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1、汽车空气悬架计算机控制系统设计论文最终版汽车空气悬架计算机控制系统设计摘 要由于在平顺性和车高控制上的诸多优点，越来越多的客车生产商已经开始使用电子控制空气悬架，通过控制弹簧刚度和减振器的阻尼来获得好的平顺性和操纵稳定性。本文设计对汽车在制动、转向、加速、高速等工况下的空气弹簧刚度的调节来实现对悬架刚度的控制，在不同车速下对车高的调节以减少风阻。通过介绍悬架的种类和特点，分析空气悬架当前发展状况，概述平顺性的研究内容，提出本文研究的主要内容和基本流程。文中以简化的汽车1/4悬架模型为基础，通过分析刚度和系统频率对平顺性的影响，得出空气悬架的主要控制参数。接着使用MATLAB/SIMULINK计

2、算机仿真软件，模拟路面随机输入，仿真被动悬架及空气悬架的加速度变化，通过对比看出其优点。MCS-96系列单片机在接口、抗干扰及运算速度方面的特点，使得其系列单片机在实现对悬架的控制方面有着较大的优势。本文使用MCS-96系列单片机汇编语言编译控制程序，编写出各功能子系统程序段，以顺序执行指令模式运行，通过对各传感器的信号来判断行驶状况，从而输出对应的控制信号。硬件使用80C196KC单片机。关键字：空气弹簧 电控悬架 控制程序 仿真 单片机 Air Suspension Control System DesignABSTRACTAs the car ride and the many adva

3、ntages of high control, more and more bus manufacturers have begun using electronic control air suspension, by controlling the spring stiffness and damping shock absorbers to get a good ride comfort and handling stability. In this paper, we design to adjust the air spring stiffness to achieve the co

4、ntrol of the suspension stiffness in the braking, steering, acceleration, speed and other working conditions. By adjusting the stiffness of the spring and shock absorber damping to reduce the wind resistance in high-speed condition. By introducing the suspension of the type and characteristics of th

5、e current development of air suspension, ride comfort of an overview of the contents of this paper presented the main content and basic processes. By simplifying the car 1 / 4 suspension model, analyzing the stiffness and system frequency on the Ride, come to the main control parameters of air suspe

6、nsion. Then use the MATLAB / SIMULINK simulation software to simulate the random road input, simulation passive suspension and air suspension, acceleration changes, by comparing to see its advantages. As the MCS-96 series MCU interface, interference, and the characteristics of computing speed, makes

7、 the MCS-96 family of single chip to achieve the control of the suspension has a big advantage. This article uses the MCS-96 Microcontroller assembly language compiler control procedures, the preparation of the segment of each functional subsystem, to order the implementation of instruction mode, th

8、e signal on each sensor to determine the operating conditions, and thus the corresponding output control signals. Use 80C196KC MCU.Keywords: air spring; ECAS; control procedures; SIMULINK; MCU1 绪论1.1 悬架概述悬架是汽车的重要组成部分，它把车体与车轴弹性地连接起来，并承受作用在车轮和车体之间的作用力，缓冲来自不平路面给车体传递的冲击载荷，衰减各种动载荷引起的车体振动。悬架对汽车的行驶平顺性、乘座舒适

9、性及操纵稳定性等多种使用性能都有很大影响，因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题之一。汽车悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车身时，可能引起汽车机件的早期损坏；传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬挂中还必须装有弹性元件，使车身与车轮之间作弹性联系。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。

10、故悬挂系统还应具有减振作用，以使振动迅速衰减，振幅迅速减小。为此，在许多形式的悬挂系统中都设有专门的减振器。1.2 悬架的分类悬架的结构形式较多，按导向机构的形式，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。按工作原理不同，悬架可分为被动悬架、半主动悬架及主动悬架三种。目前在汽车上普遍采用的多为被动悬架。随着汽车速度的提高，对汽车悬架的性能提出了越来越高的要求。由于被动悬架存在本质性的问题，设计人员无法对其结构进行改造和参数优化以达到期望的性能指标，所以半主动悬架和主动悬架越来越受到汽车制造商和汽车研究人员的关注。只有半主动悬架和主动悬架可以采用电子控制的方式，即通常所说的电控悬架。悬架电子控制的目的在

