悬架文献综述
悬架文献综述
姓名：冯帅帅韩潇韩硕刘广峰谷盛丰井晓瑞学号：2015424033
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2015/9/20
目录
1.前言 (3)
2.汽车悬架系统的发展状况 (3)
2.1被动悬架： (3)
2.2半主动悬架： (4)
2.3主动悬架： (4)
3.汽车悬架系统的分类和原理 (5)
3.1汽车悬架的分类 (5)
3.2汽车悬架系统的原理 (5)
4.汽车悬架系统的新技术 (6)
5.汽车悬架技术发展的趋势 (9)
6悬架在汽车操纵性方面的仿真应用 (10)
杨彦三硕士论文《大客adamas仿真》 (10)
李进《基于ADAMS 的轻型客车操纵稳定性仿真分析》 (10)
大连理工赵秋芳硕士论文《于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究》 (11)
汽车悬架仿真实验平台建立 (11)
7 结束语 (12)
8参考文献 (13)
1.前言
悬架是安装在车桥和车轮之间用来吸收汽车在高低不平的路面上行驶所产生的颠簸力的装置。因此，汽车悬架系统对汽车的操作稳定性、乘坐舒适性都有很大的影响。由于悬架系统的结构在不断改进，其性能及控制技术也得到了迅速提高。尽管一百多年来汽车悬架从结构形式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件和导向机构的作用，麦克弗逊悬架中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能。其作用是传递路面作用在车轮和车架上的支承力、牵引力、制动力和侧向反力以及这些力所产生的力矩，并且缓冲和吸收由不平路面通过车轮传给车架或车身的振动与冲击，抑制车轮的不规则振动，提高车辆平顺性(乘坐舒适性)和安全性(操纵稳定性)，减少动载荷引起的零部件和货物损坏[1]。
振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性以及汽车零部件疲劳寿命的重要因素。严重的振动还会影响汽车的行驶速度，并产生环境噪声污染。悬架系统是提高车辆平顺性(乘座舒适性)和安全性(操纵稳定性)、减少动载荷引起零部件损坏的关键,但基于经典隔振理论的传统悬架无法同时兼顾这三方面的要求。自70年代以来,工业发达国家开始研究基于振动主动控制的主动/半主动悬架系统。近十年来,主动控制技术学科的发展为悬架系统从被动隔振走向振动主动控制奠定了基础。尤其是信息科学中对模糊理论、人工神经网络、进化计算的研究,在理论上取得引人瞩目进展的同时已开始得以应用,其中包括车辆的减振和牵引。随着汽车结构和功能的不断改进和完善，研究汽车振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量的重要措施。
2.汽车悬架系统的发展状况
2.1被动悬架：
一般的汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。简化模型如图a 所示，其中，弹簧主要用来支承簧上质量的静载荷，而减振器主要用于控制响应特性。这种悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法选择的。一经确定，在汽车行驶过程中就无法随外部状态变化而变化。汽车悬架应满足两个方面的要求，一方面为提高转弯、制动等操纵过程的稳定性，要求悬架应具有高阻尼系数；另一方面为隔开随机路面不平对汽车的扰动，提高乘坐舒适性，要求悬架应具有低阻尼系数。由于参数不能任意选择和调节，限制了被动悬架系统性能的进一步提高。目前使用最普遍的是单筒式液力减振器和套筒式液力减振器两种类型。这两种减振器在工作过程中不能调节阻尼大小,不能满足车辆悬架振动控制的特性要求。因此,被动控制的减振效果较差。
2.2半主动悬架：
半主动悬架的简化模型如图b所示，由可变特性的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动悬架在产生力的方面近似于被动悬架，但是半主动悬架的阻尼系数或刚度系数是可变的。
