精品完整版气路闭环空气悬架系统 车身高度调节系统.docx

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精品完整版气路闭环空气悬架系统车身高度调节系统

JIANGSUUNIVERSITY

毕业论文

课题名称：

气路闭环空气悬架系统

车身高度调节系统

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专业名称：

交通运输

江苏大学汽车与交通工程学院

2015年5月23日

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名

杨阳阳

学号

3110405012

专业

交通运输

指导教师姓名

孙丽琴

职称

教授、讲师

所在系部

汽车与交通工程学院

课题来源

科研项目

课题性质

毕业论文

课题名称

气路闭环空气悬架系统车身高度调节系统

一、毕业设计的内容和意义 

内容：

本文对气路闭环式的空气悬架系统做了系统研究，介绍了空气悬架的刚度、空气弹簧的有效面积、工作行程和有效体积等特性。

结合阻尼可调减震器的工作特性、空气弹簧的充放气过程和空气悬架设计的综合要求建立了气路闭环空气悬架系统车身高度调节系统的数学模型，通过计算匹配了合适的悬架参数。

并且运用MATLAB软件搭建了空气悬架系统车身高度调节系统的仿真模型，对空气弹簧的刚度和阻尼特性进行了仿真，最后通过对建立模型的参数化，对空气悬架系统车身高度调节的特性进行了系统研究。

预期结果：

得到与现实中空气悬架系统车身高度调节过程相逼近的悬架刚度和阻尼特性的仿真结果，最后获得相关的结构设计参数。

意义：

空气悬架系统在汽车应用中已占有很高的比例，但是大多数是气路开式空气悬架系统，通过对气路闭环空气悬架系统高度调节系统的研究。

针对非空气悬架而言，有利于改善汽车的操作稳定性和平顺性等综合性能；针对气路开环的空气悬架系统而言，有利于降低车身高度调节过程中因压缩空气产生的能耗，同时也降低了车辆使用过程中因进排气产生的噪声。

二、文献综述

1.文献《电控闭环空气悬架系统车高控制与节能研究》对应用气路闭环空气悬架系统的汽车车身高度调节时悬架系统的动态特性进行深入分析。

根据电路闭环空气悬架的车身控制原理建立了数学模型。

设计了车身高度控制策略，基于Simulink进行了仿真，并通过基于AMESim建立的物理模型仿真与Simulink仿真结果分析对比验证了数学模型的有效性。

介绍了两种常用的气路系统耗能评价方法。

提出了针对电控气路闭环悬架系统能耗评价的方法。

得出气路闭环空气悬架系统相对于开环空气悬架的节能效果，并为气路闭环空气悬架的相应参数选择提供了重要依据。

2.文献《ECAS客车车身高度调节系统设计及调校研究》介绍了空气弹簧的弹簧高度、体积及有效面积等主要弹簧参数和刚度阻尼特性，利用热力学相关知识推导了空气弹簧的数学模型，并给出了可调阻尼减震器的速度特性。

设定了电控空气悬架的几个相关车身高度，对电控空气悬架的车身高度控制进行了模块化设计。

介绍了主要电控部件的功能特性，分析了电控空气悬架系统的充放气过程，根据分析结果给出气动系统回路气动元件的选择依据。

提出变速积分PID/PWM车身高度的控制策略，通过模拟仿真初步整定控制参数。

阐述了汽车车身高度控制系统的调节方法并利用VisualBasic软件开发了可用的调试系统，针对扬州亚星的YBL6891H客车的控制参数进行标定，得到了预期效果。

3.文献《空气悬架刚度匹配与阻尼控制研究》通过计算得出了空气弹簧的刚度特性和减震器的阻尼特性，根据悬架设计的综合理论知识，计算出理想悬架的相关特性。

然后根据悬架与弹簧之间的刚度杠杆比关系，运用数值优化求出了合适的空气弹簧参数。

本文是利用了ADAMS软件搭建的虚拟样机整车模型，在原型车和转配了半主动空气悬架的汽车之间进行了操纵稳定性和平顺性指标的对比分析，并得出半主动空气悬架汽车优于原型车的结论。