11、于如下几点。a. 降低路面凹凸不平引起的加速度和车身急剧跳动对乘员的影响。b. 减少汽车行驶时的车身姿态变化（如侧倾、纵摇、俯仰等）。c. 保证在弯曲路段行驶时的操纵稳定性。d. 在乘客数目和载货质量变化时维持车身高度不变，并在高速行驶时降低车辆高度，在粗糙路面行驶时增加车辆高度。随着半主动悬架和主动悬架在商用车上应用范围的扩大，对作为其主要组成部分的空气弹簧的研究显得越来越重要。1.3 主动悬架平顺性和操纵稳定性对汽车悬挂系统这一互为矛盾的要求，在传统的被动悬挂系统设计中几乎无法同时满足。即使经过慎重的权衡，通过最优控制理论使悬架系统在平顺性和操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案，而这种最优的折

12、衷也只能是在特定的道路状态和速度下达到。为了克服传统的被动悬挂系统对其性能改善的限制，在现代汽车中采用和发展了新型的电子控制悬挂系统。电子控制悬挂系统可以根据不同的路面条件，不同的载重质量，不同的行驶速度等，来控制悬挂系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。主动悬架是一种具有做功能力的悬架，不周于单纯吸收能量、缓和冲击的传统悬架系统。当汽车载荷、行驶速度、路面情况等行驶条件发生变化时，主动悬架系统能自动调整悬架的刚度，从而同时满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等各方面的要求。它在下述几方面使汽车性能得到改善。a. 悬

13、架刚度可以设计得很小，使车身具有较低的固有频率，以保证正常行驶时的乘坐舒适性。由于刚度可调，使汽车转弯出现的车身侧倾、制动、加速等引起车身的纵向摆动等得到解决。b. 采用主动悬架系统时，因不必兼顾正常行驶时汽车的舒适性，可将汽车抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，使汽车的行驶安全性得以提高。c. 汽车载荷变化时，主动悬架系统能自动维持车身高度不变，汽车即使在凹凸不平的道路上行驶也可保持车身平稳。d. 普通汽车在制动时车头向下俯冲，由于前后轴载荷发生变化，使后轮与地面的附着条件恶化，延长了制动过程。主动悬架系统可以在制动时使车尾下沉，充分利用车轮与地面的附着条件，加速制动

14、过程，缩短制动距离。e. 主动悬架可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，因而可提高车轮与地面的附着力，从而提高汽车抵抗侧滑的能力。1.4 空气悬架发展与现状自从1847年John Lewis首次发明了火车用空气弹簧以来，以降低刚度和获得优良的刚度变化特性为目标，经过一个半世纪的不断探讨与创新，人们研制了各种各样的空气弹簧。同其它新技术一样，空气悬架的推广普及也不是一帆风顺的，但最终空气悬架还是以其独特的优良性能在车辆悬架系统中得到了极其广泛的应用，现在，国外高级大客车几乎全部使用空气悬架；重型载货车上空气悬架的占有率也达到了85；大约80的拖挂车使用空气悬架；空气悬架在轻型货车

15、上的应用目前只占市场份额的10， 预测到2008年将达到40 ；部分轿车也逐渐装备了空气弹簧悬架。电子控制空气悬架系统(Electronically Controlled Air Suspension System，简称(ECAS)可以根据车身高度、行驶速度、转向角度、制动等信号，由电子控制单元(ECU)控制系统中的电磁阀或步进电机等执行元件，进行调整橡胶空气弹簧内的压缩空气量，悬架刚度和车身高度随之改变，以抑制车辆急加速、制动时产生的俯仰运动和转向时产生的侧倾运动，保持车身姿态平衡。因此，ECAS能够有效地提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。ECAS在欧美发达国家的大客车、载重汽车和高档乘用车

16、上已得到广泛应用，各大著名汽车生产企业(FORD，GM，VOLVO，TOYOTA，RENAUL，BENZ等)均有自己的相关产品；国内只有小部分高档客车(如苏州金龙)、极少高档轿车(2006年国产新AUDI A6和A8)在引进、消化、吸收的基础上已经开始安装ECAS系统，但是可以预见，ECAS这一先进的空气悬架系统在不久的将来会在国产汽车上越来越普及。ECAS具有诸多优点，是汽车悬架系统当前的研究热点之一，也是未来智能悬架的研究基础。1.5 平顺性理论概述汽车行驶时，由于路面不平等因素激起汽车的振动，使乘员处于振动环境中，振动影响着人的舒适性、工作效能和身体健康。保持振动环境的舒适性，以保证驾驶

