车辆控制理论教材_第六章

《车辆控制理论教材_第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《车辆控制理论教材_第六章（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 车辆悬架的控制技术157第六章 车辆悬架的控制技术第一节 悬架系统概述一、悬架的作用悬架是现代汽车重要总成之一，它是车架（或车身）与车桥（或车轮）之间弹性连接的机构，一般由弹性元件、导向机构和减振器三部分组成，轿车的悬架还多装有横向稳定杆。弹性元件用来承受并支撑垂直载荷，缓和由不平路面引起的对车身的冲击。导向机构用来传递车轮和车身之间的一切力和力矩，并确定车轮相对车身的运动规律。减振器则用以衰减、限制由冲击载荷引起的车身振动。横向稳定杆的作用是提高车身的侧倾刚度并使汽车具有不足转向特性，以改善汽车的操纵稳定性，保证汽车正常行驶。悬架系统对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、通过性

2、、安全性等多种性能都有很大影响，因此悬架系统一直是汽车设计、研究人员非常关注的问题之一。 二、被动悬架、主动悬架、半主动悬架及其特点按悬架的工作原理不同，从控制力的角度来看，悬架可分为被动悬架（Passive Suspension） 、主动悬架（Active Suspension）及半主动悬架（Semi-active Suspension） 。下面对这三种悬架的特点作一些分析。（一）被动悬架被动悬架内无能源供给装置，其弹性和阻尼系数不会随外部状态而变化。图 6-1 是汽车上采用的几种典型的被动悬架，尽管各种悬架的结构不同，但研究来自不平路面的激励引起车体的垂直振动都可用图 6-2 所示的 1/

3、4 车辆力学模型表示。考虑到轮胎的弹性、阻尼特性对选用的轮胎来说是确定的，且固有频率远高于车体簧载质量的固有频率。为了分析被动悬架的簧载质量、悬架的刚度及阻尼系数对振动传递特性的影响，可把图 6-2 所示的力学模型进一步简化如图 6-3。以车体的静平衡位置作为原点，由系统动力学，可写出图 6-3 所示系统的运动微分方程为0)()(rsrss xkxcxm&（61）式中， 为 1/4 车体质量； 为车体的垂直位移； 为路面的垂直位移； 为悬架的阻s s r sc尼系数； 为悬架的刚度系数。sk对式（6-1）进行付氏变换，并由此得频响函数（6-sssXrs jckmjH)()2第六章 车辆悬架的控

4、制技术1582）式（6-2）的模为幅频特性，即第六章 车辆悬架的控制技术159第六章 车辆悬架的控制技术160(6-3)22 )()1()( jHXrs式中， 为频率比， 为悬架固有圆频率， 为悬n/snmk/ )2/(ssmkc架阻尼比。图 6-2 1/4 车体被动悬架模型 图 6-3 1/4 车体被动悬架简化模型对被动悬架， 与 在工作时是一定的，仅有汽车车体的质量因载人或载货不同是变sck化的。特别是货车，空载和满载时车体质量相差较大。当 与 恒定，由 和scksnmk/2可知，悬架的固有振动频率及阻尼比都随汽车的质量发生变化。)2/(ssmkc汽车在空载、部分载荷及满载时悬架对路面激励

5、的幅频特性如图 6-4。可见，汽车在空载行驶，由车轴到车体传递振动的频带宽，悬架的缓冲隔振效果差。为了改善因汽车载质量变化对悬架隔振缓冲性能的影响，汽车设计人员采用非线性悬架以降低汽车载质量变化对悬架传递振动特性的影响。由 可以推出，要保持 不随汽车snmk/2n质量 而变，只要悬架刚度满足条件： s（6-4） ssnsck2式中 为一常数。可见要维持 恒定，就需要弹性cnn元件的刚度应与簧载质量成正比。由图 6-5 可以求得，当弹性元件的特性曲线满足条件（6-2)(nxy常 数 5）时，即可满足条件式（6-4） 。求解微分方程（ 6-5）得弹性元件特性曲线（6-xnaey2图 6-4 车体载

6、质量变化对幅频特性的影响第六章 车辆悬架的控制技术1616）式中, ； 表示车体平均质量； 为相对参考点的静挠度（以车体平均质02snmk0sax量 对应的稳态工作点为参考点） ； 为悬架载质量； 为悬架在参考点的刚度。0s y0sk只要悬架的弹性元件具有式（6-6）的特性，它可使悬架的固有频率不会因车体质量的变化而变化。但在悬架上实现如此特性曲线有一定的困难，即便可以实现这一特性曲线，在实际应用时也存在以下问题：（1）由于车体质量变化，将导致悬架的静态工作点变化很大。如当汽车空载或满载时，悬架的静态工作点将处在弹性元件的两端，结果使车体的高度变化较大（参看图 6-5 中的工作点 A、B） 。

