shè)計必須滿足行駛平順性(Ride Comfort)和操縱穩(wěn)定性(Handling Stability)等性能的要求。而隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的舒適性、安全可靠性的要求越來越高，傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)已很難滿足這些要求。主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、車速、轉(zhuǎn)向角度及速率、制動等信號，由電子控制單元(ECU)控制懸架執(zhí)行機構(gòu)，使懸架系統(tǒng)的剛度、減振器阻尼力及車身高度等參數(shù)得以改變。同時，由于車輪與路面之間的動載荷，還會影響到它們的附著效果，因而會影響到汽車的操縱性、安全性及對路面的破壞；因此，研究車輛振動和受力，采取有效措施，將其控制在最低水平，對于改善車輛的乘座舒適性、操縱穩(wěn)定性具有很重要意義。本課題通過對汽車液壓式主動懸架系統(tǒng)的設(shè)計，可為開發(fā)研制一種新型的汽車主動懸架系統(tǒng)提供一條新的途徑，具有一定的實際應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，同時通過本設(shè)計的完成也可進一步培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力，培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力，增強工程設(shè)計能力。
1.4 本課題的研究內(nèi)容
設(shè)計一套汽車液壓式主動懸架系統(tǒng)。所設(shè)計的懸架系統(tǒng)能根據(jù)車況進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，傳遞給控制中心進行處理，進而由控制中心發(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
現(xiàn)代汽車中的懸架有兩種，一種是從動懸架，另一種是主動懸架。被動懸架即傳統(tǒng)式的懸架，是由彈簧、減振器、導(dǎo)向機構(gòu)等組成，它的功能是減弱路面?zhèn)鹘o車身的沖擊力，衰減由沖擊力而引起的承載系統(tǒng)的振動。其中彈簧主要起減緩沖擊力的作用，減振器的主要作用是衰減振動。由于這種懸架是由外力驅(qū)動而起作用的，所以稱為從動懸架。主動懸架的控制環(huán)節(jié)中安裝了能夠產(chǎn)生抽動的裝置，采用一種以力抑力的方式來抑制路面對車身的沖擊力及車身的傾斜力。由于這種懸架能夠自行產(chǎn)生作用力，因此稱為主動懸架[5]。
2.1 從動懸架與主動懸架的優(yōu)缺點
從動懸架設(shè)計的出發(fā)點是滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進行折衷，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)點是成本低、有較高的可靠性。缺點是無法解決同時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有較強烈的顛簸感覺。采用較軟的螺旋彈簧，以適應(yīng)崎嶇不平的路面，提高乘坐汽車時的平穩(wěn)性及舒適性，但是這樣的汽車操縱性較差[6]。
主動懸架是由電腦控制的一種新型懸架，具有能夠產(chǎn)生作用力的動力源，執(zhí)行元件能夠傳遞這種作用力并能連續(xù)工作，具有多種傳感器并將有關(guān)數(shù)據(jù)集中到微電腦進行運算并決定控制方式。因此，主動懸架匯集了力學(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。采用主動式懸架其優(yōu)點是汽車對側(cè)傾、俯仰、橫擺跳動和車身的控制都能更加迅速、精確，汽車高速行駛和轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性提高，車身側(cè)傾減少。制動時車身前俯小，啟動和急加速可減少后仰。即使在壞路面，車身的跳動也較少，輪胎對地面的附著力提高。缺點是裝置復(fù)雜，技術(shù)要求高，價錢高昂。
2.2 電控空氣懸架系統(tǒng)和電控液壓懸架系統(tǒng)的比較
