悬架系统设计与分析毕业设计论文

悬架系统设计与分析
Design and analysis of suspension system
本科生毕业设计（论文）外文翻译毕业设计（论文）题目：悬架系统设计与分析
外文题目：An Overview of Disarray in Active Suspension System 译文题目：主动悬架系统杂谈
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
主动悬架系统杂谈
帕蒂尔，维杰河帕蒂尔，加尼甚
助理教授，机械工程系，A.D.C.E.T，阿什达
摘要：当设计一个悬挂系统时，它的双重目标是尽量减少传到乘客的垂直力量和最大限度地提高轮胎与道路接触以提高操控性和安全性。

乘客的舒适性与从车身传递的垂直力有关。

这个目标可以通过最小化车身的垂直加速度来实现。

过度的车轮行驶，将导致轮胎相对路面的非最佳姿态，从而导致差的操控性和附着力。

此外，为了保持良好的操控性，轮胎与路面的最佳接触必须保持在四个轮子上。

在传统的悬架系统中，这些特点是冲突的，不符合所有条件。

因此，在被动悬架系统的基础上，为了改善主动悬架系统，各种各样的研究工作正在进行中。

在本文中各种作品的概述已经完成。

考虑到季度汽车模型，本文试图给出关于以往的研究和他们的发现对被动和主动悬架系统的参数。

关键词：主动悬架系统，控制系统，动态，被动悬架，车辆。

1.引言
汽车悬架系统的目的是在不同路况下，能保持良好的操控特性和改善乘坐品质。

不同的悬架，满足上述要求的程度不同。

虽然，可由设计者的聪明才智来改善，就平均而言，悬架的性能主要取决于悬架使用的类型。

按改进的性能可以以升序区分为：与被动，半主动和全主动悬架系统，输入的力通常由液压致动器提供。

为主动悬架系统设计的机电致动器的另一种方法将在电子控制和悬架系统之间提供直接接口。

目前，公认的主动悬架有两种形式，一种是制动器和钢板弹簧平行的高带宽主动悬架。

第二种是低带宽主动悬架，它的致动器带有一系列的钢板弹簧并且能够控制车身的运动，而簧下质量控制是通过被动阻尼器控制的。

汽车悬架的主动控制在传统悬架的基础上又提出了新的改进。

主动悬架，包括创建悬挂系统中力
的液压致动器。

由液压致动器产生的力被用来控制簧上质量的运动，以及簧上和簧下质量之间的相对速度。

为了提高车辆的特色，以后将主要对主动悬架的高带宽型进行研究。

考虑到上述事实，本文试图提出一些关于主动悬架系统的理论，并把悬架的非线性、平顺性和汽车操纵性的参数考虑进去。

本文综述了各种工作。

在前人对被动和主动悬架研究和发现的基础上，并把悬架的非线性、平顺性和汽车操纵性等参数考虑进去，本文试着提出了一个观点。

图1 高带宽系统
2.改进后的半主动悬架系统天钩控制
Keum-Shik Hong 和 Hyun-Chul Sohn al 在2002年研究了半主动悬架的改进的天钩阻尼控制并且演示了最佳一个和两个自由度的车辆主动悬架结构结合之间的连接。