半主动控制通过输入少量控制能量调节减振器的液力阻尼,改善悬架的振动特性。Karnopp控制规则反映出既要对作用在弹簧上、正比于车身绝对速度x 1的振动产生抑制,也要使和弹簧变形速度(x 1-x 2)成比例的粘性阻尼力起作用,这是“on”和“off”的“开关式”控制方法。另一种称为SM(Sliding Mode滑模)控制模式，该控制模式以减低加速度为目标抑制振动。
半主动控制系统采用on-off(开关式)控制或分段控制策略,因而在路面随机激励作用下使悬架系统具有强非线性动力特性。应用半主动控制的悬架系统由于车身的结构振动而造成的高频不平顺性的研究表明,若用开关式控制减振器替代连续改变阻尼的减振器,或者控制回路中的时滞超过5ms,其后果明显恶化。
2.3主动悬架：
主动控制悬架简化模型如图 c 所示，由弹性元件和一个力发生器组成。力发生器的作用在于改进系统中能源的消耗和供给系统以能量，该装置的控制目标是要实现一个优质的隔振系统，而又不需对系统作出较大的变化。因此，只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现该控制目标。这种悬架的减振效果非常理想。
主动悬架系统通常有两种形式，即由电机驱动的空气式悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架。
近年来，日产和丰田公司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架，主要在高速赛车上进行了试验，其弯道行驶横向加速度可达到8g。至今已发展了三类典型的液力主动控制系统（如下图）。A类由Lotus(莲花)公司开发,它由双作用油缸和高速响应液力控制阀直接耦合,这个系统的控制能力较强,但能耗很大,尤其是在粗糙路面上非悬挂质量共振时这一问题尤为突出[15];B类由AP公司发展的气液悬架,它通过一个流量控制阀把油液输送到单作用油缸和充填蓄能器执行主动控制,这种控制装置同样需要消耗较高的能量;C类液力主动控制系统由Nissan公司开发,它的主要特征之一是压力控制阀同小型蓄能器和液压油缸相结合,在不平路面上的振动输入被蓄能器吸收,从而减少整个系统所需要的流量,悬挂质量的振动控制由液力系统的主动阻尼和被动阻尼共同完成。同A,B类主动控制相比,该类主动控制的耗能较少。
主动悬架的商品化存在严重困难，一是硬件价格昂贵；二是能量消耗过大，目前仅用于排量较大的高档车型。
3.汽车悬架系统的分类和原理
3.1汽车悬架的分类
悬架按作用原理分可分为被动悬架、半被动悬架、半主动悬架、主动悬架。被动悬架由参数固定的弹簧构成。对半被动悬架的设计，就是要确定其弹簧和减振器的参数，使系统在平顺性和安全性之间寻求一个折衷方案，这种折衷方案只可能在特定工况下才是最优的。它不能随路况、车速等条件调节悬架参数。半被动悬架的一些参数可由司机根据路面载荷等条件在一定的范围内调节。从平顺性和安全性出发，希望弹簧刚度和减振器阻尼系数随汽车的状态的变化而改变，使悬架性能总是处于最优状态附近。半主动悬架要求其阻尼随行驶状态的动力学要求作无级调节，并在几毫秒内由最小变到最大，具有阻尼快速响应的特点。全主动悬架不仅阻尼特性连续可控，而且可调节悬架刚度，在悬架系统上附加一个可控制作用力的装置。主动悬架又有电磁阀驱动的油气式悬架和步进电机驱动的空气悬架等形式。半主动悬架不再强调在大宽带下对悬架的控制，使能量消耗和功率要求大幅度下降，在横向和垂直方向动力学方面仍能保持全主动悬架系统的性能[3]。
悬架按结构分可分为独立悬架和非独立悬架。非独立悬架是指两侧的车轮安装在一副整体式的车桥上，车桥通过弹性元件与车架相连的悬架。缺点是该悬架当一侧车轮跳动时，将要影响另一侧车轮的工作，优点是结构简单、制造方便。非独立悬架因其结构简单，工作可靠，而被广泛应用于货车的前、后悬架。在轿车中，非独立悬架仅用于后桥。它的类型可分为平行钢板弹簧式悬架和连杆式螺旋弹簧式悬架[4]。
3.2汽车悬架系统的原理