17、员在复杂的行驶和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反应，它将影响“人车”系统的操纵稳定性对确保安全行驶是非常重要的。汽车的平顺性可由图1- 1所示的汽车振动系统框图来分析。系统的输入主要是由汽车以一定的车速驶过随机的路面不平度所引起，此输入经过由轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统，传递到悬挂质量或人体，这两部分的加速度就是输出的振动物理量。然后，根据人体对振动的反应-乘坐者的舒适程度来评价汽车的平顺性。汽车振动系统的输出通常还要同时考虑车轮与路面之间的动载，它与车轮接地性有关影响操纵稳定性。图1- 1 “路面汽车人”系统的框图研究平顺性的主要目的就是控制

18、汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过界限，以保持乘员的舒适性。其基本内容为：1） 人体对振动的反应和平顺性的评价。2） 振动“输入”路面不平度的统计特性。3） 汽车振动系统的简化。1.6 本文的主要内容本文通过对空气悬架的基本原理和工作方式的阐述，建立汽车空气主动悬架1/4 模型, 分析车身振动的单质量系统，并通过计算机仿真进行比较。该悬架系统模型结合现在流行的膜式空气弹簧，计算弹簧刚度，设计控制系统流程，用软件对空气悬架进行控制，实现空气悬架在制动、转向、加速、高速等工况空气弹簧刚度的调节，从而调整汽车行驶姿势。2 空气悬架的工作原理及功能2.1 空气悬架工作

19、原理空气悬架主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬挂控制执行器、悬挂控制选择开关及电子控制单元等组成。空气压缩机由直流电机驱动，形成压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后由空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。当车身需要升高时，电子控制单元控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室，使空气弹簧伸长，车身升高；当车身需要降低时，电子控制单元控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去，空气弹簧压缩，车身降低。在空气弹簧的主、辅气室之间有一连通阀，空气弹簧的上部装有悬挂控制执行器。电子控制单元根据各传感器输出信号，控制悬挂执行器，一方面使空气弹簧主、辅气

20、室之间的连通阀门发生改变，使主、辅气室之间的气体流量发生变化，因此而改变悬挂的弹簧刚度；另一方面，调节悬架的阻尼，具体见注释。2.2 空气悬架功能在轿车采用的主动式空气悬挂系统中，车高、弹簧刚度可同时得到控制，且各自可以取不同数值，其所取数值由电子控制单元根据当时的运行条件决定。具体控制内容如下1.利用弹簧刚度/减振器阻尼力进行控制1）抗后坐：通过传感器检测油门踏板移动速度和位移。当节气门位置传感器显示驾驶员快速踩踏板时，控制单元将增加后空气弹簧的气压，以防止汽车仰头（又称为俯仰）。当车速稳定后，控制单元将使空气弹簧恢复到原来的气压。当车速低于30km/h时，优先执行该控制。2）抗侧倾：电子控

21、制悬架系统的控制单元通过方向盘转向盘转角与转动方向传感器来监视车身的侧倾。当这些信号表明汽车急转弯时，控制单元将给空气弹簧执行元件发出信号，使转向外侧的空气弹簧增加空气，从而减少车身侧倾的趋势。当转向完成后，控制单元将使充满气的空气弹簧缓慢放气。 3）抗“点头”：车速高于30 km/h时紧急制动，控制单元能根据车速传感器提供的车速信号，向前空气弹簧执行元件发出指令使其气压升高，增大前空气弹簧的刚度。当控制单元检测到没紧急制动信号时，表明无需抗点头控制时，就使空气弹簧恢复到原来的压力。4）高速感应：当车速大于80km/h时，系统将使弹簧刚度调至高值，从而提高高速行驶时操纵稳定性。当车速继续增加时

22、，进入车高控制程序。2.车身高度控制 由左右前轮和左右后轮四个车身高度传感器发出车高信号，ECU发出指令来进行车身高度调整。车高控制的空气弹簧由高度控制阀进行控制，当判定“车高低了”则向气室充气，当判定“车高高了”，则放气，高度控制在高速时降低车高可以减少风阻，提高稳定性。高速感应：当车速高于100km/h时，将车身高度降低，以减小风阻，提高行驶稳定性。车速低于100km/h时，车高恢复原状。表2- 1 电子控制空气悬架系统的功能控制项目功能防侧倾控制使弹簧刚度和减振阻尼变成“硬”状态。该项控制能抑制侧倾，使汽车的姿势变化减至最小，以改善操纵性防“点”头控制使弹簧刚度和减振阻尼变成“硬”状态。