结果表明，与两个自由度的相比较，特殊的单自由度结构代表最佳的性能可达到的极限。

3.汽车悬架替代控制法
C.Yue 等人[ 3 ]讨论汽车主动悬挂系统的替代控制法。

他们用二自由度四分之一汽车模型评估了该控制规律。

控制法被认为是全状态反馈的簧载质量、绝对速度和使用悬架动挠度测量LQG 调节器。

他们发现，所有三个部分提高了性能，但整体采用悬浮偏转LQG 调节器提供最好的妥协，在乘坐舒适性、悬架动行程和轮胎力的变化之间。

阻尼器
车轮
轮胎
作为比较基准的情况下，给出了无源系统车辆参数的加速度标准值。

在全状
态反馈控制规律下，线性最优控制理论已被用于设计。

他们发现了一些有趣的特
性。

结果表明，一个设计，强调舒适度传递函数。

主动悬架大大提高了1赫兹区
域而不变的点（10.6Hz ）消除了在轮胎跳跃方式上的任何作用。

他们还发现，有
源系统的高频性能比被动系统更糟糕。

他们还发现，轮胎变形量的传递函数仅仅
在1Hz 区域进行了改进。

绝对速度反馈提供相同的性能，也消除了高频刺耳的
问题。

最佳的整体设计是以最简单、最廉价的变量来衡量LQG 补偿器实现的。

图2无源加速度
图3无源加速度 在一个控制的意义上，使用致动器力的控制系统和悬架动挠度的测量是可控的和可观察到的，因此，我们可以设计为行驶品质或车辆行驶性能。

结果表明，
行驶品质设计捕获了全状态设计的所有好的特点，消除或减少一些不好的特点。

4.主动悬架的非线性自适应控制
Andrew Alleyne 等人[ 4 ]研究了以前开发的非线性滑动控制法，并应用于电
液悬挂系统。

在最早期的研究中，悬架的最优控制法没有考虑执行器的动态。

听说他们在一个四分之一汽车主动悬架模型中，考虑了电液执行器的非线性动力
学，并用这些动力学制定一个非线性控制法。

在本文中，基于Lyapunov 稳定性分析模型的标准方法被引入，为了减少误
差。

用该分析模型仿真所显示的性能与实验结果如图4，为了提高汽车的乘坐质
量对所使用过的是实验结果进行了调查。

图4一季度汽车模型和状态方程
图5天钩簧上质量加速度（模拟）
由于行驶品质与在车厢中感觉到的加速度有关，所以我们的任务是降低加速
度，同时保持悬架系统的约束。

实现这一目标常采用的方法是“天钩阻尼”。

控
制器的性能被定义为主动元件能够跟踪一个给定的“天钩”的力，这是由系统的
状态确定的。

在各种非线性控制器下，主动系统的性能除了应相互比较外，还应
和一个被动系统比较。

致动器，力产生元件是一个传统的四通阀液压执行器。

四
通阀是由一个直流输入挡板阀控制的。

挡板阀使用的输入电流和液压辅助控制阀
门的阀芯运动。

伺服阀的运动是第三级，包括挡板和阀芯阀。

在模拟的改进的自适应方案中，使用的参数并不限于以慢时变为标准的自适
应方案；然而，他们被限制在恒定或缓慢时变的状态空间的区域内。

图5显示了
簧上质量
簧下质量
