ECAS客车悬架系统的匹配与充放气研究

论文摘要

随着生活水平的提高,人们对乘坐舒适性和行驶安全性的要求越来越高,汽车平顺性和操纵稳定性已成为其在市场竞争中两项重要性能指标。和钢板弹簧悬架车辆相比,空气悬架车辆不仅能提高行驶平顺性,还能改善轮胎接地性和车辆的操纵稳定性,减少车辆对路面的损坏,加强对货物的保护。本文中的ECAS客车,是在保证操纵稳定性的前提下,提高行驶平顺性。因此,对ECAS的充放气特性、匹配和控制研究成为了一项很有意义的工作。1.阐述了空气弹簧和空气悬架的工作原理和特性,基于空气弹簧有效容积、内部气体压力、有效面积和承载质量等工作参数,运用热力学基本理论,进行了空气弹簧内部气体状态分析,建立了空气弹簧非线性弹性模型。2.运用牛顿法建立了1/4车二自由度和整车八自由度的空气悬架客车的数学方程和动力学模型,并对整车模型进行频谱分析。针对整车模型,以座椅处垂直方向加权加速度均方根值作为汽车行驶平顺性优化目标,以前后悬架阻尼系数为设计变量,以悬架阻尼比、动行程和车轮动载荷为约束条件,对空气悬架的刚度和阻尼的匹配进行了寻优,优化结果改善了车辆平顺性和轮胎动载荷。3.将固定容积容器与变容积容器的充放气特性应用于ECAS客车的充放气研究,并进行了空气弹簧高度位置保持不变+变载工况和高度位置切换+定载工况的充放气理论推导。高度位置保持不变+变载工况通过理论推导得到了空气弹簧刚度—充放气时间（电磁阀开关时间）的关系曲线,并拟合出相应的关系函数。空气弹簧高度位置切换+定载工况通过理论推导得到了空气弹簧刚度—充放气时间、高度—充放气时间和高度—刚度的关系曲线,然后根据曲线分别拟合出空气弹簧刚度—充放气时间、高度—充放气时间、空气悬架高度—刚度的关系函数。然后进行了高度位置切换+定载工况的整车充放气实验。本文中ECAS的充放气结果表现为高度位置与减振器阻尼的不同匹配,充放气过程为Fuzzy—PID控制系统的工作提供了依据。4.根据得到的空气弹簧高度、刚度与充放气时间的三者关系函数、空气弹簧刚度与最佳匹配可调阻尼减振器阻尼系数的关系,设计了基于Fuzzy-PID控制的电子控制空气悬架的控制系统,并进行了控制器的1/4台架实验和整车实验,取得了较好的控制效果:施加了Fuzzy—PID控制的空气悬架的性能指标—座椅处垂直方向振动加速度值得到了明显降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外车用空气悬架的发展及现状
• 1.2.1 国内外车用空气悬架的应用现状
• 1.2.2 国内外车用空气弹簧的研究现状
• 1.3 电控空气悬架简介
• 1.3.1 电控空气悬架优点
• 1.3.2 电控空气悬架主要元件
• 1.4 平顺性
• 1.4.1 平顺性概述
• 1.4.2 平顺性的研究方法
• 1.4.3 平顺性的研究的主要内容
• 1.5 PID控制和Fuzzy控制的发展及应用
• 1.6 空气悬架存在的问题
• 1.7 本文研究目的和意义
• 1.8 本文的研究内容
• 第二章 车辆模型和平顺性评价
• 2.1 空气悬架系统车辆模型
• 2.1.1 二自由度1/4模型
• 2.1.2 八自由度整车模型
• 2.2 路面输入模型
• 2.2.1 频域模型
• 2.2.2 时域模型
• 2.3 人体对振动的反应及平顺性评价
• 2.3.1 人体对振动的反应
• 2.3.2 平顺性的评价方法
• 2.4 振动模型的频响特性
• 2.4.1 系统频响函数的引入
• 2.4.2 系统频响函数的求解
• 2.5 振动响应的均方根值计算
• 2.5.1 振动位移、速度及加速度的功率谱和均方根值
• 2.5.2 悬架动行程功率谱和均方根值
• 2.5.3 车轮与路面相对动载荷的功率谱和均方根值
• 2.6 频谱分析
• 2.7 本章小节
• 第三章 空气弹簧特性及模型建立
• 3.1 空气弹簧及空气悬架特性
• 3.1.1 空气弹簧分类
• 3.1.2 空气弹簧的特性
• 3.2 空气弹簧弹性模型的建立
• 3.2.1 空气弹簧内部气体模型的建立（气体状态分析）
• 3.2.2 空气弹簧高度
• 3.2.3 空气弹簧的有效承压面积
• 3.2.4 空气弹簧弹性模型的建立
• 3.3 空气弹簧刚度和有效面积理论推导
• 3.4 空气弹簧刚度和固有频率理论推导
• 3.5 本章小结
• 第四章 ECAS充放气研究
• 4.1 ECAS充放气工况概述
• 4.1.1 充放气控制目的及研究意义
• 4.1.2 高度控制工作原理
• 4.1.3 ECAS的高度控制功能
• 4.1.4 ECAS高度控制系统的主要部件
• 4.1.5 气动回路
• 4.1.6 充放气控制工况
• 4.2 气动技术基础
• 4.2.1 空气的物理性质
• 4.2.2 流体力学基本知识
• 4.2.3 气动回路流量特性
• 4.2.4 充放气特性
• 4.3 ECAS充放气理论推导
• 4.3.1 整车气动回路及假设
• 4.3.2 高度位置保持不变+变载工况下的充放气
• 4.3.3 高度位置切换+定载工况下的充放气
• 4.4 实例计算
• 4.4.1 高度位置不变+变载工况下的充放气
• 4.4.2 高度位置切换+定载工况下的充放气
• 4.5 整车充放气试验
• 4.6 ECAS充放气与其系统匹配和控制
• 4.7 本章小结
• 第五章 空气悬架系统匹配
• 5.1 概述
• 5.2 匹配目标
• 5.3 汽车空气悬架匹配的优化设计模型
• 5.3.1 目标函数
• 5.3.2 设计变量
• 5.3.3 约束条件
• 5.4 匹配的遗传算法优化
• 5.4.1 匹配的遗传算法简介
• 5.4.2 匹配的遗传算法设计
• 5.5 优化实例
• 5.5.1 定刚度匹配
• 5.5.2 变刚度匹配
• 5.6 本章小节
• 第六章 Fuzzy—PID控制器设计及仿真分析
• 6.1 Fuzzy—PID控制理论
• 6.1.1 PID控制理论
• 6.1.2 PID控制参数自整定
• 6.1.3 Fuzzy控制
• 6.2 Fuzzy—PID控制器设计
• 6.2.1 模糊PID结构及PID参数整定
• 6.2.2 模糊控制器的建立
• 6.2.3 PID控制器的设计
• 6.3 1/4车辆模型仿真分析
• 6.3.1 控制参数的确定
• 6.3.2 仿真结果输出
• 6.4 本章小结
• 第七章 空气悬架台架实验
• 7.1 试验台主体
• 7.1.1 概述
• 7.1.2 激励系统
• 7.1.3 气动系统
• 7.2 试验测控系统
• 7.2.1 测试系统
• 7.2.2 控制系统
• 7.3 试验结果分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 整车实验
• 8.1 试验仪器及方案
• 8.2 模型验证
• 8.2.1 数据处理
• 8.2.2 误差分析
• 8.3 控制试验
• 第九章 结论和展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文