其中根据空气弹簧的刚度特性，空间体积及长度等参数，针对减震器设计了合适的阻尼模糊控制策略

4.文献《客车空气悬架系统优化匹配技术与试验研究》按照正向设计

二、文献综述

的思路阐述空气悬架电控匹配的关键技术。

在悬架的总体设计中定

义了汽车的整车操纵稳定性和平顺性的性能指标并确定了设计方案。

利用了仿真软件SIMPACK建立动力学的多体整车模型，进行仿真分析，并将仿真结果与整车试验结果对比，证明了本文的高仿真精度。

详述了汽车悬架的评价指标对汽车性能的影响，分析了空气弹簧刚度和减震器阻尼对悬架特性的影响。

针对悬架系统评价指标在空气弹簧刚度和减震器阻尼之间是矛盾关系，设计了3级弹簧刚度和阻尼匹配的解决思路，针对空气弹簧和3级阻尼可调减震器特点，设计一种新型的PID增量式神经网络控制器，有效提高了汽车操纵稳定性。

为验证本文所设计的空气悬架匹配效果和检查存在中的不足，以实车为参考，从操纵稳定性和整车平顺性两个方面进行了对比试验和数据分析，证明了该优化方法发有效性和实用性。

为汽车空气悬架系统的正向设计探索出一条有效的方法。

5.文献《电控空气悬架控制策略及试验台开发》对空气弹簧特性曲线做了深入研究，通过实验确定了该台架空气弹簧初始气压为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa下的空气弹簧的特性曲线。

利用热力学的相关原理推导出了气路闭环空气悬架的刚度和高度、偏频的函数关系，为悬架高度的确定提供理论依据。

应用MATLAB/Simulink软件开发了控制策略，并对该控制策略进行了模块化设计以便于后期的修改。

设计开发了实时监控测量、参数标定和手动控制三大功能的ECAS系统调试和标定软件。

为后期进行试验和数据标定提供了平台。

6.文献《半主动空气悬架混杂系统的多模式切换控制研究》全面揭示了半主动空气悬架系统控制的混杂动力学行为，提出了符合实车运行工况的阻尼和高度多模式切换的控制策略。

针对汽车行驶过程中的线性问题将系统分解为4种线性工况进行局部，针对非线性和不确定问题，设计了基于模糊控制理论的车身高度控制器。

针对切换过程中阶跃输入引起的系统失稳现象设计了基于模糊控制理论的切换控制监督器，提高了空气悬架系统在多模式切换过程中的动态响应品质。

并基于MC9S08DZ系列单片机开发了半主动空气悬架系统具有多模式切换功能的控制器。

最后进行了实车试验，得出实验结果

二、文献综述

和仿真计算基本吻合的结果。

7.文献《汽车空气悬架系统优控制研究》从空气悬架的结构角度分析，基于流体力学的相关理论，建立了带有附加气室的空气弹簧动态方程。

对附加气室的空气弹簧非线性动态方程做线性处理，建立带有附加气室空气弹簧的客车单轮数学模型，为系统动态特性的研究提供了理论依据。

通过采用Matlab/Simulink软件建立了汽车主动控制的结构框图，对几种典型路面进行仿真分析，得出采用最优控制策略的悬架明显改善汽车的操纵稳定性和平顺性的结论。

8.文献《基于CAN总线的汽车主动式空气悬架系统控制研究》对主动式空气悬架的国内外研究现状进行了调查，然后从CAN总线和汽车电子两方面进行阐述。

从实车运行工况为切入点开发了自适应模糊PID控制和车身高度调节控制策略。

通过对该悬架系统进行物理模型的建立和模拟仿真分析，证明了基于CAN总线的空气悬架主动控制策略的优越性。

最后运用CANoe软件对基于CAN总线的主动空气悬架系统做了有关通讯的实时性仿真分析。

得出了基于CAN总线汽车主动空气悬架系统在信息的实时性、准确性等方面有很好效果的结论。

9.文献《半挂车空气悬架系统的特性分析》选用某一车型半挂车的空气悬架为研究对象，利用该车型的具体参数，对空气弹簧进行了匹配计算，对所用的空气弹簧进行试验和数据分析，拟合出不同气压下弹簧的特性曲线。

