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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(jiǎn)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(dòng)，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(jí)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(guò)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(dòng)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(dòng)，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(kāi)的，每一側(cè)的車輪可以單獨(dú)的通過(guò)彈性懸架與車架（或車身）連接，兩側(cè)車輪可以單獨(dú)跳動(dòng)，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(lái)，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(wàn)不要以為它很簡(jiǎn)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(duì)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(dòng)，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(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架及主動(dòng)懸架三種。
1、 被動(dòng)懸架
被動(dòng)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(dòng)。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(dòng)。由于這種懸架是由外力驅(qū)動(dòng)而起作用的，所以稱為被動(dòng)動(dòng)懸架。
傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(duì)局部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)改善乘坐舒適性有利，但對(duì)改善輪胎的動(dòng)載荷不利，故在被動(dòng)懸架設(shè)計(jì)中需要針對(duì)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(wèn)題，這就必然導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無(wú)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(dòng)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(duì)汽車懸架的性能也提出了越來(lái)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(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架得了迅速發(fā)展并逐漸在轎車上應(yīng)用。
2、主動(dòng)懸架
主動(dòng)懸架是近十幾年發(fā)展起來(lái)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(shí)，是一種比較復(fù)雜的高技術(shù)裝置。例如裝置了主動(dòng)懸架的法國(guó)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(dòng)壓力、踏動(dòng)油門(mén)踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤(pán)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(guò)控制減振器內(nèi)油壓的變化產(chǎn)生抽動(dòng)，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(dòng)。因此，桑蒂雅轎車備有多種駕駛模式選擇，駕車者只要扳動(dòng)位于副儀表板上的“正常”或“運(yùn)動(dòng)”按鈕，轎車就會(huì)自動(dòng)設(shè)置在最佳的懸架狀態(tài)，以求最好的舒適性能。
主動(dòng)懸架具有控制車身運(yùn)動(dòng)的功能。當(dāng)汽車制動(dòng)或拐彎時(shí)的慣性引起彈簧變形時(shí)，主動(dòng)懸架會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與慣力相對(duì)抗的力，減少車身位置的變化。例如德國(guó)奔馳2000款Cl型跑車，當(dāng)車輛拐彎時(shí)懸架傳感器會(huì)立即檢測(cè)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(dòng)懸架
半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的構(gòu)造與主動(dòng)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(dòng)懸架系統(tǒng)中可控阻尼器代替了主動(dòng)懸架的主動(dòng)力作動(dòng)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(dòng)懸架中實(shí)施剛度控制比阻尼控制困難得多，所以對(duì)半主動(dòng)懸架的研究目前大多數(shù)都只限于阻尼控制問(wèn)題，利用合適的控制律，它可提供介于主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架之間的性能。半主動(dòng)懸架除了需要少量能量驅(qū)動(dòng)電磁閥外，并不需要外加動(dòng)力源，代表了性能提高和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)懸架又可以分為連續(xù)可控式和分級(jí)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(jí)可控式中只有幾種阻尼系數(shù)可供選擇切換。
1.2主動(dòng)懸架系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀為普遍,
如自從汽車發(fā)明以來(lái)，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(huì)很好。1908年螺旋彈簧開(kāi)始用于轎車，當(dāng)時(shí)就曾經(jīng)有兩種截然不同的意見(jiàn)。第一種意見(jiàn)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(jué)。另一種意見(jiàn)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(kāi)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(wú)疑提高了懸架的性能，但無(wú)論怎樣改良，此時(shí)的懸架仍然屬于被動(dòng)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(guò)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(lái)評(píng)價(jià)，操縱穩(wěn)定性則可以通過(guò)車輪的動(dòng)載來(lái)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(huì)導(dǎo)致車體位移的增加。由此產(chǎn)生車體重心的變動(dòng)將引起輪胎負(fù)荷變化的增加，對(duì)操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；另一方面，增加彈簧剛度會(huì)提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對(duì)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(guó)外在50年代就提出了主動(dòng)懸架的概念。主動(dòng)懸架采用有源或無(wú)源可控元件組成的一個(gè)閉環(huán)或開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外部輸入的變化（路面激勵(lì)或者駕駛員方向盤(pán)的操作）作出反應(yīng)，主動(dòng)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(dòng)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(dòng)懸架簡(jiǎn)稱全主動(dòng)懸架，而無(wú)源主動(dòng)懸架則簡(jiǎn)稱半主動(dòng)懸架。半主動(dòng)懸架由可調(diào)節(jié)彈簧或可調(diào)阻尼器構(gòu)成，與全主動(dòng)懸架相比，最大的優(yōu)點(diǎn)就是工作幾乎不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，因此受到廣泛重視?！?
