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 1.悬架的基本功能

  汽车的悬架装置是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称,主要由弹簧(如板簧、螺旋弹簧、扭杆等)、减振器和导向机构三部分组成。当汽车行驶在不同路面上而使车轮受到随机激励时,由于悬架装置实现了车体和车轮之间的弹性支承,有效地抑制、降低了车体与车轮的动载和振动,从而保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性,达到提高平均行驶速度的目的。图5.1.1表示了由螺旋弹簧和液压筒式减振器所组成的普通悬架,这种悬架当结构确定后,其弹簧刚度K和减振器的阻尼系数C在汽车行驶过程中都不能人为地加以控制改变,即具有固定的悬架刚度和阻尼系数,因而也称之为被动悬架。这种悬架所产生的弹性力和”阻尼力由道路和车速等条件决定,虽然不能适应广泛的道路状况,但因其加工容易、成本低,目前仍然是汽车上的主导装备产品。

  汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标,但这两个方面是相互排斥的性能要求。平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、司机座椅处等)的加速度响应来评价,操纵稳定性则可以借助车轮的动载来度量。图5.1.2表示出的弹簧刚度和减振器阻尼不同时车体加速度与轮胎负荷变化之间的关系。例如,若降低弹簧的刚度,则车体加速度减小使平顺性变好,但同时会导致车体位移的增加,由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加,对操纵稳定性产生不良影响;另一方面,增加弹簧刚度会提高操纵稳定性,但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感。,使平顺性降低。因此,理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼,既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。被动悬架因具有固定的悬架刚度和阻尼系数,在结构设计上只能在满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷,无法达到悬架控制的理想目标。如图5.1.2所示,赛车由于行驶速度高,道路条件复杂多变,需要确保良好的操纵稳定性,为此以牺牲一定的平顺性为代价;豪华轿车一般行驶环境良好,为确保良好的平顺性,则以牺牲一定的操纵稳定性为代价。为了使被动悬架能够对不同的道路条件具有一定的适应性,通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性,如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器等。

  图5.1.3所示为一种汽车被动悬架中常用的双筒液压减振器,以液压油液为工作介质,由于液体流过节流阀时产生与车体和车轮振动速度相反方向的节流阻力,从而起到衰减车体和车轮振动的效果。减振器工作时,将工作缸和活塞相对远离(相应于车轮弹向地面)的过程叫作复原行程,而把工作缸和活塞相对移近(相应于车轮弹向车体)的过程叫作压缩行程。汽车行驶时,减振器处于“压缩一复原”两个行程的连续交变过程中,工作液体流经工作缸中的活塞阀和工作缸与储油腔之间的底阀系,两个阀系之间的相互协调配合便构成了产生始终与振动方向相反的减振阻力。

  减振器所产生的阻尼力随着其工作速度(定义为活塞与工作缸筒的相对速度)变化的关系称为减振器的速度特性。如图5.1.4所示。速度特性是评价减振器性能好坏和进行悬架匹配设计的基础。图中的Fe和Ve代表复原阻力和复原速度,Fc和Vc代表压缩阻力和压缩速度。当速度相同时,通常Fc=(0.25~0.50)Fe。图示的速度特性曲线可分为三个阶段,即常通孔节流阶段,此时阻尼系数为Ce和Cc,且有Fe=Ce·v,Fc=Cc·v;以后是以弹性元件控制阀门进行节流的阶段,也有一个近似线性的阻尼系数(可以用Ce'和Cc'来表示),第三是弹性元件达到最大的变形量,控制阀达到最大开度的阶段,此时以较大的常通孔节流为基础,形成更高的工作阻力,并且有近似线性的阻尼系数(可以用Ce''和Cc''来表示)。这样,可把整个非线性速度特性看成是分段线性的。由于在不同的阶段减振器所提供的阻尼力不同,这三种速度阶段的阻尼力变化关系也称为被动悬架的“三级阻力控制”。阻力随速度变化关系的好坏直接影响着汽车的平顺性和操纵稳定性。低工作速度阶段对应于低车速或较好路面,此时以平顺性为主要矛盾,所提供的阻尼力较低,高工作速度阶段对应于高车速或较坏路面,此时以操纵稳定性为主要矛盾,所提供的阻尼力较高。

  电子控制汽车悬架的基本目的是通过控制调节悬架的刚度和减振器阻尼,突破被动悬架的局限区域;使汽车的悬架特性与行驶的道路状况相适应,保证平顺性和操纵稳定性两个相互排斥的性能要求都能得到满足。目前,采用电子控制的悬架主要有主动和半主动悬架两种,电子控制的半主动悬架已经达到了商品化的程度,而主动悬架目前还处在以理论研究和样机研制为主的阶段。

  2.主动悬架的基本概念

  由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷,所以,对于不同的使用要求,只能是在满足主要性能要求的,基础上牺牲次要性能,无法适应广泛的性能需求和道路条件。尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标,但始终无法彻底解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。为此,自60年代起产生了主动悬架的概念,并且随着现代控制理论和电子技术的发展及其在汽车上的广泛应用,为从根本上解决平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求展示出了新的途径。