7、（2）当动载使悬架的负荷减少时，由于悬架刚度按指数规律降低，它将导致较大的单边动挠度。图 6-5 变刚度特性曲线（ ） 图 6-6 阻尼比对幅频特性的影响常 数n从上述分析可见，为了使被动悬架取得较为满意的性能，必须使悬架的固有振动频率和车身高度均保持不变。于是要求悬架的刚度特性必须是无级可调的，在不同的簧载质量下，悬架都相应有一条力位移曲线，故理想悬架的弹性特性应由一族曲线组成。装有车身高度调节装置的空气悬架或油气悬架，从理论上可以获得上述的特性曲线，但结构较为复杂，成本也较高。此外更重要的是要求驾驶员必须随时根据车载质量调节车身的高度与弹簧的刚度。因此，具有理想弹性特性曲线在被动悬架上实现

8、是困难的，这是被动悬架存在的本质问题之一。当 维持为一定时，由于簧载质量 的变化，还将导致悬架的阻尼比 的变化。如nsm阻尼比减小，这将导致悬架的幅频特性在固有频率处的幅度增加。 的变化对幅频特性的影响如图 6-6 所示。由图 6-6 可见，当阻尼比 过大，悬架在高频段的性能变差，而当过小，则在悬架的固有频率处的幅度较大。因此，为了取得满意的幅频特性，要求悬架的阻尼系数也必须是任意可调的。第六章 车辆悬架的控制技术162由于汽车的载荷经常变化，驾驶员既不能随时地去调节悬架的高度，也不能根据当前的工况去准确地调定阻尼比，这就是被动悬架不能实现连续传递特性的本质问题之二。从对被动悬架的分析可知，如

9、悬架的刚度和阻尼系数能根据装载质量实现自动调节，就能使悬架取得较好的隔振缓冲效果。于是在被动悬架中增加自动调节装置，使之能够根据汽车载荷和路面的不平度对悬架的阻尼比进行自动调节，或对阻尼与刚度两者同时进行调节，这就是在汽车上采用的半主动/主动悬架的基本思想。（二）主动悬架能同时调节阻尼和刚度系数的悬架称为主动悬架，其工作原理如图 6-7 所示。调节悬架的刚度涉及能量的释放，故这种调节方式必需由外部提供能量。主动悬架实际是主动力发生器，可根据汽车的质量和地面的冲击载荷，自动产生相应的力与其平衡，保证汽车在各种路面条件下都具有较好的平顺性，最终效果相当于在不同工况下都能自动调节悬架的刚度与阻尼系数

10、到最佳值的调节装置。从物理概念上说，这种力发生器相当于联系簧载质量与惯性空间的被动阻尼器，对于地面车辆来说，这个惯性空间是不可能存在的，所以将这种减振器称为虚拟惯性减振器。图 6-7 主动悬架工作原理(a)与被动悬架并置式主动悬架 (b)完全独立式主动悬架目前所采用的主动悬架有两种：一种是在被动悬架的基础上，再增加一个驱动器，如图 6-7（ a）所示。这种主动悬架只需要在被动悬架的基础上补充部分能量，因而需提供的能量较小。尤其当主动悬架出现故障，它仍能按被动悬架方式工作。这种主动悬架通常称为并置式主动悬架。另一种主动悬架是簧载质量与非簧载之间完全由驱动器连接，并由驱动器吸收和补充全部能量，如图

11、 6-7（b）所示。这种悬架的机械结构简单，但需提供的能量较多，当主动悬架出现故障，就无法正常工作。这种悬架通常称为完全独立式主动悬架或全主动悬架。主动悬架结构复杂，能耗大，造价也较高，不易普及。（三）半主动悬架仅仅调节阻尼力的悬架称为半主动悬架，其工作原理如图 6-8 所示。在车辆悬架中，弹性元件除了用于吸收和存贮能量外，还得承受车体的静止质量，所以在无源条件下，改变刚度要比改变阻尼困难得多，事实上，弹簧刚度的控制只能在空气弹簧或油气弹簧中实现。而调节悬架的阻尼，仅是消耗系统的能量，而不需要向系统提供能量，因而结构简单，第六章 车辆悬架的控制技术163造价低。因此半主动悬架正日益受到国内外汽