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[7]。電控主動空氣懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)本身的負荷情況、行駛狀態(tài)和路面情況等，主動調(diào)節(jié)包括懸架系統(tǒng)的阻尼力、汽車車身高度和行駛姿勢、彈性元件的剛度在內(nèi)的多項參數(shù)，采用氣壓結(jié)構(gòu)來控制車身平衡，并且空氣彈簧和減震器能抵消大部份路面?zhèn)鬟f的短波和長波震動。該系統(tǒng)由空氣壓縮機、空氣干燥器、儲氣筒、流量控制電磁閥、前后懸架控制用電磁閥、空氣彈簧和它們之間的連接管路等組成。
電控主動式液壓懸架系統(tǒng)的控制形式是較先進的形式，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行調(diào)節(jié)，因此使懸架性能的進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)基本上具有三個功能：一是具有車高調(diào)節(jié)功能。不管車輛負載在規(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)向時產(chǎn)生的側(cè)傾。當(dāng)車輛在凸凹不平的道路上行駛時，可提高車身高度；當(dāng)車身高速行駛時，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，又能提高車身增加通過能力。但電控主動空氣懸架的缺點也很明顯，成本高昂、維護保養(yǎng)成本高。所以對液壓式懸架進行設(shè)計。
2.3.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計特點：
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，達到車身高度理想值。（如圖2.1所示）
1-油箱；2-粗過濾器；3-精過濾器；4-冷卻器；5-溢流閥；6-單向閥；7-壓力繼電器；8-伺服閥；9-二位三通電磁換向閥；10-蓄能器；11-液壓缸；12-節(jié)流閥；13-蓄能器；14-排氣閥；15-單向閥；16-空氣干燥器；17-空氣壓縮機；18-電動機；19-壓力表；20-液壓泵。
圖2.1 液壓伺服控制系統(tǒng)原理圖
2.3.2 電控液壓式主動懸架的工作原理
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。在此主要介紹電控液壓懸架系統(tǒng)的組成和原理。
電子控制液壓式主動懸架系統(tǒng)由動力源、壓力控制閥、液壓缸、傳感器、控制器（懸架控制ECU）等組成，如圖2.2所示為電子控制液壓式主動懸架簡化原理圖[8]。
-非簧載質(zhì)量；-簧載質(zhì)量；-輪胎剛度；-懸架彈簧剛度；-作用力發(fā)生器
圖2.2 電子控制式主動懸架系統(tǒng)的簡化原理圖
作為動力源的液壓泵產(chǎn)生壓力油，供給各輪的液壓缸，使其獨立工作。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向發(fā)生側(cè)傾時，汽車外側(cè)車輪液壓缸的油壓升高，內(nèi)側(cè)車輪液壓缸的油壓降低，油壓信號被送至ECU，ECU根據(jù)此信號來控制車身側(cè)傾。由于在車身上分別裝有上下、左右、前后、車高等高精度的加速傳感器，這些傳感器信號送入ECU并經(jīng)分析后，對油壓進行調(diào)節(jié)，可使轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾最小。同理，在汽車緊急制動、急加速或在惡劣路面上行駛時，液壓控制系統(tǒng)對相應(yīng)液壓缸的油壓進行控制，使車身姿勢變化最小[9]。
2.4 本章小節(jié)
本章首先分析了從動懸架與主動懸架的優(yōu)缺點以及對電控空氣懸架系統(tǒng)和電控液壓懸架系統(tǒng)的比較。確定了液壓系統(tǒng)方案，并設(shè)計了液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，并介紹了液壓式主動懸架的工作原理。
第3章 車身高度調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計