结合了有限元非线性分析，利用Abaqus软件对空气弹簧有限元分析，将理论结果和分析结果做对比，对空气弹簧非线性特性进行研究。

在此基础上得出空气弹簧刚度计算的重要参数——支撑梁的平均刚度，然后经过理论推导结合半挂车的实际运行工况，得出空气弹簧的刚度计算公式。

以ADAMS为平台搭建两个虚拟样机模型：

半挂车空气悬架和普通钢板弹簧悬架。

最后对仿真结果比较分析，验证了论文结论的合理性

三、研究内容

通过对气路闭环空气悬架系统结构和工作原理的学习，根据电路闭环空气悬架的车身控制原理建立了数学模型。

设计符合实际车辆运行工况的气路闭环的空气悬架系统阻尼和车身多模式切换控制策略，并利用MATLAB/SIMULINK对空气弹簧的阻尼特性和刚度性特性进行虚拟仿真，仿真结果与没有车身高度调节系统的结果相对比，得出装有高度调节系统的气路闭环空气悬架车优于原型车的结论。

并为气路闭环空气悬架的相应参数选择提供了重要依据。

四、研究计划

3.5-3.20查阅文献、收集资料。

3.21-4.2确定论文（设计）的切入点和大致思路，完成开题报告和外文翻译。

4.3-4.25确定设计的具体方案，补充学习所需专业知识，绘制毕业设计的结构示意图。

4.26-5.10完成设计中所有相关参数计算和控制策略的设计。

5.11-5.16对相关数据进行仿真-分析-对比，并得出具体结论。

5.17-6.1完成毕业论文的撰写，制作答辩ppt。

6.2-6.8熟悉毕业论文，准备答辩。

五、特色与创新

设计了汽路闭环空气悬架的车身高度控制策略，并通过仿真对比分析，证明了气路闭环空气悬架在具备车身高度调节功能的情况下的具有更好的行驶性能。

指导教师

意见

指导教师签名：

年月日

系部意见

主任签名：

年月日

气路闭环空气悬架系统车身高度调节系统综述

（杨阳阳）

（运输1101,3110405012）

摘要：

随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，空气悬架因为在操纵性和平顺性具有其他悬架无法替代的优势，越来越为大家所接受，各种类型汽车中空气悬架所占比例也逐年上升，气路闭环空气悬架系统车身高度调节系统相比目前研究较多的气路开环空气悬架车身高度调节系统，具有耗能少、效率高、噪声小等特点。

在目前环境对人们生活日益严重的情况下更具有很好的应用前景。

因此，本文以某车型为原型车，通过对空气悬架的刚度和阻尼分析，匹配合适参数，并利用MATLAB软件建立了原车型和装备有合适车身高度调节系统的虚拟样机模型，设计了合适的控制策略，通过仿真分析优化，使整车性能得到了很大的改善。

关键词：

空气悬架；高度调节；弹簧刚度；；阻尼；控制；

1.引言

自二十一世纪以来，我国的汽车保有量急剧上升，目前为止，我国机动车保有量已经达到2.64亿辆，其中汽车1.54亿辆。

并且每年仍在加速增长。

汽车数量的大幅上升，带动了我国汽车行业技术的快速发展。

人们对汽车的性能要求也在逐步提高，其中主要体现在操纵稳定性和乘坐舒适性两个方面。

而这两方面性能在反映在汽车上主要由悬架体现，即在汽车生产过程中，为符合人们对汽车的消费要求，对汽车悬架的设计以及选用显得尤为重要。

而空气悬架因其良好的非线性刚度特性、可变阻尼、较低的固有频率等特点，与其他类型悬架相比具有绝对性的性能优势。

空气悬架系统分为气路闭环空气悬架系统和气路开环空气悬架系统。

随着近年来世界各国对资源节约的重视，气路闭环因其噪声小、能源节约等特点，越来越成为汽车设计人员研究的热点。

2.研究背景及意义

悬架是车架与车桥之间一切传力装置的总称，在汽车行驶过程中保证乘坐舒适性和汽车操纵稳定性的重要装置。

一般由弹性元件、阻尼元件（减震器）和导向机构（导向杆系）三部分组成，有时还加装有横向稳定杆等装置。

悬架把作用于车轮上的垂直反力、侧向力和纵向力以及这些反向作用力传递到车架，并缓和由路面输入的不平冲击，衰减车身和车桥之间的振动，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性、操纵稳定性和平顺性。