12、车工程界的普遍重视。半主动悬架阻尼力调节的实现方法目前主要有两种：一种是通过改变减振器节流口面积来实现；另一种是通过改变减振器工作液粘度来实现。这种方法所用的工作液有电流变体和磁流变体。研究表明，以磁流变体为工作液的阻尼调节性能较为优良，只用汽车蓄电池即可对磁流变体进行控制；而以电流变体为工作液的阻尼调节，则有变流体性能不稳定，价格高和需要高电压驱动 3 种困难。关于阻尼的控制方法可分为阻尼实时可调、阻尼根据路况无级可调和阻尼根据路况有级可调 3 种。对阻尼实时可调的系统，因为要求阻尼变化响应快（一般在 20Hz 以上） ，较难实现，实际应用不多；阻尼根据路况无级可调和有级可调这两种方法不关心

13、每个瞬时的阻尼调节，仅考虑在有限时段内使悬架阻尼最优，即统计意义上的最优，这两种方法对执行元件的要求低，易于实现。使用液压阻尼器较易实现阻尼无级调节，但在实际控制时必须考虑液压系统的非线性因素，如不对称油缸的非线性、液压阀的死区、零位漂移，还有作动器和传感器的参数扰动等对系统的影响，此外液压系统固有的时滞也对系统有较大的影响。在控制策略中，这些因素都应加以考虑。综上所述，主动、半主动悬架实际是在被动悬架的基础上，增加了阻尼与刚度自动调节装置。故主动、半主动悬架的设计任务最终也就归结为寻求合适的控制算法，使之能够根据汽车的运行工况和路面条件，自动地跟踪调节悬架的刚度和阻尼达到最佳状态，以保证汽车

14、具有最佳的平顺性和操纵稳定性。三、悬架系统性能的评价指标通常评价悬架系统性能的指标有如下三个：（1）平顺性，也叫舒适性，指车身的振动情况。一般通过车身的垂直振动加速度来评价，有时还用车身的侧倾角、纵倾角（主要指在车辆起动、骤停的俯仰角度）来评价。（2）接地性，指车辆行驶过程中是否出现轮跳，影响车辆驱动力或制动力的发挥，从而引起行驶方向失去控制。接地性对车辆的操纵稳定性和安全性影响很大。评价的指标是车轮的动载荷，或动变形。动载荷等于动变形乘以轮胎刚度，即车轮与地面接触产生的力中减去静态接触力（静载荷）后余下的动态力。若动载荷过大，则车轮与地面脱离接触的可能性增大，影响车辆驱动力或制动力的发挥。由

15、于车辆转向力是由垂直压力下车辆与地面产生的侧向力提供，所以轮跳会引起转向失控。（3）动行程，指悬架系统的组成元件如弹簧、减振器的压缩和拉伸长度。评价指标为车轮与车身之间的相对位移，亦称为悬架动挠度。若悬架动挠度超过车辆设计的限位行图 6-8 半主动悬架工作原理第六章 车辆悬架的控制技术164程，就会造成撞击限位块引起悬架元件的损坏。第二节 悬架的固有特性使悬架的各项性能指标达到最佳状态一直是工程设计人员追求的目标。在被动悬架的基础上发展起来的主动、半主动悬架，就是为了克服被动悬架固有的缺陷，力图使悬架的各项性能指标达到最佳状态。那么主动、半主动悬架是否可以完全摆脱被动悬架的制约因素，最终能使悬

16、架的平顺性、动挠度及轮胎接地性任意的达到期望的目标呢？本节将基于悬架的力学模型，导出悬架的不变性方程和不变点，指出悬架平顺性、动挠度及轮胎接地性三者之间的制约关系，为悬架的控制、设计和评价提供更充分的理论依据。一、悬架的不变性方程分析车辆主动、半主动悬架常用图 6-9 所示的 1/4 车体力学模型。图中 为 1/4 车体sm质量； 为被动悬架的刚度系数； 为轮胎的刚度系数； 为车轮质量； 为被动悬架sktkt sc的阻尼力系数； 为车体对静平衡点的位移； 为车轮对静平衡点的位移； 为地面不sxtxrx平度的位移输入； 为控制力，它既可以是主动悬架的作用力，也可以是半主动悬架的作u用力，对被动悬架，则