汽车空气悬架建模与仿真分析Word格式.docx

1、空气弹簧的运动性能特点是：负载能力可调；弹性系数随负载转变；负载转变肘,固有频率几乎不变；固有频率较低。这些特点决定了空气悬架具有以下长处：（1）乘坐更舒适安全；（2）改善车辆的行驶平顺性；（3）延长轮胎和制动片的利用寿命；（4）负载转变时车身高度不变；（5）减少电气、空调、排气系统、车桥、车身和底盘的维修本钱；（6）减少对道路的冲击，保护路面，降低高速公路的维修费用；（7）延长车辆的利用寿命并增加折旧值。 空气悬架的结构形式空气悬架的主要组成部份除空气弹簧组件、减振阻尼装置之外，还有导向机构、高度控制阀、横向稳定器缓和冲限位块等。空气弹簧是一种利用橡胶气囊内部紧缩空气的反力作为弹性恢复力的新

2、型弹性元件，它利用橡胶的弹性和空气压力取得综合具有吸振、减振、隔振、防噪缓和冲等功能。作为隔振支承装置使历时，空气弹簧具有优良的弹性特性，与普通的钢制弹簧和橡胶制弹簧相较，它具有以下特点：（1）空气弹簧具有非线性特性，可将其特性曲线设计成理想形状；（2）空气弹簧质量轻，内摩擦小，对高频振动有很好的隔振、消声能力：（3）空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节橡胶气囊内的压力来调整；（4）负载转变时，固有频率几乎不变，且固有频率较低；（5）空气弹簧具有较高的疲劳寿命，其疲劳寿命可达300万次以上，实际利用寿命可达5年以上。现在，空气弹簧因具有良好的减振和隔振性能而被普遍应用于汽车、铁道车辆和舰船、航

3、空、工业等领域的动力机械、电子设备、仪器仪表、化工机械等各类设备当中。空气弹簧的结构可以设计成多种类型。按照橡胶气囊工作时的变形方式，空气弹簧可分为囊式空气弹簧、膜式空气弹簧两种。（如图所示）囊式空气弹簧 膜式空气弹簧囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶制成的气囊和密闭在其中的紧缩空气组成。气囊上下盖板将空气封于囊内。按照橡胶气囊曲数的不同，囊式空气弹簧可以分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。气囊各段之间镶有金属轮缘，目的是经受内压张力。囊式空气弹簧有效面积转变率较大，弹簧刚度较大，振动频率也较高。为了取得低的振动频率，可设置辅助气室。但过大的辅助气室对降低振动频率的效果不是很明显，因此在设计时辅助气室

4、的容积最大不超过原气囊的三倍。增加气囊曲数时，由于气囊的变形可由各个曲面平均分担，因此曲数越多，有效直径转变率就越小。可见增加气囊曲数会降低囊式空气弹簧的刚度，降低弹簧的振动频率。膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之问放置一圆柱形橡胶气巍，通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。工作时，膜式空气弹簧橡胶气囊沿活塞面发生变形，通过橡胶气囊的卷曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧有效面积的转变率小，因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下，也可取得较低的自振频率。在萁正常工作范围内，膜式空气弹簧刚度转变要比囊式小，弹性曲线更为理想，固有频牢更低些。同时膜式窄气弹簧可以通过改变活塞底座的形状和利用活塞底庳的空心内腔

5、作为辅助气室来优化其刚度特性，从而取得那想的非线性特性，膜式空气弹簧尺寸小，便于布置，刚而多用于小轿车上。 空气弹簧的工作原理空气悬架工作原理就是用空气紧缩机形成紧缩空气，并将紧缩空气送到弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。在前轮和后轮的周围设有车高传感器，按车高传感器的输出信号，微机判断出车身高度的转变，再控制紧缩机和排气阀，使弹簧紧缩或伸长，从而起到减振的效果。 空气悬架给予了汽车更多的灵性。当你在高速行驶时悬架可以变硬来提高车身的稳定性；而长时间在低速不平的路面行驶时，控制单元会使悬架变软来提高车子的舒适性。 空气悬架对整车性能的影响1. 空气悬架为刚度可变的非线性悬架。当簧载

6、质量转变时，刚度随之转变，以维持空载和满载时车身高度相同，悬架固有频率大体不变。按照需要，可以选择不同的气囊工作高度，取得理想的固有频率，从而取得良好的行驶平顺性。2. 空气悬架质量轻，弹簧刚度低，高速行驶时，轮胎与地面的附着能力强，制动距离短；转向时，过量转向和不足转向偏向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。3. 空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量，可取空气压力作为信号，控制制动缸内的气压，来控制制动时的制动力，更好地保证了行驶安全性。4. 可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上，降低车身高度，维持空气阻力系数为最佳值，可以减小油耗或在功率不变的情况下取得最