車高控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車身負載的變化自行調(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)行機構(gòu)通常由空氣或油氣彈簧組成，因而高度調(diào)節(jié)機構(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 車身高度控制的原理
1-油箱；2-粗過濾器；3-精過濾器；4-冷卻器；5-溢流閥；6-單向閥；7-壓力繼電器；8-伺服閥；9-二位三通電磁換向閥；10-蓄能器；11-液壓缸；12-壓力表；13-電動機；14-液壓泵。
圖3.1 車身高度控制系統(tǒng)原理圖
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，三位四通伺服閥動作，接通供油油路，液壓泵供液壓油進入液壓缸支撐腔，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，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，直到車高達到規(guī)定的高度為止。當(dāng)車身需要下降時，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，如圖3.1所示。
汽車正常行駛時，車高傳感器沒隔0.008s測定一次車高位置，ECU經(jīng)過20s采集數(shù)后取平均值。車高數(shù)據(jù)被記憶下來，并與控制模式中標(biāo)準(zhǔn)車高進行比較，判斷此時車高是否合適。若處于常模式，則車高應(yīng)在中狀態(tài)，若處于高狀態(tài)，則車高應(yīng)在高狀態(tài)。如果判斷車高位置不適當(dāng)，電液伺服閥將動作，將車身調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢肹10]。
車身高度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實現(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，控制系統(tǒng)能自動降低車身高度，以減小懸架系統(tǒng)負荷，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，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，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)的主要特點是車載變化不影響懸架工作行程，它對車輛性能改進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[11]。
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（圖2.2）： ，，，。
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，噪聲較低。在條件允許時，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)負載和供油壓力計算液壓缸的內(nèi)徑[12]。
1、對于無桿腔內(nèi)徑
(3-1)
式中 ——負載??；
——液壓缸工作壓力 ；
2、對于雙作用單桿活塞液壓缸，其活塞缸直徑可根據(jù)往復(fù)運動速度比（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，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)計手冊，將計算所得的液壓缸內(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)
式中 ——取滿載質(zhì)量為；
——液壓缸行程 ；
——油彈性模量 ；
——有桿腔面積與無桿腔面積比；
（2）求最小加速時間
(3-9)
（3）求液壓缸的最大速度
(3-10)
式中 ——總循環(huán)時間 ；
（4）求最大加速度
(3-11)
（5）求液壓缸達到最大速度時所需要的流量
(3-12)
（6）求液壓缸運動過程中需要達到的最大壓力，其中：
(3-13)
(3-14)
（7）液壓系統(tǒng)所需供油壓力
(3-15)
3.3 液壓缸外形尺寸的計算與校核