传统汽车悬架由控制臂连杆、弹簧、减震器和稳定杆等基本构件组成。弹簧的作用是承受并传递垂直载荷，缓和汽车在不平路面上行驶时所引起的冲击。轿车使用的弹簧的种类很少，主要受悬架方式的限制，目前使用的悬架弹簧主要有螺旋弹簧、钢板弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧、油气弹簧和橡胶弹簧[5]。螺旋弹簧即一根钢丝卷成螺旋状的弹簧，是现在轿车里使用最多的弹簧。与钢板弹簧相比，它具有良好的吸收冲击的能力，可改善乘坐舒适性。但是弹簧很长使安装部位突出，很难使悬架系统布置得十分紧凑。钢板弹簧多用于厢式车及卡车，它是由若干个细长弹簧片组合而成。这种弹簧比螺旋弹簧的结构简单，成本低，可紧凑地装配于车身底部。钢板弹簧在工作时会发生各片间的干摩擦，弹簧本身具有衰减效果。扭杆弹簧是利用具有扭曲刚性的弹簧钢制成的。它的一端固定于车身，另一端与悬架控制臂相连。气体弹簧是利用充入气体的可压缩性起弹簧的作用，多用于旅游大客车，也有一部分轿车用它来代替金属弹簧。减震器的作用是加速车身震动的衰减，改善汽车行驶平顺性和乘坐舒适性。它与弹性元件并联，安装于车身架与车桥之间。它的工作原理是将车身的机械能转化为热能被减震器内介质吸收，散入大气中。减震器阻尼力越大，震动消除得越快。但因其与弹性元件并联使用，过大的阻尼力将导致弹簧的缓冲作用不能充分发挥，甚至导致弹簧减
震器连接零件及车架的损坏，所以减震器的阻尼力要适中，以使其与弹性元件匹配。减震器可分为双作用式减震器、单作用式减震器、充气加压式减震器、阻力可调式减震器。稳定杆具有减少转弯时车身侧倾作用，主要用于前轮，有时也用于后轮。稳定杆是“J”型扭力杆的一种，中央部位利于橡胶衬套安装在车身上，两端固定于悬架控制臂上。汽车转弯车身侧倾时，悬架由于离心力使外轮侧稳定杆压沉同时内轮侧稳定杆被拉长，发生扭曲。因为稳定杆是起弹簧的作用，所以会产生恢复力，这个抬起外侧车轮的力使车身又保持平衡。控制臂是悬架的骨架，控制臂·一般有上控制臂和下控制臂之分。球节是连接转向节和控制臂的结构，当汽车转向时允许转向节在控制臂之间转动，同时他们还允许控制臂上下运动。球节可分为承载球节和非承载支撑球节，而承载球节又分为压缩承载球节和拉伸承载球节[6]。
4.汽车悬架系统的新技术
为提高汽车的安全性、可靠性和乘坐舒适性，近年汽车悬架系统采用了许多新部件和新式装置。悬架和转向系统中出现的新技术有空气弹簧、电控减振器、主动悬架电控平顺性和操纵稳定性等。
(1)新型悬架电控系统
随着汽车结构和功能的不断改进和完善，研究汽车振动，设计新型悬架电控系统，将振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的重要措施。汽车振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性，以及汽车零部件疲劳寿命的重要因素。严重的振动还会影响汽车的行驶速度，并产生环境噪声污染。汽车减振主要使用悬架系统。悬架系统一般由弹性元件和阻尼元件构成，用以缓冲和吸收因路面不平而产生的激振力，同时承受汽车转向时产生的侧倾力。而汽车行驶的平顺性与操纵稳定性在汽车设计中又是矛盾的，故传统悬架系统难以同时满足这种要求[7]。
工业发达国家在70年代就己经开始研究基于振动主动控制的悬架系统，这种悬架系统是典型的非线性机、电、液一体化动力系统。近年来，随着现代控制理论的发展，对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等的研究，不仅在理论上取得令人瞩目的成绩，同时已开始应用于汽车悬架系统的振动控制。现代汽车悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。按导向机构的形式，可分为独立悬架和非独立悬梁两大类。
电控空气悬架是利用压缩空气充当弹簧作用的悬架，弹簧的刚度和车身的高度根据汽车行驶状况进行自动控制，减振器的减振力控制也用来抑制汽车行驶和停驶时车身姿态的变化。其具体功能：
在水平路面上高速行驶时, 使车身变低、弹簧变软，以提高舒服性，在凹凸不平的路面行驶时，车身变高，使悬架变硬，以消除颠簸，提高通过性，防止纵向仰头和栽头及横向倾斜，保持前照灯光轴不变，提高安全性。电子调节空气悬架的控制包括减振力和弹簧刚度控制以及汽车高度控制两方面[8]。
(2)空气弹簧在计算机控制的悬架系统中，空气弹簧将取代传统的螺旋弹簧。空气弹簧能改善汽车的乘坐舒适性，使前轮和后轮负荷自动分配。每一弹簧均有充装加压空气的加强胶囊，囊底端与一倒置活塞式底座相连接，振动时底座会使囊内气体体积变化。在弹簧受压缩时，囊内气压增加，囊刚度变大。有些汽车装有自动调平装置，如果汽车不水平，该装置使用空气压缩机给插在普通螺旋弹簧里面的空气囊加压。空气囊和空气弹簧不同，空气囊是螺旋弹簧的补充物，而空气弹簧起悬架弹簧的作用。为调节汽车高度，使之方便运送或拖拉重物，可装上空气减振器，减振器内空气压力的大小决定了汽车高度和减振器高度。减振器内空气压力可通过外部空气源或汽车上的空气压缩机来改变。