7、大车速。4 空气弹簧悬架的建模及分析由于汽车是一个复杂的振动系统，为了便于分析解决问题，常对其进行简化。在预测汽车的振动响应情况时，首先应该成立一个尽可能真实反映系统的数学模型。选择模型时考虑因素的全面与否同预测结果的精准度有很大的关系。成立理论模型的一般法则是把系统刚度较大的某一部份看做是具有集中质量的刚体，而把刚度较小的那一部份看成弹性连接元件，然后将这些刚体和连接元件组合起来，就形成一个机械振动体系。通常以为理论模型的自由度数量越多，预测的结果就越精准。但由于多自由度系统的计算要求测定的相关参数就多，而在车辆设计阶段许多参数并非能准确测定，会给计算结果带来很大的误差。另就研究汽车平顺性而

8、言，由路面不平激起的各类振动成份的作用也有大小和主次之分。在实验的基础上得知车身地板水平方向转变数值就很小，对平顺性影响不到3。通常在研究平顺性时，暂时忽略汽车的侧向运动，着重考虑车辆垂直平面内的运动。 建模在研究车辆振动性能的模型中，按照研究方便，咱们简化成1/4悬架模型。汽车行使时受到路面阶跃为X0，轮胎的缓冲作用令其弹性刚度为K1，空气弹簧刚度为K2，减振器阻尼系数为Cd，按照研究的方便及需要在本文中简化成单质量系统模型。简化的结果如下图1 空气弹簧悬架的简化模型它由车身质量M2，车质量轮M1，车轮刚度系数K1，减振阻尼器阻尼系数Cd的悬架组成。其中X0为地面阶跃，X2为车身位移，X1为

9、轮胎位移。 振动微分方程的取得对模型的分析，利用牛顿第二定理，取得系统运动的微分方程：对车身而言： （1）对轮胎而言： （2）对空气弹簧内部，设其截面积不变；则 （3） （ Pv+Pa）Vm=（Pro+Pa）Vom （4）令 y0=x2, y1=x2, y2=x1, y3=x1则 y0=y1y1=y2=y3y3=-其中上式中：M1轮胎的质量，KgM2车身的质量，KgX0地面对车的阶跃，mX1轮胎的位移，mX2车身的位移，mCd阻尼系数，NsmP空气弹簧的气压，PPr0静平衡位置时的相对气压，Pa V0静平衡位置时的相对体积，m3V任意位置的相对容积，m3,咱们近似以为v1+v2M空气弹簧内部缓

10、冲系数。一般为M=，缓慢时为M=1，坏路为M=。A0空气弹簧的截面积 ,m2V1-空气弹簧的主室体积，m3V2-空气弹簧的副室体积，m3n-空气热力指数，对静态时n=1，对动态时n=。5微分方程的求解 式my+c（y-q）+k（y-q）=0（1）的解析解直接求解上式的解析解由高等数学微分方程的求解可知此方程的解由自由振动奇次方程的解之和组成。若令， 则奇次方程为：y+zny+02 y=00为系统圆频率.而阻尼对运动的影响取决于n和0的比值。为阻尼比：汽车悬架的阻尼比的比值通常在左右属于小阻尼,此时方程的解为:分析此解可知,有阻尼自由振动时,质量m以有阻固有频率振动,其振幅按衰减。以上仅为方程的

11、解析解。在通常的科学计算中，大量的微分方程无法用解析的方式求解，且没有真正的应用价值。特别是随着计算机的迅速发展和普遍的应用，人们愈来愈熟悉到科学计算是科学研究的第三种方式，特别是工科类的大学生更应该具有这方面的知识和能力。为适应时期工科大学生的要求，故可对方程（1）进行科学计算。 方程（1）的数值求解常微分方程是讨论一些典型方程解析解的大体方式。但是，在生产实际和科学研究中碰到的微分方程比较复杂，在很多情况下，都不可能给出方程的解析表达式，又因计算量太大而不实用；有时，即即是一些已经有了求解的大体方式的典型方程，但在实际使历时也是有困难的。以上情况都说明：用求解析式的大体方式来计算微分方程的