23、该项控制能抑制汽车制动“点”头，使汽车的姿势变化减至最小防后仰控制使弹簧刚度和减振阻尼变成“硬”状态。该项控制能抑制汽车加速时后仰，使汽车的姿势变化减至最小高车速控制使弹簧刚度变成“硬”状态和使减振阻尼变成“硬状态。该项控制能改善汽车高速行驶时的稳定性和操纵性高车速控制当高度控制条件达成时，汽车高度会降低到“正常”状态。这就改善高速行驶时的空气动力学和稳定性3 空气悬架系统3.1 空气悬架主要元件结构 图3- 1 空气悬架结构简图控制阀（高度阀）用来控制空气弹簧内压的执行机构，分别是保持、充气、放气。当需要增加车高或增加刚度时，充气；当需要降低车高时，放气。开关阀（空气阀芯），改变主辅气室之间

24、的开闭，改变刚度大小。压力源（储气筒）提供压力大于弹簧最大的刚度的压缩空气，保证空气弹簧能正常充气。辅助气室(Auxiliary chamber)有足够大的容积，以保证可以降到弹簧最小的刚度以下。辅助气室通过管道(Pipe)与空气弹簧相连。3.2 空气悬架输入输出部件 1）制动减速度传感器减速度传感器又称为加速度传感器，其功用是：检测汽车的减速度大小，并将其转换为电信号输入控制器。 透光板的作用是允许或阻隔发光二极管到光电三极管之间的光线，以此控制光电三极管的开与关。两对发光二极管和光电三极管的组合可以将汽车的减速度分为多个等级。光电式减速度传感器工作原理：光电式减速度传感器的透光板的作用是透

25、光或遮光。当透光板上的开口位于发光二极管和光电三极管之间时，发光二极管发出的管线能照射到光电三极管上，使光电三极管导通。当透光板上的齿扇于发光二极管和光电三极管之间时，发光二极管发出的管线不能照射到光电三极管上，光电三极管处于截止状态。 汽车匀速行驶时，透光板静止不动，传感器无信号输出。当车辆减速时，透光板沿着汽车纵向摆动。减速度大小不同，透光板摆动的角度不同，两只光电三极管导通与截止的状态就不同。图3- 2 光电式减速度传感器的结构1发光二极管；2透光板；3光电三极管；4信号转换电路。图3- 3 光电式减速度传感器的工作原理1光电三极管；2透光缝；3透光板；4发光二极管。2）车高传感器车身位

26、移传感器也称为车身高度传感器，用于检测车身相对于车桥的位移。光电式车身位移传感器具有结构简单、定位准确等优点。车高传感器装于车身上，并通过传动轴、连杆与悬架臂相连接，而连杆随着汽车高度的变化而上、下摆动。不同的车高时，由于开口圆盘位置的变化，而使光电传感器发出的光线通或断，检测车高信息。光电传感器是由发光二极管与遮光器的光敏晶体管组成。开口圆盘与连杆组合成一个组件一起上、下旋转，两个光电传感器在开口圆盘的两侧，车高变化时由于开口盘位置的变化，使发光二极管发出的光线被开口圆盘遮挡或通过，从而检测出不同的车高信号。(a)（b）图3- 4 光电式车身高度传感器（a）车身高度传感器工作原理；（b）光电

27、传感。1光电传感器；2轴；3连杆；4开口盘。3）方向盘转角传感器转向传感器装在转向柱上，用来检测转向。 转向传感器由一个带孔圆盘和两个光电传感器组成，其外形和工作原理如图所示图3- 5 光电式转向盘转角传感器1方向盘转角传感器；2光电耦合器；3遮光盘；4转向器轴；5传感器圆盘图3- 6 光电式转角传感器原理1发光二极管；2光敏三极管；3遮光盘开有20个口的圆盘随方向盘一起转动，圆盘的两侧为由发光二极管和光敏晶体管组成的光电传感器，它们两者之间的光线变化随着圆盘遮挡转换成“通”或“断”信号。汽车直线行驶时，信号A处于通断的中间位置（高电平，断状态）。在图中，信号A由断状态变为通状态（低电平）时，