天勾簧上质量的模拟加速度。

图6显示系统的实验结果，是在双表面滑动控制器的自适应控制下开发的。

图6 簧上质量加速度（实验）
5. 线控电动液压驱动主动悬架的反推方法
Claude Kaddissi等人[ 5 ]研究了基于反推方法的电液主动悬架控制。

由于液压元件的使用，使得主动悬架模型是高度非线性和非差异性，特别是伺服阀。

因此，强大的控制策略是必要的，而在反步这里使用的是强大的非线性逼近，它能够压倒所有这些事实。

这里的电液执行器是用来确保乘客的舒适度。

对于任何类型的悬架，其主要目的是减少车架的垂直运动，由于道路的缺陷。

这个结果意味着减少传递到乘客身上的力。

电液执行器通常被选择用于此目的，在悬架控制中。

听说，通过电液主动悬架线控的驱动器正在被研究，通过使用回步的方法。

这项工作的重点是，考虑到所有系统的非线性，包括一个由致动器室体积和零动态的稳定性的变化引起的。

图8所示的是一季度汽车模型的电液主动悬架。

悬架是由液压系统和构成经典被动悬架的弹簧-阻尼器系统所组成。

关于汽车动力学，用轮胎弹簧模拟平行弹簧和阻尼器。

听说主要目的是确保一个稳定的零动态。

关于液压系统，电机带动液压泵以恒定的速度运转。

然后，泵输出油流从油箱流到剩下的组件。

通常，泵的排出压力取决于负载（汽车和乘客的重量）；但是，在任何情况下，它是稳
定的，由于蓄能器和减压阀的存在。

事实上，蓄能器作为一个额外的压力源是必要的。

另一方面，安全阀补偿压力的增加，因为大的负载，通过返回的附加量流
向油箱。

液压执行机构支撑悬架；决定悬架位移的运动和速度是解决来自油流量和压
力来自伺服阀。

控制法，是通过以电信号设计的反推控制器产生的。

它驱动伺服
阀阀芯依靠道路扰动来校正正确位置。

这反过来又决定了执行器的行动使汽车车
身的垂直运动为零，这给出了一个对这一控制策略的线控驱动方面。

图8 四分之一汽车电液主动悬架
图5显示了一个典型的被动悬架系统相同的数据。

图6显示了，使用反推非
线性电液控制的主动悬架车身的垂直运动和传递到乘客身上的力。

在本文中，他
们提出了一个非线性、线驱动、电动液压主动悬架的控制策略。

该控制律基于非
线性反推。

从图6可以看出，所设计的控制器成功地稳定了车身的垂直运动和传
递到乘客身上的力。

液压作动器是线性的，这增加了系统的非线性，由于油体积
与活塞位置的变化。

这种不连续性产生的数学和数值的问题导致阀芯不得不从正
切换到负的位置，反之亦然。

在数学模型中，我们引入了一个轮胎模型的阻尼系
数；这确保了一个稳定的零动态能独立地控制变量的选择。

该结果和那些经典的
伺服阀
油缸
反馈控制
被动悬架和PID控制器进行了比较。

Claude Kaddissi等人研究了使用间接自适应反步电液系统的实时位置控制，液压参数易发生的变化，它是采用一种自适应控制策略，以使更新控制器参数的变化是有用的。