由于被動(dòng)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(duì)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(dòng)懸架在設(shè)計(jì)上以不斷改進(jìn)被動(dòng)元件而實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性的目標(biāo)，但始終無(wú)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(dòng)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(dòng)地控制汽車的振動(dòng)。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(wú)限Q45轎車上應(yīng)用了新式主動(dòng)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(dòng)控制懸架特性變化。手動(dòng)開(kāi)關(guān)可選擇兩種擋位：1.“SPORT”擋位，剛性高，相當(dāng)于高級(jí)跑車的懸架特性。2.“TOURING”擋位，柔性，相當(dāng)于高級(jí)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(duì)先進(jìn)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)代表。
ABC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員從一開(kāi)始就沒(méi)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(dòng)。他們認(rèn)為，從穩(wěn)定性考慮，通過(guò)抑制車身在行駛時(shí)的起伏、傾斜及跳動(dòng)，可以最大限度地提高舒適性，而且更簡(jiǎn)單直接。對(duì)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(guò)這方面的驗(yàn)證。隨著近年來(lái)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(dòng)懸架變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的條件越來(lái)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(dòng)式車身控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱ABC 。
傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)工作方式主要是通過(guò)厚重的車身跳動(dòng)，推壓液壓油，通過(guò)阻尼減振器抑制車身的振動(dòng)，并由螺旋彈簧將跳動(dòng)能量吸收。這種完全被動(dòng)的方式當(dāng)然有許多不足之處。而ABC系統(tǒng)則通過(guò)感應(yīng)最輕微的車輪及車身動(dòng)作，在任何大的車身振動(dòng)之前及時(shí)對(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)整的液壓缸根據(jù)不同的路面情況自動(dòng)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(guò)傳感器感知，自動(dòng)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(dòng)能量。同樣的方法，ABC系統(tǒng)還能夠避免轎車在制動(dòng)、加速及轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的車身傾斜。當(dāng)汽車制動(dòng)或拐彎時(shí)的慣性引起彈簧變形，懸架傳感器會(huì)檢測(cè)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(shuō)，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(duì)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(dòng)壓力、踏動(dòng)油門(mén)踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤(pán)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(dòng)以適應(yīng)汽車的每一種行駛狀況。
ABC系統(tǒng)使汽車對(duì)側(cè)傾、俯仰、橫擺、跳動(dòng)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(dòng)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(duì)地面的附著力提高，以充分發(fā)揮輪胎的驅(qū)動(dòng)制動(dòng)作用。此外汽車的載重量無(wú)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(dòng)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(dòng)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(dòng)懸架由于其參數(shù)固定從根本上造成了兩者的矛盾，主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器的控制閥，通過(guò)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合ECU的控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車車身高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，阻尼及剛度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
主動(dòng)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(dòng)懸架和半主動(dòng)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(dòng)懸架技術(shù)會(huì)漸漸走向成熟，從而可極大地提高汽車性能，使得主動(dòng)懸架具有廣闊的應(yīng)用前景。
1.4 本課題的研究?jī)?nèi)容
設(shè)計(jì)一套越野汽車液壓式主動(dòng)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(dòng)懸架是一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括測(cè)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(cè)量系統(tǒng)通過(guò)傳感器獲得車輛振動(dòng)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(dòng)。
第2章 汽車液壓式主動(dòng)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)
主動(dòng)懸架是近十幾年發(fā)展起來(lái)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(shí)，是一種比較復(fù)雜的高技術(shù)裝置。例如裝置了主動(dòng)懸架的法國(guó)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(dòng)壓力、踏動(dòng)油門(mén)踏板的速度、車身垂直方向的振幅及頻率、轉(zhuǎn)向盤(pán)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(guò)控制減振器內(nèi)油壓的變化產(chǎn)生抽動(dòng)，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(dòng)。因此，桑蒂雅轎車備有多種駕駛模式選擇，駕車者只要扳動(dòng)位于副儀表板上的“正常”或“運(yùn)動(dòng)”按鈕，轎車就會(huì)自動(dòng)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(dòng)懸架與主動(dòng)懸架的對(duì)比