1、計算缸筒的壁厚及外徑強度校驗
(3-16)
當(dāng)～時，按下式校驗強度，即
(3-17)
式中 ——缸體材料的許用應(yīng)力 ，??；
——最高工作壓力 ；
——試驗壓力，工作壓力小于時，，；
——液壓缸缸筒厚度 ；
——液壓缸內(nèi)徑 ；
——強度系數(shù)，對于無縫鋼管，；
——壁厚公差及腐蝕的附加厚度，通常圓整到標(biāo)準(zhǔn)厚度值；
外徑強度滿足設(shè)計要求[13]。
2、缸筒外徑的計算
(3-18)
式中 ——根據(jù)機械設(shè)計手冊有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?。?
3、液壓缸油口直徑的計算
(3-19)
取
式中 ——液壓缸油口直徑 ；
——液壓缸內(nèi)徑 ；
——液壓缸最大輸出速度 ；
——油口液流速度 ；
4、缸底厚度計算
(3-20)
取
式中 ——缸底厚度 ；
——液壓缸內(nèi)徑 ；
——試驗壓力 ；
——缸底材料的許用應(yīng)力 ；
5、活塞桿直徑強度及穩(wěn)定性校驗
活塞桿直徑強度按下式校驗強度，即
(3-21)
式中 ——液壓缸負載 ；
——缸底材料的許用應(yīng)力 ；
當(dāng)安裝桿長度與其直徑d之比≥10，并且桿件承受壓載荷時，則需校驗穩(wěn)定性。液壓缸承受的壓負載，不能大于液壓缸保持工作穩(wěn)定性所允許的臨界負載。
液壓缸的穩(wěn)定條件為
(3-22)
式中 ——液壓缸臨界負載 ；
——穩(wěn)定安全系數(shù)，通常取2～4；
按等截面法，將活塞桿與缸體視為一個整體桿件，可按歐拉公式計算臨界負載，即：
(3-23)
則：
式中 ——活塞桿截面二次極矩，為活塞直徑對于實心桿，；
——活塞桿材料彈性模量，對于鋼材；
——末端條件系數(shù)，；
——活塞桿計算長度 ；
所以活塞桿直徑強度及穩(wěn)定性校驗滿足強度要求。
根據(jù)機械設(shè)計手冊中DG型車輛用液壓缸確定表明外形尺寸，如表3.2所示。
表3.2 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸
40
50
121
M20×1.5
28
20
45×36
173
200
43
40
54
24
3.4 液壓泵的選擇
1、液壓缸的工作壓力
(3-24)
式中 ——液壓缸的工作壓力 ；
——負載??；
——液壓缸無桿腔面積 ；
2、液壓泵的工作壓力
～ (3-25)
3、液壓缸所需流量
(3-26)
——液壓缸的最大速度 ；
4、液壓泵輸出流量
～ (3-27)
本模型中，負載工作壓力約為；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、運動平穩(wěn)、噪聲小、輸油均勻以及壽命長等優(yōu)點，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)計要求，其選取型號為YB-D50定量葉片泵。
3.5 電動機的選擇
液壓系統(tǒng)采用YB-D50型的葉片泵供油，驅(qū)動液壓泵的電動機功率為
(3-28)
即選取型號-52的電動機。
3.6 車身高度傳感器的選擇
根據(jù)控制工程經(jīng)驗，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]。
3.7 伺服閥的選擇
在電液控制系統(tǒng)中，電液伺服閥既起電氣信號與液壓信號之間的轉(zhuǎn)換作用，又起信號放大作用，因此，其性能對系統(tǒng)的特性影響很大，是系統(tǒng)的核心元件[16]。
從第一級閥的結(jié)構(gòu)型式上分，電液伺服閥主要有三種：滑閥、噴嘴擋板閥、射流管閥。
滑閥式伺服閥放大倍數(shù)高，在多級伺服閥中常做功率放大級。但加工精度要求高，價格貴，對油液污染較敏感。
噴嘴擋板閥的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，運動部分慣量小，位移小，所以反應(yīng)快，精度和靈敏度高，對油液污染不太敏感。缺點是:流量增益小，無功損耗大。故一般把它作為前置放大級。
射流管閥的優(yōu)點是：構(gòu)造簡單，動作靈敏，不易被雜質(zhì)堵塞，工作較可靠。缺點是：特性不易預(yù)測，慣性大，動態(tài)響應(yīng)較慢。故適用于低壓，功率較小的伺服系統(tǒng)。
