汽车悬架理论

2009-1-11汽车悬架理论与设计授课对象：2005级本科生教研室：汽车系任课教师：李静车辆工程专业选修课程2009-1-12本课程的教学目的及主要内容2.主要内容a.第一章绪论——汽车悬架理论与设计发展现状、前轮定位参数以及双横臂和滑柱摆臂独立悬架导向机构及其设计任务1.教学目的—了解汽车悬架理论与设计的发展现状，自学悬架几何学，掌握独立悬架运动学和静力学分析方法，了解/掌握平顺性建模分析方法及半主动悬架知识b.第二章悬架几何学——讲解自由度及运动轨迹、速度瞬心、独立悬架、BeamTypeAxleSuspension、前悬架、独立后悬架、BeamTypeAxleRearSuspension、TwistAxleRearSuspension(选讲或自学)2009-1-13d.第四章独立悬架导向机构运动特性计算（分析）——空间机构学分析理论、双横臂独立悬架和滑柱摆臂独立悬架导向机构运动特性计算方法e.第五章独立悬架导向机构力学计算分析——双横臂独立悬架和滑柱摆臂独立悬架导向机构力学计算方法f.第六章汽车行驶平顺性仿真模拟研究——建立平顺性模型以及确定汽车振动系统响应量g.第七章阻尼可调减振器的设计理论——应用弹性圆环薄板大挠曲变形理论推导阻尼阀变形、减振器速度特性计算及模拟计算和试验结果c.第三章独立悬架导向机构对整车性能的影响——分析主销内倾角、主销后倾角、前轮前束、轮距及侧倾中心高度等变化特性对整车性能的影响，给出其合理变化特性2009-1-14第一章绪论§1.1汽车悬架理论与设计的发展现状1.独立悬架结构型式及导向机构运动特性研究现状„保证汽车具有合适的振动频率„各种工况均具有合适的减振性能„车轮跳动时，导向机构具有合理的运动特性„抑制制动“点头”、加速“后仰”和转向“侧倾”，保持车身稳定„可靠传递车轮与路面间的一切力和力矩，零部件质量轻、强度和寿命足够a.悬架设计应满足的要求2009-1-15¾双横臂独立悬架结构特点及应用实例——帕萨特轿车、本田雅阁、东风“EQ2050”越野车、一汽轻型汽车、南京依维克轻型汽车、红旗轿车¾滑柱摆臂独立悬架结构特点及应用实例——通用轿车、庆铃QL6470、福田BJ6486轻型客车、一汽奥迪轿车、富康轿车和捷达轿车b.双横臂悬架和滑柱摆臂悬架应用现状c.独立悬架导向机构运动特性分析软件c.ADAMS—AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystemd.基于理论建模的MATLAB软件编程—本课程重点介绍2009-1-162.电控悬架发展现状(点击察看WABCO悬架)2.1电控悬架组成及悬架分类(1)电控悬架组成(点击察看装车半主动悬架)a.传感器；b.电控单元；c.执行器；d.作动器汽车半主动控制悬架系统组成作用2009-1-17(2)悬架分类（点击察看装车列表）a.被动悬架—悬架刚度和阻尼不可调，在特定工况下能获得昀佳行驶平顺性和操纵稳定性b.主动悬架—以作动器（液压元件）代替弹簧和阻尼元件，作动器接收控制指令、产生保证良好行驶性能的悬架力。缺点：能耗大、所需传感器多、成本高c.半主动悬架—性价比介于主动悬架和被动悬架之间，已实现小批量装车；半主动悬架执行器为可调阻尼减振器，其阻尼调节级别少则两级，多则十几级，接近阻尼系数连续可调2009-1-18a.抑制制动“点头”、加速“后仰”及转向“侧倾”b.抑制换档引起的车身纵向“俯仰”c.抑制凸凹不平路面上的“颠簸”d.抑制高速行车时车身“下降”2.2电控悬架的作用—自动识别制动、加速、转向、高速、换档及凸凹路面等工况，实施不同的控制逻辑，获得昀佳行驶性能2009-1-192.3电控悬架控制方法a.多目标综合昀佳反馈控制——设定加速、制动、转向、良好路面及粗糙路面行驶等工况的行驶平顺性和操纵稳定性的综合昀佳目标，通过对悬架刚度或阻尼的有级控制，获得行驶性能b.