主動(dòng)懸架是一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括測(cè)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(cè)量系統(tǒng)通過(guò)傳感器獲得車輛振動(dòng)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(dòng)。由于主動(dòng)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(jí)轎車中有所應(yīng)用。與之相比，半主動(dòng)懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、基本不需要消耗能量等優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)振動(dòng)的控制效果在一定程度上卻可以接近主動(dòng)懸架，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于被動(dòng)懸架，因而越來(lái)越受到業(yè)界的重視，得到了飛速發(fā)展從動(dòng)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(duì)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(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)是成本低、有較高的可靠性。缺點(diǎn)是無(wú)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(jué)。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(duì)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(lái)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(hào)，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(zhǎng)，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(lái)提高車身的穩(wěn)定性；而長(zhǎng)時(shí)間在低速不平的路面行駛時(shí)，控制單元會(huì)使懸架變軟來(lái)提高車子的舒適性。
電控主動(dòng)式液壓懸架系統(tǒng)的控制形式是較先進(jìn)的形式，主動(dòng)懸架就屬于這一類形式，它采用一種有源方式來(lái)抑制路面對(duì)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(duì)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(guò)程中就無(wú)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(dòng)時(shí)可以抑制車輛姿勢(shì)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(shì)。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(dòng)懸架的工作原理
液壓式主動(dòng)懸架就是在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上加裝個(gè)可以產(chǎn)生作用力的動(dòng)力裝置，由動(dòng)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(guò)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(mén)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(dòng)懸架控制系統(tǒng)通過(guò)加速度傳感器測(cè)得其加速度信號(hào)，再經(jīng)電荷放大器將所有的電信號(hào)放大以使其與控制器的輸入電信號(hào)幅值相匹配；最后再由控制器對(duì)所測(cè)得的電信號(hào)按照事先設(shè)計(jì)好的控制規(guī)律進(jìn)行處理，得到對(duì)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(lái)控制液壓缸，使其作用出相應(yīng)的動(dòng)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(dòng)。理論上，這一動(dòng)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(wú)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(dòng)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(guò)能力。但電控主動(dòng)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(duì)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(guò)活塞桿上下的壓力差產(chǎn)生主動(dòng)控制力，控制器根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)整作動(dòng)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(hào)，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(lái)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(cè)得的信息輸入ECU，經(jīng)處理后控制伺服閥動(dòng)作，使液壓缸上、下腔壓力變化推動(dòng)活塞上下動(dòng)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(dòng)機(jī)；6-液壓泵；7-過(guò)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(dòng)懸架的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)懸架進(jìn)行了系統(tǒng)性的對(duì)比研究，了解其類的優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明液壓主動(dòng)懸架的基本工作原理，基本控制功能，對(duì)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(dòng)器（液壓缸），并由電控裝置、動(dòng)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(dòng)器（液壓缸），并由電控裝置、動(dòng)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(dòng)機(jī)；6-液壓泵；7-過(guò)濾器；8-油箱
ECU根據(jù)車高傳感器信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(hào)將與ECU存儲(chǔ)的車高量不符，ECU就會(huì)發(fā)出指令，伺服閥通電打開(kāi)，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(dòng)作接通回油油路，液壓油回油箱，車身下降
車身高度自動(dòng)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(dòng)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(dòng)降低車身高度，以改善行車的操縱穩(wěn)定性和液力傳動(dòng)特性。當(dāng)汽車行駛于起伏不平度較大的路面時(shí)，主動(dòng)升高車身，避免車身于地面或懸架的磕碰。
3、自動(dòng)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(duì)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)于無(wú)桿腔內(nèi)徑
(3.1)
式中 ——負(fù)載??；
——液壓缸工作壓力 ；
2、對(duì)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(dòng)速度比（即面積比）來(lái)確定即：
(3.2)
缸的速度比過(guò)大會(huì)使無(wú)桿腔產(chǎn)生過(guò)大的背壓，速度比過(guò)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(jiàn)表3.1和工作壓力，選擇速度比，則：
查閱液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(wú)桿腔面積
(3.3)
4、液壓缸無(wú)桿腔面積
(3.4)
5、導(dǎo)向長(zhǎng)度
(3.5)
=
6、活塞寬度
～ (3.6)