根據(jù)系統(tǒng)要求本文選擇了力反饋式噴嘴擋板閥，其結(jié)構(gòu)原理如圖3.2所示。力反饋式噴嘴擋板閥的第一級液壓放大器為雙噴嘴擋板閥，由永磁動鐵式力矩馬達控制，第二級液壓放大器為四通滑閥，閥芯位移通過反饋桿與銜鐵擋板組件相連，構(gòu)成滑閥位移力反饋回路。
在零位時，力矩馬達輸入差動電流，銜鐵在零位時，擋板在零位，兩個噴嘴控制腔間沒有壓差，閥芯在反饋桿的作用下?lián)茉诹阄弧７答亸椈蓷U的一端固定在擋板上，而另一端作用在閥芯上，反饋桿起到使閥芯對中的作用。當(dāng)有輸入電流時，假定擋板向左偏轉(zhuǎn)，左噴嘴中的壓力升高而右噴嘴的壓力下降，兩個噴嘴的壓力差作用在閥芯端面上，推動閥芯向右移動。這時的反饋彈簧桿一方面要隨擋板順時針方向偏轉(zhuǎn)而向左移動，另一方面又要隨閥芯向右移動而迫使擋板回向零位。
1-力矩馬達；2-彈簧管；3-擋板；4-噴嘴；5-反饋彈簧管；6-閥芯；7-固定節(jié)流口；8-精油濾。
圖3.2 力反饋電液伺服閥
由圖3.2可見，當(dāng)擋板順時針方向偏轉(zhuǎn)的同時閥芯又向右移動。反饋彈簧桿將向逆時針方向彎曲變形。最終，擋板位置雖不在零位但接近于零位，兩噴嘴間的壓差不等于零但也接近于零。反饋桿彎曲變形后作用于閥芯上的彈簧力與閥芯端面上的液壓力平衡。銜鐵上的電磁力矩與彈簧管變形時的彈簧力矩、噴嘴口液流力形成的力矩及反饋彈簧桿彎曲變形形成的力矩相平衡。擋板位移雖小而閥芯的位移量卻可以較大，伺服閥的輸出流量因較大而較大，伺服閥的線性因擋板位移較小而較好。由于主閥芯的位移、噴嘴與擋板之間的間隙、銜鐵的轉(zhuǎn)角都于輸入電流成正比，因此伺服閥的流量也和輸入電流成正比，改變輸入電流的大小與方向，也就改變了伺服閥輸出流量的大小與方向。從本質(zhì)上看，力反饋式電液伺服閥是閉環(huán)控制，故性能較好。
現(xiàn)選QDY10型電液伺服閥，額定流量(閥壓降7MPa輸出流量)為125，其頻寬40～120Hz，額定電流。
3.8 伺服放大器的選擇
伺服放大器主要有兩個作用：其一是電壓——電流轉(zhuǎn)換作用，即控制給電液伺服閥力矩馬達線圈的電流；其二是能保持力矩馬達電流在要求的安全值范圍內(nèi)。
伺服放大器選擇與QDY型電液伺服閥配套的SVA-11（TY）型通用伺服放大器。該伺服放大器的頻寬大于1KHz，可近似為比例環(huán)節(jié)，其增益可調(diào)，為1～5.7。
3.9 本章小節(jié)
本章主要介紹了車身高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的組成及工作原理，液壓缸主要參數(shù)的確定，根據(jù)某型桑塔納乘用車主動懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算液壓缸的內(nèi)徑與活塞桿的直徑，并對缸筒外徑和活塞桿進行強度校核，根據(jù)液壓元件主要參數(shù)的確定對直流電動機，電液伺服閥、蓄能器、傳感器進行了選擇。
第4章 懸架阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計
汽車液壓式主動懸架對阻尼的控制是跟據(jù)汽車負荷、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，進而改變油液作動器的阻尼力實現(xiàn)的。通常情況下，高速行駛的汽車希望有較強的阻尼力，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，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，可以達到急加速時防止車身后坐、換擋過程中防止車身沖擊、制動時防止車身 “點頭”以及轉(zhuǎn)彎時防止車身側(cè)傾等目的。
阻尼調(diào)節(jié)機構(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[17]。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)
可調(diào)阻尼裝置由執(zhí)行機構(gòu)和節(jié)流閥組成。執(zhí)行機構(gòu)放在節(jié)流閥閥桿頂部，由直流電機、小齒輪、扇形齒輪、擋塊以及電磁線圈等組成。ECU根據(jù)汽車行駛狀況給直流電機和電磁線圈施加不同強度的電流，電機依靠下部的小齒輪帶動扇形齒輪轉(zhuǎn)動，受電磁線圈控制的擋塊下端伸入扇形齒輪的凹槽中，用于限制扇形齒輪的極限轉(zhuǎn)角，從而確定與扇形齒輪相連的閥桿位置，閥桿控制閥芯可在節(jié)流閥上獲得不同的阻尼。阻尼調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)原理圖，如圖4.1所示。