昀优控制——应用现代反馈控制理论建立状态方程，根据控制目标确定昀优控制方案；较为实用的控制方案为部分状态反馈昀优控制，根据易测量状态信号估计全部状态c.预测控制——控制器根据传感器检测的汽车前方路况提前作出判断，能避免元器件响应滞后引起的控制失效，所需传感器等元器件较多、造价较高d.自适应控制——控制器根据不同路面确定优先保证的性能（行驶平顺性和操纵稳定性），同时根据车辆参数的变化确定悬架力2009-1-110e.鲁棒控制——在保证控制稳定的前提下，确定满足性能要求的悬架力f.变结构控制——当由系统状态变量确定的切换函数值随系统运动达到某特定值时，控制系统由一种结构变为另一种结构，其优点在于滑动模态能根据外界干扰和摄动自适应地调整g.模糊控制——根据模拟人的思维方法建立的模糊控制规则确定控制量，然后对控制量进行解模糊，得到精确控制值，其控制规则是专家经验和知识的结合，但这种控制方法实用少h.仿生优化控制——通过模拟生物进化的遗传、变异及优胜劣汰机制、蚁群觅食昀佳路径寻找机理、免疫细胞产生抗体的原理等提出了诸如遗传算法（GeneticAlgorithm，简称GA）、蚁群算法（AntColonyAlgorithm，简称ACA）、免疫算法（ImmuneAlgorithm，简称IA）以及粒子群优化算法（ParticleSwarmOptimization，简称PSO）2.3电控悬架控制方法2009-1-1112.4可调减震器设计理论a.减振器经验模型—根据减振器设计过程中积累的经验，以台架和道路试验为验证手段，进行减振器结构参数的确定；这种方法依赖于专业技术人员的设计经验，开发周期长b.小挠曲变形理论模型—减振器速度特性计算精度取决于弹簧阀片变形的计算精度。依据Kirchhoff假设，根据弹性力学建立阀片变形微分方程，利用边界条件进行求解。试验证明：由于减振器阀片变形不属于小挠曲变形，求解误差大、无实用价值c.近似大挠曲理论模型—以弹性圆环薄板小挠曲变形和大挠曲变形具有相同的解形式为假设，建立减振器速度特性的计算模型d.大挠曲变形理论模型—应用大挠曲变形理论建立用于分析减振器速度特性的模型，该模型计算精度满足工程计算要求2009-1-1122.5半主动悬架快速开发系统(1)作用——控制器开发过程中，要求能实时修改控制程序，并能将试验数据记录、存储到PC中。采用快速开发系统完成控制逻辑的纯数字模拟、实时硬件在环模拟（HardwareintheLoopSimulation）及实车道路试验，完成电控悬架的快速开发(2)组成及各部分作用a.PC机—仿真软件及控制程序b.双口RAM—工控机与单片机间数据交互c.编译系统—将控制程序C代码下载到双口RAMd.单片机/仿真卡—接受传感器信号，发出控制指令e.采集卡—传感器和执行器信号采集卡输入PC机f.人机界面—人与计算功机高级语言的对话窗口2009-1-113(2)半主动悬架开发的三个阶段a.纯数字模拟—PC将车辆状态信号传给双口RAM，单片机接收到车辆状态信号，双口RAM存储控制算法计算出控制指令，经输出接口传给PC车辆模型b.硬件在环模拟（Hardware-in-the-LoopSimulation）—PC机车辆模型产生的车辆状态信号和单片机控制命令由I/O口发出。与纯数字模拟区别在于输入信号（PC模型计算的车辆状态）和输出信号（控制指令）均经过输入电路和输出电路转化为物理信号进行传递，同时硬件逐渐取代模型2009-1-114(2)半主动悬架开发的三个阶段c.实车道路试验—车辆模型替换为实验样车、传感器、执行器和控制器等硬件，在实际道路试验环境下跳时控制算法。