用于此目的的自适应控制是有用的。

当处理电液系统时，第一个数学模型的正确性和控制策略的有效性被认为是重要的因素。

在本文中，液压参数的动态性被考虑到，并给出了在现有的系统中的一些改进。

对于控制问题，采用的是最有效的间接自适应控制系统。

本文提出了一种电液伺服系统的位置控制，它具有强大的反推策略的优点，同时考虑了系统参数的变化。

本文主要关注的是识别系统参数和操作系统条件的变化。

它的好处是，它保证了系统参数收敛到真实的物理参数值，同时保证系统的稳定性。

电动液压工作台是用于试验目的的一个间接自适应反推控制器。

和采用实时反推控制器得到的结果相比，电动液压元件的变化取决于负载的温度和压力的变化。

在参数变化期间，还发现参数变化后的自适应控制器能够有轻微的瞬态行为，并跟踪期望的参考信号。

本文证明间接采用的控制器是液压控制系统的理想选择，它导致了系统参数的实际值，它允许一个良好的监测系统。

6. 结论
本文介绍了在汽车主动悬架控制系统的设计中，有关研究的最新进展。

以下结论可以从主动悬架系统的文献综述得出。

1. 电液执行器可以有效地用于汽车主动悬架。

2. 反推是汽车悬架控制的强大的战略，因为它控制的液压元件的非线性，特别是伺服阀的非线性。

3. 反推方法的主要目的是控制垂直运动，因此它提高了旅客的舒适性在其他的方法上。

4. 间接自适应控制器是液压控制系统的理想选择，因为它会导致系统参数的实际物理值，它允许一个良好的监测系统。

参考文献
[1] D.H.Rovat, “Optimal Active Suspension for Quarter Car Vehicle Models”Automates, V ol.26.No.5.pp.860.1990.
[2] Keum-Shik Hong, Hyun-Chul Sohn, J.Karl Hedrick “Modified Skyhook Control of Semi-Active Suspensions: A New Model, Gain Scheduling, and Hardware-in-the-Loop Tuning”Journal of Dynamic Systems,Measurement, and Control, V ol 124, No.159-167
[3] C. Yue, T. Butsuen,and J. K.Hedrick, “Alternative Control Laws for Automotive Suspensions” Automates,V ol. 26.No. 5.pp. 860.1990.
[4] AndrewAlleyne, J. KarlHedrick, “Non Linear Adoptive Control of Active Suspensions,”IEEE Transactions on Control Systems Technology, V ol.3.No.1.March 1995.
[5] Claude Kaddissi et al, “Drive by Wire Control of an Electro-Hydraulic Active Suspension a Backstepping Approach”. Proceedings of the 2005 IE Contron Applications Toronto, Canada, August 28-31, 2005.
英文翻译指导教师评阅意见
摘要关键词：
Abstract
目录
摘要 (2)
Abstract (13)
第1章绪论 (16)
1.1课题研究的目的及意义 (16)
1.2汽车悬架概述 (17)
第2章悬架系统的设计要求及研究内容 (18)
2.1悬架系统的设计要求 (18)
2.2课题研究的内容 (19)
第3章悬架系统的对比分析 (19)
3.1非独立悬架 (19)
3.1.1钢板弹簧式非独立悬架 (20)
3.1.2螺旋弹簧式非独立悬架 (20)
3.1.3空气弹簧式非独立悬架 (20)
3.2独立悬架 (21)
3.2.1横臂式悬架 (21)
3.2.2多连杆式悬架 (22)
3.2.3纵臂式独立悬架 (24)
3.2.4烛式悬架 (25)
3.2.5麦弗逊式悬架 (26)
3.2.6拖曳臂式悬挂 (27)
3.2主动悬架 (28)
第4章悬架结构形式分析 (29)
4.1独立悬架结构形式分析 (29)
4.2前后悬架方案的选择 (30)
4.3辅助元件 (30)
4.3.1横向稳定器 (30)
4.3.2 缓冲块 (31)
第5章悬架主要参数的确定 (31)
5.1主要技术参数 (31)
5.2悬架性能参数的确定 (32)
5.2.1自振频率（固有频率）选取 (32)
5.2.2 悬架刚度 (32)
5.2.3 悬架静挠度 (32)
5.2.4 悬架的动挠度 (33)
5.2.5 悬架弹性特性 (34)
第6章弹性元件的计算 (34)
6.1 前悬架弹簧（双横臂悬架） (35)
6.2 后悬架弹簧（单纵臂式独立悬架） (36)
6.2.1 弹簧中径、钢丝直径及结构形式 (36)
6.2.2 弹簧圈数 (37)
第7章悬架导向机构及横向稳定的设计 (38)
7.1 导向机构设计要求 (38)
7.2双横臂独立悬架示意图 (39)
7.3横臂轴线布置方式 (39)
7.4导向机构的布置参数 (40)
7.4.1 侧倾中心 (40)
7.4.2 纵倾中心 (41)
7.4.3抗制动纵倾性（抗制动前俯角） (42)
7.4.4抗驱动纵倾性（抗驱动后仰角） (42)
7.4.5悬架横臂的定位角 (43)
7.5 横向稳定杆的设计 (43)
第8章减振器设计 (44)
8.1减振器概述 (44)
8.2减振器分类 (45)
8.3减振器参数选取 (45)
8.4减振器阻尼系数 (45)
8.5 最大卸荷力 (46)
8.6筒式减振器主要尺寸 (47)
8.6.1 筒式减振器工作直径 (47)
8.6.2油筒直径 (48)
第9章平顺性分析 (49)
9.1 平顺性概念 (49)
9.2 汽车的等效振动分析 (49)
9.3车身加速度的幅频特性 (51)
9.4悬架动挠度的幅频特性 (53)
第1章绪论
1.1课题研究的目的及意义
汽车作为一种既灵活方便，又经济实用的交通运输工具，自从被发明生产的那天起便引起了人们极大的热情和兴趣。