1、阻尼“中等”的控制過程
當(dāng)ECU根據(jù)傳感器和控制開關(guān)信號確定阻尼為“中等”狀態(tài)時，控制單元向步進電機發(fā)出控制指令使其沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，因此小齒輪驅(qū)動扇形齒輪沿順時針方向轉(zhuǎn)動。直到扇形齒輪凹槽的一邊靠在擋塊上為止，即扇形齒輪順時針轉(zhuǎn)動，如圖4.2(a)所示。
1-油箱；2-粗過濾器；3-精過濾器；4-冷卻器；5-溢流閥；6-單向閥；7-壓力繼電器；8-伺服閥；9-二位三通電磁換向閥；10-蓄能器；11-液壓缸；12-節(jié)流閥；13-壓力表；14-電動機；15-液壓泵。
圖4.1 阻尼調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)原理圖
扇形齒輪轉(zhuǎn)動時，將同時帶動節(jié)流閥閥桿和閥芯轉(zhuǎn)動，閥芯上的阻尼孔也轉(zhuǎn)過
，此時，打開阻尼孔的截面積，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“堅硬”的控制過程
當(dāng)ECU根據(jù)傳感器和控制開關(guān)信號確定阻尼為“堅硬”狀態(tài)時，控制單元向步進電機發(fā)出控制指令使其沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，因此小齒輪驅(qū)動扇形齒輪沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。直到扇形齒輪凹槽的另一邊靠在擋塊上為止（從 “中等”位置開始計算，其轉(zhuǎn)角約為），如圖4.2(c)所示 與此同時，扇形齒輪帶動閥桿和閥芯轉(zhuǎn)動，閥芯上的阻尼孔完全關(guān)閉，液壓缸油液不能流動，因此液壓缸伸縮非常緩慢，使阻尼處于 “堅硬”狀態(tài)。
(a) (b) (c)
(a)阻尼“中等”；(b)阻尼“柔軟”；(c)阻尼“堅硬”。
圖4.2 扇形齒輪旋轉(zhuǎn)方向和位置
3、阻尼“柔軟”的控制過程
當(dāng)ECU根據(jù)傳感器和控制開關(guān)信號確定阻尼為“堅硬”狀態(tài)時，控制單元向步進電機和電磁線圈發(fā)出控制指令，使步進電機和扇形齒輪從阻尼 “中等”或“堅硬”的極限位置旋轉(zhuǎn)到如圖4.2(b)所示位置（從“中等”的極限位置逆時針旋轉(zhuǎn)，從“堅硬”的極限位置順時針旋轉(zhuǎn)）接通電磁線圈電流，其電磁吸力將擋塊吸出，使擋塊進入扇形齒輪凹槽中間部位的一個傲坑內(nèi)。與此同時，扇形齒輪帶動閥桿和閥芯轉(zhuǎn)動，閥芯上的阻尼孔全部打開，允許液壓缸油液以很快的速度經(jīng)過二位三通電磁換向閥流回油箱，因此液壓缸很快伸縮，使阻尼處于 “柔軟”狀態(tài)。
阻尼力越大，振動消除的越快，但也會使地面過大的沖擊載荷傳向車身，不利于乘坐舒適性的提高，同時，阻尼力過大還可能導(dǎo)致液壓缸連接零件及車身（車架）的損壞。為此，針對汽車行駛特點，特對節(jié)流閥提出以下要求：
在懸架的壓縮行程（車輪與車身相互靠攏）中，節(jié)流閥應(yīng)具有較小的阻尼力，以充分利用蓄能器和彈性元件的緩沖作用，以減小路面對車身的沖擊。在懸架的伸張行程（車輪與車身相互遠離）中節(jié)流閥應(yīng)產(chǎn)生較大阻尼力，以迅速衰減振動。
還可以選擇與位置傳感器剛性連接的電液比例閥。ECU根據(jù)傳感器信號向電液比例閥通電流I，通過電流I的大小控制節(jié)流閥阻尼孔通流截面積的大小，更加準(zhǔn)確的實現(xiàn)阻尼控制。
4.2 節(jié)流閥阻尼孔的確定
4.2.1 節(jié)流口的流量特性公式
對于節(jié)流孔口來說，可將流量公式寫成下列形式
(4-1)
圖4.3 節(jié)流口的流量特性曲線
式中 ?——節(jié)流口的通流面積 ；
——節(jié)流口前、后的壓差 ；
——節(jié)流系數(shù)，由節(jié)流口形狀、流體流態(tài)、流體性質(zhì)等因素決定，數(shù)值由實驗得出；
——由節(jié)流口形狀和結(jié)構(gòu)決定的指數(shù)，0.5<
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