随着全球汽车行业的快速发展，空气悬架应用越来越广泛。

大多数发达国家，中重型载货汽车和客车上空气悬架的使用比例已经达到90%以上，甚至有些国家已经达到100%，在我国悬架的普及率也很高。

空气悬架系统根据气路的布置形式可以分为两种：

气路开环空气悬架系统和气路闭环空气悬架系统。

气路闭环空气悬架系统因其避免了重复压缩空气导致的能量浪费，具有节约能量、噪声小等特点，所以现在收到汽车专业人员的青睐。

3.国内外研究现状

3.1国外研究现状

一般认为，空气悬架发展是从1847年开始的，当年由JohnLewis在美国申请了空气弹簧的发明专利（U.S.4965）。

由于一些原因，直到20世纪50年代，空气弹簧才开始在汽车上使用，期间也出现过在有轨电车上使用空气弹簧作为减振元件和汽车使用空气悬架专利（U.S.980138）的发布。

由于高分子领域的快速发展，人造合成橡胶的出现大大缩短了空气弹簧在汽车悬架的使用过程。

1938年凡士通和美国通用公司（GM）合作开发客车空气悬架系统，并与1944年首轮试验成功且性能表现优越。

1953年两家公司开始提供空气悬架豪华客车产品，使空气弹簧由试验阶段进入到实用生产阶段，从此空气悬架技术高速发展。

美国GMC公司于1958年将空气悬架应用到牵引车上并成功生产，英国也在半挂车上投使用空气悬架。

此后，世界各大汽车公司开始了空气悬架的针对性研究并取得了突破性进展。

目前，国外发达国家的几乎100%的大客车上使用的是空气悬架。

在中重型货车上空气悬架的普及率也达到90%以上。

现在越来越多的高级轿车也开始空气悬架的应用，例如宝马X6、奥迪Q7和奥迪A8、大众辉腾、途锐等等。

国外汽车悬架的发展一般认为经历了以下4个阶段：

传统钢板弹簧阶段、气囊复合式弹簧阶段、被动全空气悬架阶段、主动全空气悬架阶段。

对于空气悬架系统车身高度调节系统，一般分为气路闭式和气路开式两种调节方式（也成气路闭环和气路开环），目前应用比较多的还是气路开环空气悬架车身高度调节系统。

气路开环空气悬架系统具有结构简单，制造成本低等优点，但是相对气路开环而言，气路闭环具有能量节约、噪声小的特点。

现在国外也仅有HyunsupKim等少数学者在这方面进行了比较深入的研究。

3.2国内研究现状

我国由于历史原因，汽车行业的发展相对国外也比较晚，直到20世纪50年代，在郭孔辉院士的带领下，国内学者才真正开始着手空气悬架方面的研究工作。

1957年由他领导下，长春汽车和橡胶工业两个研究所联合制造出了第一辆空气悬架载货汽车，跨出了国内汽车空气悬架研究的第一步。

1958年，汽车研究所等单位又设计出来第一个高度控制阀，那段时期，国内陆续研制出了3种高度控制阀和10多种空气弹簧。

20世纪80年代，空气悬架在国内的客车、无轨电车等也逐步取得了应用。

90年代，国内各大汽车企业开始引进外国空气悬架或者带有空气悬架的底盘进行汽车生产。

虽然国内汽车企业众多，但是具有空气悬架自主研发能量的却是凤毛麟角，其中绝大多数企业都以代理的形式存在，这也就促使了中外合资企业例如上汽、一汽等的诞生。

不过在宇通、金龙等客车企业的推动下，国内汽车企业在市场上的竞争力逐年升高。

由于我国汽车技术起步晚，尽管具有世界第一大汽车潜在市场和国家快速发展等等多放面的有力因素推动。

但是国内空气悬架的配置率和自主研发水平还是比较低，国内仍旧没有掌握中高级汽车制造和空气悬架的关键技术。

主要瓶颈为空气悬架的制造与控制、导向机构的设计尤其是空气悬架的匹配技术更是我国空气悬架自主研发的一大障碍。

当然，国内学者在汽车领域不倦的研究与探索，已经大大缩短了国内外的技术水平的差距。

其中吉林大学、清华大学、江苏大学、华南理工等单位在汽车悬架方面的研究对我国的汽车技术的发展都起了不可忽视的推动作用。

由于诸多原因，这些研究成果大多停留在理论阶段，投入实际生产的转化率非常低，导致目前国内外在技术水平上的巨大差距仍旧是不容置疑。

对于空气悬架的控制系统，目前国内的研究则集中在气路开环空气悬架系统，对于气路闭环空气悬架控制系统，国内的仅有华南理工的何二宝等位数不多的学者进行这方面的研究。

参考文献

[1]高玉聪.客车空气悬架动力学性能仿真分析[D].长安大学,2013.