可将控制器的信号据实时取出存储、显示、处理及分析点击察看半主动悬架开发录像2009-1-115本节小结„本节在给出悬架设计的要求的基础上，讲解了电控悬架的组成、作用及控制方法，介绍了减振器设计理论的种类以及半主动悬架快速开发平台的作用和组成„重点掌握：悬架作用、双横臂和滑柱摆臂独立悬架结构、电控悬架组成、悬架分类、电控悬架作用2009-1-116结束2009-1-117具有合适的振动偏频车型偏频n/Hz静挠度fc/cm动挠度fd/cm货车1.5~2.25~116~9轿车0.9~1.610~307~9大客车1.3~1.87~155~8越野车1.4~2.06~137~13继续2009-1-118前后悬架振动偏频匹配合适„前后悬架系统的偏频(大小)匹配对汽车平顺性有很大影响„研究表明：若前后悬架偏频接近，则造成较大的车身俯仰角振动„理论分析表明：n1n2（即fc1fc2）比n1n2（fc1fc2）的车身角振动小，下标1、2表示前、后[n=5/sqrt(fc)]„观点：fc2=(0.6~0.8)fc1，即前悬架静挠度比后悬架大一些(即前悬架偏频比后悬架小一些)返回2009-1-119车轮跳动Æ引起导向机构运动特性变化„双横臂独立悬架导向机构简图„图中各关键线段和关键点的意义介绍„接地点G跳动Æ导向机构（如摆臂O2D和O1B、转向节BDEFP）运动Æ前轮定位参数和轮距变化Æ影响汽车行驶的转向特性、轮胎使用寿命等„导向机构运动特性：车轮由平衡位置上下跳动±40mm范围内，主销定位参数、前轮前束及轮距的变化特性（变化量和变化趋势）„保证导向机构运动特性合理返回2009-1-120①大量试验表明：人体包括心脏、胃部在内的“胸—腹”系统在垂直振动4~8Hz、水平振动1~2Hz范围内会出现明显共振—人体对振动昀敏感频率范围②分析ISO2631人体对振动反应的“疲劳功效降低界限”可知：（参看《汽车理论》第2版P169图6-2）水平振动影响介绍继续b.同一暴露时间下，2.8Hz以下水平方向允许加速度数值低于4~8Hz垂直振动允许加速度数值c.水平方向昀敏感频率范围1~2Hz的水平振动比垂直方向昀敏感频率范围4~8Hz的垂直振动允许值低1.4倍d.结论：对汽车振动环境，2.8Hz以下的振动占的比重相当大，故应当对俯仰振动引起的水平振动给予足够重视a.同一暴露时间下，2.8Hz水平方向振动允许加速度数值与垂直方向昀敏感的4~8Hz允许加速度数值相同2009-1-121ISO2631人体对振动反应的“疲劳-功效降低界限”—同一暴露时间下，2.8Hz水平方向振动允许加速度数值与垂直方向昀敏感的4~8Hz允许加速度数值相同a)垂直方向b)水平方向（x-纵向，y-横向）返回2009-1-122ISO2631人体对振动反应的“疲劳-功效降低界限”—同一暴露时间下，2.8Hz以下水平方向允许加速度数值低于4~8Hz垂直振动允许加速度数值a)垂直方向b)水平方向（x-纵向，y-横向）返回2009-1-123ISO2631人体对振动反应的“疲劳-功效降低界限”—水平方向昀敏感频率范围1~2Hz的水平振动比垂直方向昀敏感频率范围4~8Hz的垂直振动允许值低1.4倍a)垂直方向b)水平方向（x-纵向，y-横向）返回2009-1-124水平振动试验介绍水平振动试验介绍„试验曲线—初速度36km/h直线紧急制动车身俯仰角加速度车身俯仰角继续2009-1-125水平振动试验介绍水平振动试验介绍„试验曲线—车速为25km/h的紧急转弯工况车身侧倾角继续2009-1-126水平振动试验介绍水平振动试验介绍((点击察看试验录像点击察看试验录像第第1010’’5454’’’’))„试验曲线—低速通过减速带工况车身俯仰角返回2009-1-127双横臂独立悬架结构特点：返回„刚度和阻尼可根据需要调整，非簧载质量小、平顺性好„可通过合理布置导向机构使车轮不易发生跳摆并获得合理的前轮定位参数变化特性„可降低发动机和驾驶室质心高度，降低整车质心高度2009-1-128„占用空间小、适于FF（发动机前置、前轮驱动）汽车采用„减震器和弹簧一体，结构紧凑、成本低，便于装配、维修„前轮外倾和前束易于调整„设计上易保证负的主销偏移矩，增加制动稳定性„结构易保证主销轴线离车轮中心较近，使转向操纵省力„悬架上支点和下摆臂球头距离较大，车身连接点作用力小„减振器侧向力大、增大摩擦力，缩短寿命、性能变差滑柱摆臂独立悬架结构特点：返回2