7、導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)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(wú)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(dòng)過(guò)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(wú)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(dòng)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(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、輸油均勻以及壽命長(zhǎng)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(hào)為YB-D50定量葉片泵。
3.4 電動(dòng)機(jī)的選擇
液壓系統(tǒng)采用YB-D50型的葉片泵供油，驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)功率為
(3.20)
即選取型號(hào)-52的電動(dòng)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(cè)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(lái)測(cè)量車身與車橋的相對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)。選擇霍爾（HL）信號(hào)發(fā)生器或笛黃管式信號(hào)發(fā)生器，利用相對(duì)位置的變化，產(chǎn)生不同的HL電壓信號(hào)或?qū)ń刂剐盘?hào)，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(duì)直流電動(dòng)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(dòng)懸架對(duì)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(guò)流截面，進(jìn)而改變油液作動(dòng)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(duì)懸架油液作動(dòng)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(guò)程中防止車身沖擊、制動(dòng)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(dòng)力源、電液伺服閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、油液作動(dòng)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(mén)開(kāi)度（燃油噴射）傳感器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、車身和懸架加速度傳感器、制動(dòng)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(pán)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速、車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和汽車制動(dòng)等信號(hào)，ECU通過(guò)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(dòng)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(dòng)扇形擋板轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)程
ECU根據(jù)傳感器和控制開(kāi)關(guān)信號(hào)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(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guò)節(jié)流閥的流動(dòng)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(guò)程
當(dāng)ECU根據(jù)傳感器和控制開(kāi)關(guān)信號(hào)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(dòng)扇形擋板沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)機(jī)；6-液壓泵；7-過(guò)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(kāi)關(guān)信號(hào)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(kāi)，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(huì)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(duì)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(guò)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(lái)表征。見(jiàn)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(dòng)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(jiàn)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(guò)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(duì)流量的影響就越大，薄壁孔
（＝0.5）比細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)孔節(jié)流口，即避免使流體在層流狀態(tài)下流動(dòng)；而是盡可能使節(jié)流口形式接近于薄壁孔口，也就是說(shuō)讓流體在節(jié)流口處的流動(dòng)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(duì)流量穩(wěn)定性的影響
當(dāng)開(kāi)口度不變時(shí)，若油溫升高，油液粘度會(huì)降低。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)孔，當(dāng)油溫升高使油的粘度降低時(shí)，流量Q就會(huì)增加。所以節(jié)流通道長(zhǎng)時(shí)溫度對(duì)流量的穩(wěn)定性影響大。而對(duì)于薄壁孔，油的溫度對(duì)流量的影響是較小的，這是由于流體流過(guò)薄刃式節(jié)流口時(shí)為紊流狀態(tài)，其流量與雷諾數(shù)無(wú)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(duì)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(kāi)得太小就容易被臟物堵住，使通過(guò)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(zhǎng)到一定厚度時(shí)，會(huì)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(dòng)；(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(cè)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(pán)轉(zhuǎn)角傳感器安裝于轉(zhuǎn)向柱上，通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)間接地把汽車轉(zhuǎn)向程度（快慢、大?。┑男畔⑺徒o微機(jī)；加速度傳感器實(shí)際上是與油門(mén)踏板連接的節(jié)氣門(mén)動(dòng)作傳感器，將加速動(dòng)作信號(hào)送給微機(jī)；制動(dòng)壓力傳感器安裝于制動(dòng)管路中，當(dāng)制動(dòng)時(shí)，它向微機(jī)發(fā)送一個(gè)階躍信號(hào)，表示制動(dòng)，使微機(jī)產(chǎn)生并輸出抑制“點(diǎn)頭”的信號(hào)；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(hào)，微機(jī)利用該信號(hào)與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，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(lái)測(cè)量車身與車橋的相對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)。
4.4 高速開(kāi)關(guān)閥的設(shè)計(jì)