如果空气弹簧受损伤或破裂，应采取特殊步骤防止弹簧进一步撕裂，并使弹簧具有正常
功能。如果弹簧损坏，与该弹簧相对应的车轮将会出现明显下垂。装有空气弹簧或其它电控悬架系统的汽车无论何时进行车轮定位，都必须采用指定的步骤来解除悬架系统[9]。
(3)电控减振器电控减振器基本上是遥控减振器，驾驶员可通过移动开关选择减振刚度。改变减振器内量孔大小可设定不同的减振器阻尼，减振器内的控制杆由装在减振器顶端的小型执行电动机来转动。该控制杆可改变量孔大小，从而改变减振器刚度，使之由硬到中等，再到软。
这种形式的减振器也可作为计算机化悬架系统的一部分，该减振器由计算机的各种输入来激发。一些系统还装有防车辆点头和后坐的控制装置。横向和纵向传感器及转向盘位置传感器可触动计算机迅速改变阻尼比，以响应转向和制动。这些系统还装备一个开关，允许驾驶员选择喜欢的行车形式：运动型或舒适型。
(4)主动悬架主动悬架系统的车轮上装有双作用液压缸和电磁阀控制。每一个执行器与其它执行器一起保持某种液压平衡来支撑汽车重量，同时保持理想的车身姿态。每一个执行器还用作减振器和弹簧，改变液压缸内的压力可改变有效弹簧刚度，增加或降低某个执行器中的液压力，可使每一个车轮独立地对路面变化做出响应。
这种悬架系统由执行器、阀、各种传感器和底盘计算机组成。每一个执行器有一个线性位移传感器和一个加速度传感器，可保证计算机获得执行器相对位置的信息，并能追踪每一个执行器的伸缩情况，了解每一个车轮是跳起还是回弹。车轮中还装有负载传感器和轮毂加速度传感器，用来测量车轮负载。节气门位置传感器和制动系统内传感器用于决定汽车是加速还是减速。汽车转向时，转向盘传感器将信号传给计算机。为检测车身运动，使用了翻转、高度、垂直和横向加速度传感器。计算机还检测系统液压及液压泵的速度。根据上述输入变量和内部程序，计算机可调节每一个执行器内的压力[10]。
(5)电控平顺性和操纵稳定性现有各种形式的电控减振器系统都是根据节气门位置传感器和制动传感器的输出调整阻尼刚度。较新的系统还在减振器上安装位置传感器。检测仪测量悬架压缩速度，位置传感器能快速检测压缩速度的变化，使计算机在极短时间内调整减振阀。传感器和阀能在减振器的一个跳起、回弹过程中循环几次。与大多数电控主动悬架系统无两样，驾驶员可调整整个系统行驶操纵性。
现代汽车各种前、后悬架形式见图4。
(6)汽车悬架系统上的最优控制
最优控制首先是确定一个明确的目标函数，然后通过一定的数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。一般情况下，目标函数的确定要靠经验，最优控制函数只有在极少数情况下才能得出解析解，有的可以通过计算机得到数值解。在汽车悬架系统上应用的最优控制形式较多，常用的有线性最优控制、最优预见控制等。线性最优控制是在悬架系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。
最优预见控制是利用汽车前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将测量的状态变量反馈给前后电子控制器以实施最优控制。由于这种电控技术可通过某种方法提前检测到前方路面的状态和变化，将使控制系统有足够的时间采取措施，因此可大大降低悬架系统的能耗，且改善悬架系统的控制性能。根据预见信息的测量及利用方法不同，可构成不同的预见控制系统，如对4轮全进行预见控制系统和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制系统。对4轮全进行预见控制系统是在汽车的前部设有特殊的预见传感器，以测试前方路况，然后将信息传给电子控制器，电子控制器将相应信号送至4个车轮中的每一个悬架执行机构，这种系统需要设置特殊的预见传感器[11]。
在利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制系统中，在决定后轮的控制指令时，电子控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息，而且也考虑当时的车速、前后轮间的跨距以及前轮各传感器所得到的信息。因此在后轮的执行机构上,实行的是反馈加前向反馈的双作用控制。在该系统中无需设置特殊的预见传感器,只需改变控制软件,便可提高后轮的减振效果[12]。