12、数值解往往是不适宜的，大体上是很难办到的。在实际问题中，对于求解微分方程，一般只要求解在若干上的近似值或解的便于计算的近似表达式（只要知足规定的精度）即可，就像本课题为了求得最后的振动方程，只要求解若干个点最后连成滑腻的曲线即可。5.2.1 选用解法把势（1）进行整理可得：y”+y+q=0.此方程是一个二阶微分方程，可由多种方式对其求数值解，改良的欧拉方式和四阶龙格库塔法比较适合，又因改良的欧拉方式比较适用于本身不太滑腻的曲线，故在本次设计中可选用经典的解法：四阶龙格库塔法。5.2.2 四阶龙格库塔法的大体思想从研究商开始，由微分方程中值定理（）于是微分方程取得解此处的称作上平均斜率，记k*=

13、f（xi+y）,（xi+h）即：因此只要对平均斜率k*提供一种算法，由式便相应地取得一种微分方程地数值计算公式。用此观点来研究欧拉公式与改良的欧拉公式，可以发现欧拉公式仅取一个点的斜率作为平均斜率k*的近似值，因此精度很低。而改良欧拉公式即是利用了与两个点的斜率取算术平均值作为平均斜率k*的近似值：其中是通过已知信息yi利用欧拉公式取得的。改良欧拉公式比欧拉公式精度高的原因，也是在于肯定平均斜率时多取了一个点的斜率。因此它启发咱们，若是设法在xi，xi上多预报几个点的斜率值，然后将他们加权平均作为k*的近似值，则有可能构造出更高精度的计算公式，此则是龙格库塔法的大体思想。四阶龙格库塔法编程及其

14、参数说明 按照以上分析，用C编写为的子程序，此程序可以结合不同的微分进行挪用，格式如下：void grkt1（t,y,n,d）int n;double t,y,d;d0=f0（t,y0,y1,.yn-1）的表达式；dn-1=fn-1（t,y0,y1,.yn-1）的表达式；return;挪用参数说明：t双精度实型变量，积分的起点t0y双精度实型一维数组，长度为n。寄存n个未知函数在起始点t处的函数值（即处值）n整型变量，微分方程组中方程的个数，也是未知函数个数。k整型变量，积分的步数h双精度实型变量，积分的步长z双精度实型二维数组，体积为n*k以上仿真的大体参数：M1=1400Kg；M2=70K

15、g；V1=0.03M3；V2=0.06M3；A0=0.2827M2；P1=4Pa；K2=m；K1=m；6客车空气悬架系统的仿真分析空气悬架的特性在很大程度上取决于空气弹簧的弹性特性。空气弹簧具有非线性特性。空气弹簧的载荷一名移曲线形状呈反“S”形，作该曲线上某点的切线便取得了该点的刚度。说明了空气悬架的刚度是无穷个的。为了便于研究，简化了一下，就取曲线上的两个刚度值来研究，一个是刚度较大的情况下，一个是刚度较小的情况下，来分析车身、车轮、的位移速度加速度图象汽车在行驶进程中振动时候，其阻尼比一般有三种情况：01,其中：1.01时，此时为过阻尼，汽车振动不明显。在本文中，咱们别离对以上01两种情

16、况下汽车悬架的振动情况进行仿真输出，对比各类情况下在受到相同阶跃输入时候，那种情况更理想，从而达到汽车舒适性和平顺性的目的。 数据的处置利用设计出来的C语言程序计算出来数据处置后别离将车轮位移、车轮速度、车身位移、车身速度、车身加速度、车轮加速度转化为test. txt、test2. txt、test3. txt、test4. txt、test5. txt、的数据文件寄存在计算机磁盘中，以供Matlab画图时候挪用。在Matlab挪用数据之前，应先将以上的数据文件保留到Matlab程序文件夹的work文件里面，这样才能直接挪用。在调历时候，将每一个数据转化为矩阵形式，与时间参数一一对应（即t=

17、0:）进行画图，从而的出车轮位移图、车轮速度图、车身位移图、车身加速度图、车身速度图。 输出图形的结果本次仿真设计的结果是对悬架系统在汽车车轮受到阶跃输入时候，对车身的位移，速度，加速度和对车轮的位移和速度进行形象的图形输出。通过改变汽车阻尼比进行对比，具体结果如下：图1 阻尼比较小的情况，车身位移图图2 阻尼比较小的情况下，车身速度图图3 阻尼比较小的情况下，车轮位移图图4 阻尼比较小的情况下，车身加速度图图5 阻尼比较小的情况下，车轮加速度图图6 阻尼比较大时，车身加速度图。在阻尼比大时，车身的加速度很快的降下来图7 在阻尼比大，车轮受到较大地面冲击时，也能在较短的时间内变小，使车轮在短时

