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1、1第一章 绪论1.1 引言汽车悬架系统是车身与轮胎之间一切传递力的连接装置的总称。路面的不平坦，空气动力的作用，牵引力和制动力的作用，使其受到垂直反力，纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩。这些力和力矩都要通过悬架系统传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。车辆悬架系统结构基本上是由弹性元件、减振器和导向机构三大部分组成。 这三部分分别起缓冲、减振和导向作用;共同承担传力任务。汽车悬架按基本结构可分为左右车轮由车轴相连接的非独立式悬架和左右车轮可独立作用的独立悬架。非独立悬架的结构简单，成本低廉，强度高，耐久性好;在负载大的卡车及普通客车上广泛使用。其缺点是非簧载质量大，左右轮的动作相互干涉
2、，不利于乘座舒适性及操纵稳定性。独立悬架非簧载质量小，车轮对路面的挤压大;在设计汽车时自由度大，可以将发动机、底盘和车头设计得很低，使汽车重心降低，便于汽车造型。因此，在 轿车及豪华客车 上广泛采用独立悬架。独立悬架的缺点是结构复杂，成本较高。汽车行驶中，路面的不平坦、凸起、凹坑，使作用于车轮上的垂直反力起伏波动，产生振动与冲击。在加、减速及转弯、制动时，产生的倾覆力和侧倾力可使车身俯仰和侧倾振动。这些振动与冲击会严重影响车辆的平顺性和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。为了将车2辆的振动控制在最低水平，除采用弹性的轮胎以外，还必须设计性能优良的悬架系统，使车身与轮胎之间弹性连接，隔离路面不平
3、引起的振动。这对于提高汽车的平顺性、操纵稳定性及可靠性具有极其重要的意义。1.2 车辆半主动悬架控制的研究综述1.2.1 悬架控制技术的研究背景判断汽车悬架系统性能好坏的准则一般有平顺性，即乘座舒适性、操纵稳定性，即始终保持车轮与地面接触。同时可靠性好，成本低。这些性能之间往往是相互矛盾的。例如为了支承车身重量，车辆在随路面运动时，要求悬架具有高阻尼系数的“硬”悬架。而隔离随机路面不平度对汽车的扰动应具有低阻尼系数的“ 软” 悬架。但是在低阻尼情况下，车身又容易出现共振振幅过大现象。这些矛盾使目前常用的被动悬架性能的改善受到了很大的限制。这主要是因为被动悬架的弹性和阻尼参数不能随外部状态的改变
4、而相应改变。即使采用优化方法来设计，也只能把其性能改善到一定的程度，即在设计点处为最优。为了克服被动悬架的这一缺陷，许多研究者应用新技术、新材料并与控制理论，计算机技术相结合开发实施了机、电、液一体化可控悬架系统。根据悬架系统可控性分为被动悬架、半主动悬架、主动悬架。一般的被动悬架包括一个弹簧和一个阻尼器，其中弹簧和阻尼器主要用来支持悬架簧载质量的静载荷和调节响应特性。阻尼器在振动中消耗能量而起减振作用。半主动悬架其组成与结构和被动悬架有类似之处，但根本不同之处是其阻尼器的阻尼系数能在一定的范围内实3时主动调节或承载弹簧的刚度也是可变的。半主动悬架刚度和阻尼的调节策略及实现是研究的关键。一般情
5、况下，阻尼、刚度的改变由机、电、液复合控制方法来实现。主动悬架是由弹性元件和力作动器组成。这种作动器一般是液压缸，由外部油泵供给能量，产生由控制信号确定的力。目前，在这三种悬架系统中，被 动悬架己广泛使用在各种汽车上，但其性能常常不能满足现代车辆发展的需要。主动悬架近年来受到了广泛的关注和研究，其性能可兼顾各种动力学要求;但是，因成本高和消耗能源大而难以推广使用。半主动悬架系统的性能可达到接近主动悬架的性能，消耗能源少，成本相对较低，其工业应用前景可能性很大。1.2.2 半主动悬架控制技术简介半主动悬架中没有主动力作动器，但可通过测取车辆运动信号，经控制器发出控制信号改变悬架的刚度或阻尼。在半