传统的被动悬架已不能满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。为使悬架系统能够适应不同道路情况及速度条件，出现了一系列悬架系统减振控制技术，各种新型电控悬架得到了迅速发展。同时，现代控制理论在汽车悬架系统振动控制中也得到广泛应用，但是在实际应用中选取哪一种或哪几种综合的电控技术，应结合实际工况才能决定。
5.汽车悬架技术发展的趋势
随着汽车工程技术的进步，决定乘坐舒适性和操纵稳定性的汽车悬架技术得到了广泛重视和深入研究，在汽车工业领域中主动悬架受到日益广泛的重视，已成为悬架技术发展的重要趋势。
主动悬架控制技术的进展最早提出的主动悬架控制方法是天棚阻尼器控制，由于控制算法简单，已经得到了应用。随着现代控制理论的应用，提出了主动悬架随机最优控制方法。与天棚阻尼器控制相比，由于考虑了更多变量的影响，因而控制效果更好。
自适应控制方法具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能指标最优。90年代以来，模糊控制方法开始应用于悬架控制中[13]。
神经网络是一个由大量处理单元(神经元)所组成的高度并行的非线性动力系统，其特点是数据融合、学习适应性和并行分布处理，故在车辆悬架的振动控制中具有广泛的应用前景[14]。
主动悬架作动器技术的进展作动器是影响振动主动控制实现的重要环节，主动悬架作动器的研制正日益得到广泛的重视。目前应用于振动主动控制的新型作动器不断涌现，主要有反作用式作动器以及由压电陶瓷、形状记忆合金、电/磁致伸缩材料或电流变流体等构成的作动器。
主动悬架技术的发展预测对比目前各种控制方法，采用控制有效、应用较成熟、算法
较简单、基于预测优化的参数估计自校正控制律是较为理想的选择。
电气动力系统中的直线伺服电机具有较多的优点，永磁直流直线伺服电机，其驱动性能优于液压系统，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，有望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架[15]。
采用新型电控技术，研究和开发一类控制有效、能耗低、造价合理的汽车悬架系统具有较高的经济效益和社会效益。针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架系统电控技术是汽车悬架系统振动性能改进的方向。
6悬架在汽车操纵性方面的仿真应用
杨彦三硕士论文《大客adamas仿真》方法如下：
1.建立整车模型
2.与实验数据对比验证模型的正确性和灵敏度分析
3.虚拟样机下参考《中华人民共和国国家标准，汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验GB/T 6323.2—94》，进行稳态回转实验，角脉冲输入实验，蛇形试验，转向轻便性实验和转向回正试验，并依QC/T480-1999 的汽车操纵稳定性指标限值与评价方法对仿真结果进行了评价计分
4得出LCK6798H 车型提高操稳分析结果。
缺点：没有给出改进措施和参数优化方案，缺乏多角度分析。
优点：给出了adamas虚拟样机和实验数据结合的方案，是实验和仿真相辅相成，共同为客车转向分析做出贡献。
李进《基于ADAMS 的轻型客车操纵稳定性仿真分析》
对麦弗逊悬架的结构以及轻型客车悬架设计的具体要求进行了详细分析，并利用ADAMS/Car 模块建立前悬架模型，对该前悬架模型进行双轮平衡跳动仿真试验，然后利用ADAMS/Insight 模块对前轮参数进行了改进，通过ADAMS/Insight 模块输出的互动网页形式，对前轮定位参数进行了分析，探讨悬架结构对于前轮定位参数的影响规律
利弊
弊端：没有对建立的仿真模型进行验证，直接应用于实际。正确性未知。
优势：从前轮定位参数角度（对前悬架的主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角和车轮前束角以及侧向滑移量都进行了改进。）给出了改进操稳的方案，其方法是：变量化设计参数，仿真过程中改变参数的值，从而确定定位参数的灵敏度和确定车型下的最佳值。