  主动悬架的组成如图5.1.5所示,采用电液执行机构取代了被动悬架的弹簧和减振器。主动悬架既无固定的刚度又无固定的阻尼系数,可以随着道路条件的变化和行驶需要的不同要求而自动地改变弹簧刚度和减振器阻尼系数。能够实现对每个车轮进行单独控制,是悬架控制的最终目标。主动悬架一般包括决策和执行两大部分,决策部分由ECU和传感器等组成闭环控制系统,通过监测道路条件、汽车的运行状态和驾驶员的需求,按照所设定的控制规律向执行机构适时地发出控制命令;执行部分包含装在每个车轮上的电液执行机构、动力源等。目前液压伺服机构是主动悬架较为理想的执行机构。结构布置上千种方法是采用液压伺服缸与普通弹簧并联,优点是用被动弹簧来承受车体重量,可以使所需的外界能源大大减少,但执行机构需要有较高的频响特性;另一种方法是采用液压伺服缸与普通被动弹簧串联,优点是执行机构仅需具有较低的频响特性即可,但所需要的外界空间和外界能源相对较大。

  在理论和实践研究中,所选择的主动悬架控制方法主要有反馈控制、预测控制和决策控制三种。

  ①反馈控制。图5.1.6为进行主动悬架研究通常采用的l/4汽车模型和反馈控制框图。主动悬架反馈控制方法实现了执行机构实时连续调节,对控制系统的稳定性、精确性和反应速度要求较高,需测量的信息和计算量较大。通常是采用最优控制算法和自适应控制算法,将“悬架控制”处理成为跟踪问题或随机干扰滤波器问题。最优控制算法是应用状态空间方法,采用状态变量表达加权的二次性能指标,通过求解优化问题获得控制执行机构的最优控制规律。这种控制规律在某种意义上是一定的性能指标(通常是车体加速度均方值)达到最小;自适应控制算法是通过对车体和悬架系统的状态监测,在线积累与控制作用有关的信息,并修正控制系统的结构参数和控制规律,使给定的性能指标尽可能达到最优并保持最优。

  ②预测控制。如图5.1.7所示,预测控制是在反馈控制的基础上,由附加的预测时间L/V/(L为测量距离,V为车速)的遥测传感器及有关的电子系统构成。这样的系统中发出有关控制指令所需的未来信息可预先测量到,而不是当“干扰”经历车轮时再“响应”,就能使执行机构韵动作与实际要求相同步,从而不仅可以减少动力需求,同时也能改善行驶性.能。研究解决有关控制指令所需的信息如何得到,又如何以更有效的方法应用到悬架控制中的问题称为“预测控制”。预测控制系统的控制规律中包含了状态变量线性函数的反馈和未来干扰积分函数的前馈部分。其中前馈部分用于校正执行机构的惯性,这对车轮意味着有较好的路面形状跟踪性能,对车体则意味着有较平缓的瞬态响应。因此,预测控制是降低路面干扰对车轮和车体冲击的有效方法。其中,如果在前馈部分中对全都未来干扰积分函数进行计算,称为无限预测:如果未来干扰是由确定性或由白臊声输入已知成型滤波器产生的,仅仅需要计算[0,L/V]范围内的积分,则称为有限预测。

  ③决策控制。这种控制方法是预先测量汽车在不同路面和工况下行驶的振动响应,并通过优化计算得到所需的最佳悬架刚度和阻尼系数,存入主动悬架控制系统ECU的ROM中。实际应用中,ECU不断地检测汽车行驶过程中的振动响应,即刻查出对应工况下应选的最优或次优悬架刚度和减振器阻尼系数,控制执行机构作出响应。

  主动悬架同时改善了汽车的平顺性和操纵稳定性,为悬架的理论和实践研究带来了重大变革。但是,尽管其优点是显而易见的,而且在发达工业国家中已经出现了装有.主动悬架的样车,但将主动悬架推上汽车生产线仍然是二个审慎而缓慢的过程。首先,因为主动悬架的控制系统需要复杂的传感器和电子控制设备,执行机构不仅要选用高精度的液压伺服装置,而且要较大的外部动力来驱动,导致成本高、结构复杂、可靠性低,只有主动悬架所需的硬件,特别是执行机构变得更为经济可靠时,才有可能使之进入决定性的市场发展阶段;其次,主动悬架研究的基本经验和教训是“现行的主动悬架”摆脱了众所周知的“平顺性和操纵稳定性”之间的矛盾,但却引起了新的“性能与执行机构功率”之间‘的矛盾+,即主动悬架驱动执行机构所需的功率相当可观,为此,自70年代开始就产生了介于主动悬架与被动悬架之间的折衷方案,即半主动悬架。

  3.半主动悬架的基本概念

  半主动悬架通常是指悬架元件中弹簧刚度和减振器阻尼系数之一可以根据需要进行调节控制的悬架。为了减少执行机构所需的功率,半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面。阻尼可以根据需要进行调节的减振器也称为可调阻尼减振器或主动减振器,在概念上类似f普通减振器,但其工作油液的通流面积可以通过控制阀进行调节。完成这一工作仅需要提供调节控制阀、控制器和反馈调节器等所消耗的较小功率,能够达到半波近似主动悬架的控制规律,因而代表了主动悬架与被动悬架之间的折衷。

  采用电子控制的半主动悬架已经实现了商品化,可以进行悬架刚度与减振器阻尼系数的有级调节和车高的自动调节控制,主要用在高级轿车和面包车上,且应用范围正在扩大。图5.1.8所示为丰田汽车公司生产的具有车高调节、悬架刚度和减振器阻尼“软/中/硬”有级转换控制的半主动悬架系统结构,可以对四个车轮进行单独控制。在不同汽车上所采用的控制系统ECU结构和输入输出信号大同小异,ECU主要由输入电路、微处理器、输出电路和电源电路等四部分组成。如图5.1.9所示为采用Motorola电子器件组织设计的悬架电子控制系统结构框图,系统由ECU及其接口、执行机构和传感器等组成,通过串行接口和汽车其它部件电子控制ECU进行通讯。

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