机械5

1.1悬架系统简介 汽车悬架是车架（车身）与车桥（车轮）之间弹性连接的部件，主要由弹性元件、导向装置及减振器三个基本部分组成[1]。原始的悬架是不能够进行控制调节的被动悬架，在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求。随着电液控制、计算机技术的发展以及传感器、微处理器及液、电控制元件制造技术的提高，出现了可控的智能悬架系统，即电子控制悬架系统。电子控制悬架系统按悬架系统结构形式分，可分为电控空气悬架系统和电控液压悬架系统两种。 1.1.1悬架的功能 悬架是现代汽车的重要总成之一，一般由弹性元件、阻尼元件以及导向机构等组成。悬架应具备的功能如下：支撑车身或车体；将车体与车轴弹性的连接起来，有效的抑制、衰减、隔离来自不平路面的冲击，以提供良好的乘坐舒适性；传递车轮和车体间一切力与力矩，使轮胎尽量跟随着地面，尽量减弱外因引起的车身姿态变化，以提供良好的操纵稳定性。其中的乘坐舒适性和操纵稳定性是两个相互矛盾的要求。例如：应用软悬架，如降低弹簧刚度，可以减小车身的加速度，满足乘坐舒适性，但同时增加了车身重心变化的幅度，加大了车轮的动载，而影响操纵稳定性，而应用硬悬架可以限制汽车姿态变化，保证轮胎良好接地，满足操纵稳定性但同时也会破坏平顺性的要求。悬架对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性等多种使用性能都有很大的影响，因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题之一。 目录 摘要...............................................................Ⅰ Abstract.........................................................Ⅱ 第1章绪论.....................................................1 1.1悬架系统简介................................................1 1.1.1悬架的功能.............................................1 1.1.2悬架的分类............................................2 1.2国内、外汽车主动悬架系统发展概况.............................4 1.3课题的目的与意义............................................6 1.4课题研究的基本内容..........................................7 第2章汽车液压式主动悬架系统的设计.........................8 2.1从动悬架与主动悬架的优缺点..................................8 2.2电控空气悬架系统与电控液压悬架系统的比较....................9 2.3系统方案确定...............................................10 2.3.1液压系统设计特点......................................10 2.3.2电控液压式主动悬架的工作原理.........................11 2.4本章小结...................................................12 第3章车身高度调节机构设计..................................13 3.1车身高度控制的原理.........................................13 3.2液压缸参数的确定...........................................15 3.2.1供油压力的选择........................................15 3.2.2液压缸主要参数的确定.................................15 3.3液压缸外形尺寸的计算与校核.................................19 3.4液压泵的选择...............................................23 3.5电动机的选择..............................................24 3.6车身高度传感器的选择.......................................24 3.7伺服阀的选择...............................................25 3.8伺服放大器的选择...........................................27 3.9本章小结...................................................27 第4章悬架阻尼调节机构设计..................................29 4.1悬架阻尼控制的原理......................................29 