从 20 世纪 80 年代以来，由于全球经济和科学技术的不断发展，以及人们生活水平的不断提高，使得汽车已经逐渐成为人们日常生活、生产和工作中越来越不或缺的交通运输工具。

尤其是近些年来，伴随着信息技术﹑计算机技术﹑电液控制技术、能源技术以及其它新兴技术的不
断发展与进步，在他们的影响下，使得汽车行业的发展越来越迅猛。

与此同时，随着新兴技术的发展，人们对汽车的各种综合性能的要求也愈来愈高，尤其是对汽车的驾驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性等性能的要求格外突出。

汽车作为一种现代化的交通运输工具，是由发动机﹑底盘﹑车身及电气控制系统等组成的高度复杂的地面行走机械系统。

路面作用于车轮的力和力矩都要通过悬架系统传递到车架或车身，以保证车辆的正常行驶。

悬架系统的设计对车辆的总体性能有着重大的影响。

其中，车辆的行驶平顺性﹑缓冲可靠性﹑横向稳定性及乘坐舒适性是衡量车辆机动性能的主要指标。

汽车悬架系统是为了提高车辆驾驶安全性，操纵稳定性及行驶平顺性，减少动载荷引起汽车零部件损坏的关键所在。

在车辆行驶的过程中，由于操作不当，风向，路面不平等因素引起汽车的振动，使乘员和货物处于振动的环境之中。

振动不仅影响乘员的舒适性﹑工作效能，如果振动过大还会影响人的身体健康，使运输的货物受到破坏。

同时，由于地面与车轮之间的动载荷，还会影响车轮的附着效应，因此也会影响到汽车的操纵稳定性和驾驶安全性。

通过保持车辆振动环境的舒适性，来保证驾驶员在复杂的路面情况和操纵条件下，能够做出正确的判断。

因此，这将影响汽车的操纵稳定性，对确保行驶安全性是非常重要的。

所以，应该对汽车悬架系统的振动进行分析，将其振动控制在最低的水平，对改善车辆的驾驶安全性、操纵稳定性和行驶平顺性等综合性能都具有非常重要的意义。

1.2汽车悬架概述
悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器等组成。

导向装置有导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架或车身的运动特性，并传递除弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。

当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。

缓冲块用来减轻车轴对车架或车身的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。

装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。

根据导向机构的结构特点，汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两种。

非独立悬架的特点是左右车轮之间由一个刚性梁或非断开式车桥相连，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。

独立悬架中没有这种刚性梁，左右车轮各自独立地与车架或车身相连或构成断开式车桥。

按结构特点又可分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等。

非独立悬架系统的优点：左右轮在弹跳时会相互牵连，轮胎角度的变化量小
使轮胎的磨耗小；在车身高度降低时还不容易改变车轮的角度，使操控的感觉保持一致；构造简单，制造成本低，容易维修；占用的空间较小，可降低车底板的高度。

非独立悬架系统的缺点：左右轮在弹跳时，会相互牵连，而降低乘坐的舒适性及操控的安定性；因构造简单使设计的自由度小，操控的安定性较差。

独立悬架系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬挂在车架或车身下面的。

其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度比较小的软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。

不过，独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点，同时因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间。

现代轿车大都是采用独立式悬架系统，按其结构形式的不同，独立悬架系统又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架系统等。

第2章悬架系统的设计要求及研究内容
2.1悬架系统的设计要求
对悬架提出的设计要求有：
（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。

（2）具有合适的衰减振动的能力。

（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。

（4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。

（5）有良好的隔音能力。

（6）结构紧凑，占用空间尺寸要小。

（7）可靠的传递车轮与车身之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。

前、后悬架的固有频率的匹配应合理。

对乘用车，要求前悬架略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架或车身。

在簧上质量变化的情况，车身高度变化要小。

因此，因采用非线性弹性特性悬架。

汽车在不平路面行驶时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直运动。

为了迅速地衰减这种振动和抑制车轮、车身的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减。