高速開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)閥就能像其他的數(shù)字流量閥一樣，對(duì)流量進(jìn)行連續(xù)的控制，因此而使高速開(kāi)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(kāi)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(jí)。由分析知，開(kāi)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(kāi)關(guān)閥并不適宜于作為PWM控制的元件。
高速開(kāi)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(jiàn)。按電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置可分為螺管電磁鐵式，盤(pán)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(kāi)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(kāi)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(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的變形，利用該變形帶動(dòng)滑閥閥芯運(yùn)動(dòng)的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件。壓電晶體工作時(shí)無(wú)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(dòng)，閥芯帶著閥體2左右移動(dòng)來(lái)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(kāi)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(dòng)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(guò)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(dòng)力源、電液伺服閥、空氣壓縮機(jī)、蓄能器、油液作動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)；6-液壓泵；7-過(guò)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(guò)液壓缸的壓力信號(hào)，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(lái)進(jìn)行剛度控制。當(dāng)壓力信號(hào)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(guò)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(lái)的信號(hào)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(guò)電路控制打開(kāi)蓄能器排氣閥，排氣來(lái)減小剛度。液壓缸的壓力減小，需要向蓄能器補(bǔ)氣來(lái)保持正常行駛壓力，ECU發(fā)送指令，通過(guò)電路控制，接通空氣壓縮機(jī)的電路，使空氣壓縮機(jī)開(kāi)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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)合，離心式則適用于低壓力大流量的場(chǎng)合。
空壓機(jī)的額定壓力應(yīng)略高于氣動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力。目前，一般氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量?jī)蓚€(gè)主要參數(shù)。
1、輸出壓力
(5.1)
=
=8.2
式中 ——各氣動(dòng)執(zhí)行元件使用的最高壓力 ；
——?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)的總壓力損失，一般令；
2、輸出流量
計(jì)算出各氣動(dòng)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(duì)壓力 ；
自由空氣流量是指溫度在、大氣壓力為、相對(duì)濕度65%狀態(tài)下的流量。
(5.3)
=
式中 ——?dú)鈩?dòng)系統(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(dòng)工具磨損泄漏，～；
——備用系數(shù)，考慮系統(tǒng)中增添新氣動(dòng)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(hào)。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(guò)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(chǔ)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(guò)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(kāi)，氣囊慣性小、反映靈敏、體積小、質(zhì)量輕、安裝方便，適用于儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(guò)傳感器向ECU發(fā)送信號(hào)，由ECU發(fā)出控制指令給空氣壓縮機(jī)和蓄能器排氣閥來(lái)完成懸架剛度的自動(dòng)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(guò)對(duì)汽車懸架的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)越野車液壓主動(dòng)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(shí)，設(shè)計(jì)了一種可以電控液壓自動(dòng)調(diào)節(jié)車身高度，懸架阻尼，懸架剛度的主動(dòng)懸架，并對(duì)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(guò)設(shè)計(jì)，查閱主動(dòng)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(shuō)明。
2：通過(guò)液壓系統(tǒng)的深入了解，結(jié)合主動(dòng)懸架知識(shí)，設(shè)計(jì)了電子控制液壓傳動(dòng)的可以自動(dòng)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(kāi)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(wèn)題：
1：可以運(yùn)用專業(yè)軟件對(duì)此懸架系統(tǒng)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入計(jì)算，分析系統(tǒng)的非線性控制問(wèn)題。
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)作為對(duì)大學(xué)生在校最后階段的一次綜合知識(shí)檢驗(yàn)以及能力的考核，對(duì)我們來(lái)說(shuō)有著相當(dāng)深遠(yuǎn)的意義。它全方位的檢驗(yàn)的學(xué)生在大學(xué)四年所學(xué)過(guò)的課程及學(xué)習(xí)效果，并通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)成果從各方面反應(yīng)了學(xué)生各方面的綜合能力以及在某些方面的欠缺和不足，使我們從心里準(zhǔn)備在以后的學(xué)習(xí)和工作中不斷完善自己。畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是由學(xué)校走向社會(huì)的一個(gè)階梯，可以初步了解自己的工作能力。培養(yǎng)了學(xué)生積極思考，勤奮刻苦的工作態(tài)度為以后的工作打下基礎(chǔ)。
本次設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是在安永東老師的細(xì)心指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和修改完成的。安永東老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使我受益匪淺、終生難忘將是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的楷模。在整個(gè)畢