18、间平稳下来图8 在阻尼比大，车身受到较大地面冲击时，也能在较短的时间内变小，使车身在短时间平稳下来。 仿真结果分析通过对以上各图形的彼此对比分析，汽车空气悬架的阻尼比在处于 01情况下的时候，当车轮受到地面阶跃输入的时候，车身的位移速度都转变的太快，给人身的刺激也就比较大，从而不能达到乘坐舒适性和驾驶平顺性的目的。所以汽车在大部份情况下，阻尼比一般处于01情况下。总结及建议本文以客车空气悬架系统为研究对象，先对空气悬架系统的结构进行分析，再把空气悬架系统特点对整车的影响通过简单计算，得出计算结果后输入计算机，由计算机模拟出图形，咱们取得研究结果。由于时间仓促和客观条件限制，再加上作者水平有限，

19、所以在本文研究工作基础上还有诸多可以完善的地方。现提出以下几点建议：（1）对悬架的仿真目的是为了寻觅一个最适合的阻尼系数以达到汽车的最佳舒适性和平顺性，由于路面和外界干扰因素对车身的干扰都是未知的，人们无法用什么模型来表示它，所以为了达到最佳舒适性和平顺性，悬架的阻尼系数也不该该是一个定值，只有通过不断的改变悬架的阻尼系数，同时通过对不同的路面冲击的模拟，通过计算机的输出的结果，咱们找出接近理想的仿真曲线，才能达到最理想的状态，这是悬架的控制，才能了解空气弹簧的优越性。（2）在空气悬架控制系统结构及控制算法的设计和研究上，国内大多停留在计算机仿真上。因此在条件允许的情况下，综合考虑整车的平顺性

20、和操纵稳定性，对各类控制策略下的主动空气悬架系统进行实车实验，验证所研究控制策略的正确性和可行性，为进一步实用化打下基础。致 谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学光阴也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中不免思绪万千，一种感恩之情油但是生。感激学院关心咱们毕业论文的老师和领导们，学院的计算机实验室给我的课题带来了很多方便；感激在班里同窗和朋友，感激你们在我碰到困难的时候帮忙我，给我支持和鼓励，感激你们。特别感激我的指导老师宋宇，在本课题中给予我悉心指导，从一开始对空气弹簧的完全陌生到最后的茅塞顿开，我学到了很多知识。宋老师给我的鼓励与指引，使我能够

21、克服重重困难，将论文完成，在此谨向宋宇老师致以真挚的谢意和高尚的敬意。谢谢！参 考 文 献1陈家瑞汽车构造（下）M北京：机械工业出版社，2005：199-2432徐士良编著.常常利用算法程序集.清华大学出版社,1996年3刘波客车电控空气悬架系统及其发展趋势J客车技术，2007（6）：5-84何渝生编著.汽车控制理论基础及应用.重庆大学出版社,1995年5陈中亮编著.Turbo科学计算与画图.华东理工大学出版社,1996年6方瑞华，解跃青，雷雨成空气悬架理论及其关键技术J同济大学学报:自然科学版，2003，31（9）：1072-10767严彦从 大型客车空气悬架结构特点及设计中的若干问题199

22、7年8张建文,庄德军,林逸,王望予,刘宏伟汽车用空气弹簧悬架系统综述2002年 9ROD M V C，PRZLAD V A unable fuzzy logic controller for vehicle active suspension systemsJ Fuzzy Sets and Systems,1997,85:11-2010Gieck JackRide on air：A history of air suspensionMNew York：11John Wood roffe Heavy Turuck Suspension Dynamics:Methods for Evaluacti

23、ng SUSOENSION Road Friendliness and RIDE onality C.SAE Air Suspension Modeling and Simulation Author: liuyidong teacher: Sung Yu（The agriculture university hefei 07530087）Abstract Suspension is one of the important assembly car, it for car getting smooth-going and stability has very big effect. In t

24、he automobile suspension system design and development process, the kinematics and dynamics and control strategy of calculation and analysis by occupies very important position. Air spring has excellent elastic properties, used in vehicle suspension devices can not only can greatly improve vehicle d

25、ynamic performance significantly improve the operation vehicle comfort; Still can reduce vehicle vibration frequency and wheel dynamic load, make its win good ride comfort and sex, handling stability and high-speed driving safety, reducing vehicle of automobi damage. This paper automobile air spring

26、 suspension and air suspension system characteristic, the influence of vehicle through a simple calculation, and then the calculation results into the computer and the graphic by computer simulation, we will get results. Keywords: the air suspension, air spring, modeling, computer simulation 附录 编程模块 #include void grkt1（t,y,n,h,k,z） int n,k; double t,h,y,z; extern void grkt1f（）; int i,j,l; double a4,tt,*b,*d; b=malloc（n*sizeof（double）; d=m