4.2节流阀阻尼孔的确定........................................32 4.2.1节流口的流量特性公式..................................32 4.2.2节流口截面积的计算....................................33 4.2.3影响流量稳定性的因素..................................34 4.3节流阀外形尺寸的选择.......................................36 4.4传感器的选择...............................................37 4.5电磁换向阀的选择...........................................38 4.6本章小结...................................................38 第5章悬架刚度调节机构设计..................................39 5.1悬架刚度控制的原理........................................39 5.2空气压缩机的选择...........................................40 5.3蓄能器的选择...............................................42 5.4本章小结...................................................44 总结..............................................................45 参考文献..........................................................46 致谢..............................................................48 附录1.............................................................49 现代汽车中的悬架有两种，一种是从动悬架，另一种是主动悬架。被动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器、导向机构等组成，它的功能是减弱路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为从动悬架。主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置，采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架能够自行产生作用力，因此称为主动悬架[5]。 2.1从动悬架与主动悬架的优缺点 从动悬架设计的出发点是满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。被动悬架的优点是成本低、有较高的可靠性。缺点是无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。刚性较大的螺旋弹簧以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性，但是这样的汽车操纵性较差[6]。 主动悬架是由电脑控制的一种新型悬架，具有能够产生作用力的动力源，执行元件能够传递这种作用力并能连续工作，具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。因此，主动悬架汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。采用主动式悬架其优点是汽车对侧倾、俯仰、横摆跳动和车身的控制都能更加迅速、精确，汽车高速行驶和转弯的稳定性提高，车身侧倾减少。制动时车身前俯小，启动和急加速可减少后仰。即使在坏路面，车身的跳动也较少，轮胎对地面的附着力提高。缺点是装置复杂，技术要求高，价钱高昂。 2.2电控空气悬架系统和电控液压悬架系统的比较 电子控制悬架系统按悬架系统结构形式分，可分为电控空气悬架系统和电控液压悬架系统两种[7]。电控主动空气悬架系统能够根据本身的负荷情况、行驶状态和路面情况等，主动调节包括悬架系统的阻尼力、汽车车身高度和行驶姿势、弹性元件的刚度在内的多项参数，采用气压结构来控制车身平衡，并且空气弹簧和减震器能抵消大部份路面传递的短波和长波震动。该系统由空气压缩机、空气干燥器、储气筒、流量控制电磁阀、前后悬架控制用电磁阀、空气弹簧和它们之间的连接管路等组成。 电控主动式液压悬架系统的控制形式是较先进的形式，主动悬架就属于这一类形式，它采用一种有源方式来抑制路面对车身的冲击力及车身倾斜力。它既能使车辆具有软弹簧般的舒适性，又能保证车辆具有良好的操纵稳定性；对于传统的悬架系统而言，一旦参数固定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因此使悬架性能的进一步提高受到很大限制。目前乘用车上采用的电液控制悬架系统基本上具有三个功能：一是具有车高调节功能。不管车辆负载在规定范围内如何变化，都可以保证车高一定，可大大减少汽车在转向时产生的侧倾。