6、主动悬架系统中，支承车体的重量主要依靠弹性元件。常用的弹性元件有螺旋弹簧，扭杆弹簧，钢 板弹簧，橡胶弹簧和空气弹簧等。螺旋弹簧和扭杆弹簧可近似认为是线性弹簧，弹簧刚度是常数。半主动悬架系统最常用的方法是改变阻尼力的大小。这方面己有大量的专利和试验模型。对于可调节阻尼的半主动悬架最常用的是粘性阻尼。改变粘性基于磁流变阻尼器的车辆悬架系统半主动控制阻尼力大小的方法有两种途径。一种是调节节流口的开度大小。另一种是应用功能材料改变流体的粘性系数。例如电流变材料和磁流变材料。节流孔越大，阻尼越小;油粘度越大，阻尼力越大。4随着磁变液的开发研究，人们已经开始研究应用应用应用磁流变体改变半主动悬架阻尼特性。
7、美国 Lord 公司己研制出用于车辆座椅及结构抗震用磁流变阻尼器。Roschke 等人研究了磁流变阻尼器控制的火车悬架系统。Kamath 和 Wereley 等人分析了内置磁流变液直升机桨叶的模态阻尼。总之，近几年来， 许多不同学科的研究者和工业界己认识到磁流变液有广泛的应用前景和理论研究价值。1.2.3 车辆半主动悬架振动控制策略简介车辆半主动悬架系统振动控制策略研究成果众多。文献3综述了线性最优控制理论的成果，文献4综述了应用模糊理论，神经网络等智能控制方法在车辆中的应用。许多学者己从不同角度运用现代控制理论对车辆悬架系统的控制方法进行了深入的研究。得出了一些与车辆悬架系统相适应的实用控制
8、策略,包括最优控制方法、 “天棚” 阻尼控制方法、半主动悬架的开关控制方法、自适应控制方法、鲁棒控制(Robust control)、预见控制(Preview control)、非 线性控制、智能控制方法等。1.3 本论文选题的依据和主要内容虽然传统的被动悬架不需要外界能源、装置简单、易于实现和经济可靠，在一定场合下满足了要求。但是，文献资料1 ，2，3，4表明被动悬架己不能适应现代车辆的发展需要。主动悬架虽然可以达到综合性能最优，能较好地减小路面凹凸不平对车辆振动的影响，然而，主动控制需要消耗大量能源、价格昂贵，其应用场合受到了限制。半主动振动控制技术应用了可变刚度和可变阻尼，综合了被动控制
9、和主5动控制的优点，保持了被动控制的可靠性和经济性，同时具有主动控制的适应性和接近主动控制的性能而倍受关注，有潜在的工业应用前景。基于上述考虑，本文对以下几个问题进行了讨论研究:1磁流变阻尼器的理论分析以及半主动约束。2半主动控制悬架系统的动力学建模及其控制策略。3对基于磁流变阻尼器的半主动悬架进行基于 MATLAB/Simulink 的建模并用 PID 控制器控制，与被动悬 架的仿真进行比较， 分析磁流变电子悬架的性能。通过上述的理论分析、数值仿真分析和试验研究工作，为半主动控制悬架系统设计以及控制，建立一套比较完整的理论分析、计算仿真和试验研究方法，为实际工程应用提供理论基础和实施手段。6
10、第二章 磁流变液与磁流变阻尼器2.1 磁流变液的组成与性能磁流变液(Magneto-Rheological Fluids,MRF)是一种新型的功能材料，于 1949 年由美国国家标准局的 Jacob Rabinow 首先发现并研制，在半主动振动 控制、液 压传动和智能材料与 结构等领域有着5成 功广阔的应用 。磁流变液是主要由在磁场下可极化的微米级(0.01-6前 景10m)，具有高 饱和磁化 强度的铁磁性细微 颗粒，以及能使磁性颗粒均匀分散的溶剂(水，矿物油，硅油等)和表面活性剂组成的稳定悬浮液体。2.1.1 磁流变液流变特性及工作模式在正常情况下，磁流变液如一般液压油一样，为具有一定粘度的
11、能自由流动的液体，呈现牛顿(Newton) 流体的特性。如果使磁流变液处于磁场内，磁性颗粒会在磁场作下产生双极性力矩，形成平行于外部磁场的线性链，宏观上表现为悬浮颗粒固化，抑制液体的流动，液体的剪切屈服应力增大，而且这种应力随着外加磁场强度增加而单调增加，磁流变液呈现宾汉(Bingham)液体的特性。当外加磁场达到某一临界值时，磁流变液可完全停止流动呈固态，但一旦去掉外加磁场，它又恢复到原来的状态。图 2.1 为磁流变液中磁性颗粒随外加磁场变化情况。7(a)无外加磁 场 (b)有外加磁场图 2.1 磁性颗粒与外加磁场的关系对于磁流变液的这种特性较为直观的解释是，当有外加磁场时，在流动的间隙中形