28、如果信号B为通状态，则为左转向；如果信号B为断状态，则为右转向。图3- 7 转向方向判断4）压力传感器：半导体压敏电阻式传感器，其压力转换元件由绝对真空室、硅膜片等构成。利用半导体的压阻效应将压力转换为相应的电压信号，其原理为:硅膜片的一侧是真空室，另一侧承受进气管绝对压力变化时，在此压力作用下使硅片产生变形。由于真空室的压力是固定的，进气管绝对压力变化时，硅膜片的变形量不同，硅膜片是一个压力转换元件，薄膜上有四个以惠斯顿电桥方式连接的应变电阻，应变电阻的阻值随膜片的变形而成正比变化。其电阻发生变化，电桥就会有相应的电压输出。电桥输出的信号较弱，须经集成放大电路放大后输出。图3- 8 压力传感

29、器示意图 1硅膜片；2放大器5）节气门位置传感器：节气门由驾驶员通过加速踏板来操纵，以改变发动机的进气量，从而控制发动机的运转。不同的节气门开度标志着发动机的不同运转工况。为了使喷油量满足不同工况的要求，电子控制汽油喷射系统在节气门体上装有节气门位置传感器。它可以将节气门的开度转换成电信号输送给ECU，作为ECU判定发动机运转工况的依据。其输入量是模拟量，需要转化为数字量，当突然加速时，节气门开度突然增大，数字量差值变大，通过与预先设定的值相比较，达到事先要求，则汽车出现后坐现象，此时需要将后轮的两个空气弹簧的刚度增加。线性式节气门位置传感器相当于一个加设了怠速触点的滑片式电位器，测节气门位置

30、滑片和测节气门全关滑片都与节气门联动。节气门开度变化时，气门位置滑片在电阻体上作相应的滑动，电位器输出与节气门位置相对应的电压信号。在节气门关闭时，节气门关闭滑片使怠速触电处于接通状态。图3- 9 线性节气门传感器的结构与原理1电阻体；2检测节气门的电刷；3检测节气门全闭的电刷（怠速触点）；Vc电源；VTA节气门开度输出信号；IDL怠速触点；E地线。6）电磁阀：控制阀（开关阀），分别是保持、充气、放气。当需要增加车高或增加刚度时，充气；当需要降低车高时，放气。开关阀（空气阀芯）。增加刚度时，断开并放气；降低刚度时，打开并进气。7）车速传感器霍耳式转速传感器利用霍耳效应原理，产生与车轮转角相对应

31、的电压脉冲信号。当磁性材料制成的传感器转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙时，就会有一个变化的磁场作用于霍耳元件（半导体材料）上，使霍耳电压产生脉冲信号。根据所产生的脉冲数目即可检测转速。图3- 10 霍耳式转速传感器3.3 空气悬架的具体工作方式当悬架刚度需要变硬时，断开开关阀，辅助气室与空气弹簧主气室断开；并同时打开控制阀的充气口，此时弹簧充气且不会流入辅助气室。悬架刚度开始变高，同时压力传感器检测压力升高状况，当达到预定压力时，电子控制器将发出信号，停止控制阀的充气口充气。当悬架刚度需要变软时，打开开关阀，此时弹簧气体会流入辅助气室；同时控制阀转到放气状态，与大气相通，悬架刚度开始变小，同

32、时压力传感器检测压力降低状况，当达到预定压力时，电子控制器将控制阀设置到断开状态。具体工作过程见系统控制流程。4 空气悬架数学模型4.1 垂直刚度设计计算：在空气弹簧的设计计算中，有效面积A是其主要参数，A=2p，因此弹簧上所爱的载荷F为式中 p空气弹簧的内压力。 空气弹簧的轴向刚度的精确计算难以用解析法处理，只能用图解法。下面是空气弹簧轴向风度k的一般近似计算式式中： m多变指数，其值的大小决定于空气变化过程的流动速度。对于等温过程，即热交换充分，温度能保持警惕不变时，m=1。对于绝热过程，m=1.4 。一般实际情况时，1m1.4； p空气弹簧的内压力（表压力）（MPa）； pa大气压力，计