当车辆在凸凹不平的道路上行驶时，可提高车身高度；当车身高速行驶时，又可使车身高度降低，以减小风阻并提高其操纵稳定性。二是具有衰减力调节功能。其作用是提高车辆操纵稳定性，在急转弯、急加速和紧急制动时可以抑制车辆姿势变化（减小俯仰角、后仰角、侧倾角）。三是具有控制悬架系统减振力和弹性元件的弹性或刚性系数的功能。利用弹性元件或刚性系数的变化，控制车辆起步时的姿势。该系统由液压源、压力控制阀、液压悬架缸、传感器、ECU等组成。 2.3液压系统方案确定 根据电控空气悬架系统和电控液压悬架系统的比较，两者的共同性则是能为高速行驶的车辆提供足够的稳定性，当车辆在不平路面行驶时，又能提高车身增加通过能力。但电控主动空气悬架的缺点也很明显，成本高昂、维护保养成本高。所以对液压式悬架进行设计。 2.3.1液压系统设计特点： 1、采用控制器控制三位四通伺服阀阀芯的位置，阀芯位置决定了流出伺服阀的 压力油的流量大小和方向，通过活塞杆上下的压力差产生主动控制力，控制器根据汽车的运动状态调整作动器作用力的大孝方向和变化速度，使汽车行驶的平顺性得以改善。 2、液压缸与蓄能器之间安装一个阻尼孔可调的节流阀（主、副节流孔截面积不 同），根据传感器输入信号，由ECU处理后控制电磁阀接通主、副节流孔，起到阻尼控制。 3、利用蓄能器的进气与排气来改变气室容积，起到刚度调节作用。 4、车身高度传感器测得的信息输入ECU，经处理后控制伺服阀动作，使液压缸上、下腔压力变化推动活塞上下动作，达到车身高度理想值。（如图2.1所示） 1-油箱；2-粗过滤器；3-精过滤器；4-冷却器；5-溢流阀；6-单向阀；7-压力继电器；8-伺服阀；9-二位三通电磁换向阀；10-蓄能器；11-液压缸；12-节流阀；13-蓄能器；14-排气阀；15-单向阀；16-空气干燥器；17-空气压缩机；18-电动机；19-压力表；20-液压泵。 图2.1液压伺服控制系统原理图 2.3.2电控液压式主动悬架的工作原理 电子控制悬架系统按悬架系统结构形式分，可分为电控空气悬架系统和电控液压悬架系统两种。在此主要介绍电控液压悬架系统的组成和原理。 电子控制液压式主动悬架系统由动力源、压力控制阀、液压缸、传感器、控制器（悬架控制ECU）等组成，如图2.2所示为电子控制液压式主动悬架简化原理图[8]。 -非簧载质量； -簧载质量； -轮胎刚度； -悬架弹簧刚度； -作用力发生器 图2.2电子控制式主动悬架系统的简化原理图 作为动力源的液压泵产生压力油，供给各轮的液压缸，使其独立工作。当汽车转向发生侧倾时，汽车外侧车轮液压缸的油压升高，内侧车轮液压缸的油压降低，油压信号被送至ECU，ECU根据此信号来控制车身侧倾。由于在车身上分别装有上下、左右、前后、车高等高精度的加速传感器，这些传感器信号送入ECU并经分析后，对油压进行调节，可使转向时的侧倾最校同理，在汽车紧急制动、急加速或在恶劣路面上行驶时，液压控制系统对相应液压缸的油压进行控制，使车身姿势变化最小[9]。 2.4本章小节 本章首先分析了从动悬架与主动悬架的优缺点以及对电控空气悬架系统和电控液压悬架系统的比较。确定了液压系统方案，并设计了液压伺服系统结构原理图，并介绍了液压式主动悬架的工作原理。 车身高度自动调节系统可实现： 1、停车水平控制停车后，当车上载荷减少而车身上抬时，控制系统能自动降低车身高度，以减小悬架系统负荷，改善汽车外观形象。 2、特殊行驶工况高度控制汽车高速行驶时，主动降低车身高度，以改善行车的操纵稳定性和液力传动特性。当汽车行驶于起伏不平度较大的路面时，主动升高车身，避免车身于地面或悬架的磕碰。 3、自动水平控制车身高度不受载荷影响，保持基本恒定，姿态水平，使乘坐更加平稳，前大灯光束方向保持水平，提高行车安全。 由于车身高度控制系统的主要特点是车载变化不影响悬架工作行程，它对车辆性能改进的潜力是与车载变化成正比的。因此，这种悬架通常用于一些车载变化较大的重型货车和大型客车，也有些用于高级豪华轿车[11]。 在电液控制系统中，电液伺服阀既起电气信号与液压信号之间的转换作用，又起信号放大作用，因此，其性能对系统的特性影响很大，是系统的核心元件[16]。 从第一级阀的结构型式上分，电液伺服阀主要有三种：滑阀、喷嘴挡板阀、射流管阀。 滑阀式伺服阀放大倍数高，在多级伺服阀中常做功率放大级。但加工精度要求高，价格贵，对油液污染较敏感。 喷嘴挡板阀的优点是：结构简单，运动部分惯量小，位移小，所以反应快，精度和灵敏度高，对油液污染不太敏感。缺点是:流量增益小，无功损耗大。故一般把它作为前置放大级。 射流管阀的优点是：构造简单，动作灵敏，不易被杂质堵塞，工作较可靠。缺点是：特性不易预测，惯性大，动态响应较慢。故适用于低压，功率较小的伺服系统。 根据系统要求本文选择了力反馈式喷嘴挡板阀，其结构原理如图3.2所示。力反馈式喷嘴挡板阀的第一级液压放大器为双喷嘴挡板阀，由永磁动铁式力矩马达控制，第二级液压放大器为四通滑阀，阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连，构成滑阀位移力反馈回路。 在零位时，力矩马达输入差动电流，衔铁在零位时，挡板在零位，两个喷嘴控制腔间没有压差，阀芯在反馈杆的作用下拨在零位。反馈弹簧杆的一端固定在挡板上，而另一端作用在阀芯上，反馈杆起到使阀芯对中的作用。当有输入电流时，假定挡板向左偏转，左喷嘴中的压力升高而右喷嘴的压力下降，两个喷嘴的压力差作用在阀芯端面上，推动阀芯向右移动。这时的反馈弹簧杆一方面要随挡板顺时针方向偏转而向左移动，另一方面又要随阀芯向右移动而迫使挡板回向零位。