12、成链状的微粒结构，而这种结构将阻碍磁流变液的正常流动。外加磁场的大小直接影响这种链状结构的多少、长短和粗细，最终影响阻碍磁流变液流动的能力。在工程应用中，正是利用磁流变液的这种流变特性，通过调整外加磁场的强度来获得流变液不同屈服强度，从而改变其动力学特性。磁流变应用器件是利用磁流变液的这些特性开发出各种各样的产品，如果按磁流变液的工作模式划分，可分为以下三种模式：压力驱动模式、剪切模式和挤压模式，三种工作模式的原理如图 2.2 所示。(1)压力 驱动 模式是目前磁流变应用器件中磁流变液最常见的工作模式，其工作原理如图 2.2(a)所示。在这种工作模式中，磁流 变液在压力的作用下在两固定磁极间流
13、动，流动的方向与磁场方向垂直，通过调整磁场强度的大小来控制磁流变液流动时产生的阻尼力。这种工作模式常被应用于磁流变阻尼器和伺服控制阀中。8(2)剪切模式的工作原理如图 2.2(b)所示。在这种模式中，两磁极中只有一个相对另一个作运动，磁极和磁流变液的运动方向与磁场方向垂直，通过调整磁场强度的大小而改变磁流变液在两磁极之间的剪切屈服应力，从而控制磁流变液在两磁极中作剪切流动时所产生的阻尼力。该工作模式的应用器件主要包括离合器、制动器、夹紧与锁定机构等。(3)挤压 模式的工作原理如图 2.2(c)所示。这种工作模式的特点是磁极的运动方向与磁场方向相同，当磁极运动导致其间隙变小时，磁流变液在磁极压力
14、下向四周流动，流动方向与磁极方向垂直。类似于压力驱动模式，可调整磁场强度大小而控制阻尼力，这种工作模式产生的阻尼力较大，因此可用于如小位移大阻尼的磁流变阻尼器中。图 2.2 磁流变液的工作模式2.2 磁流变阻尼器2.2.1磁流变阻尼器及其特点磁流变液体是一种非牛顿流体, 其剪切应力由液体的粘性和屈服应力两部分组成。通常, 流变特性的改变 表现为剪切应力随外加磁9场的增加而增大。磁流变液体的屈服应力比电流变液体大一个数量级, 且与数千伏电压用以改变电流变体的粘度相比较, 磁流变液体粘度的变化由交变电流产生交变磁场而引起, 具有良好的动力学特性和安全性。因此,由磁流变液体制成的阻尼器比电流变阻尼器
15、在实际进行减振控制中具有更大的优势。在半主动车辆悬架振动控制的研究中, 采用磁流变阻尼器来实现可控阻尼力, 使悬架特性可自适应于路面的变化。举LORD 公司生产的磁流变阻尼器 为例（图2.3）。图2.3 磁流变阻尼器它主要由活塞上具有节流小孔的单筒阻尼器构成。节流孔两侧装有线圈, 通过电流以控制磁 场强弱。缸体底部为一橡胶密封的氮气蓄压器, 主要用来缓冲活塞运动时活塞杆两端液体的体积差造成的冲击, 同时作为一个气囊, 还能起到减振作用。可以看到, 阻尼器的主要部分是一个具有节流孔的活塞。节流孔的两侧装有线圈, 当场强变化时, 磁流变体的粘性发生变化,阻尼器的剪切应力相应变化。线圈中通有交变电流
16、时, 磁流变液体中的磁极性分子就受到交变磁化。线 圈中电流减到零时,分散于绝缘载液中磁性颗粒在磁化时10所得到的磁性无法完全消失。在线圈反复通过交变电流的情况下, 阻尼器的阻尼力与速度之间就呈现出滞回关系。对RD21005 型阻尼器进行实验建模和曲线拟合, 得到磁流变阻尼器的速度2阻尼力滞回 。8模 型(2.1)式中v表示输入电压, 和 为活塞杆运动 的速度和加速度。由式tZ.t.(2.1) 可知: 低速时,阻尼力与速度表 现为非线性滞回特性, 阻尼力随电压的增加呈指数函数递增; 高速情况下, 阻尼力与速度近似线性, 并有饱和现象。图2 为一定速度范围内不同电压值下的阻尼力曲线。图2.4 阻尼力滞回特性曲线磁流变阻尼器的受控参数为液流的粘度, 随不同场强可实现无级变化的粘度值, 因此可获得无级可调的阻尼力,达到控制的目的。112.3 磁流变阻尼器半主动约束由磁流变阻尼器特性可知，
