轿车车身高度及悬架控制研究

1、河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 邸士雄 学 号： 100289 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 轿车车身高度及悬架控制研究 指导者： 石维佳 教授 评阅者： 2014年 6月 5日毕业设计（论文）中文摘要轿车车身高度及悬架控制研究摘要：汽车悬架系统是车辆中非常重要的组件，它是车架和车桥之间所有传力联接设备的总称。而车身高度控制是为了保持汽车行驶时的稳定性以及汽车的车身高度，依据汽车上乘员的重量或者汽车的载重量而对悬架的刚度进行调节，从而达到调节车高的目的，所以车身高度控制与悬架系统之间是紧密联系的。悬架可分为主动悬架、半主动悬架、被动悬架按其工作方式的不

2、同。本论文以主动悬架为主要的研究方向，它是最高级别悬挂形式，可以根据实际的工作情况和乘员的设定,通过空气压缩机充气或排气来调节空气弹簧的刚度,使汽车操纵稳定性、乘坐舒适性等性能达成最好的配合。主动悬架系统主要由空气悬架压缩机、电子控制元件（ECU）、电磁阀、气 室、空气弹簧、高度传感器、及导向机构等组成。利用悬架的控制系统，在车速很高时，可以使车身高度降低以增加轮胎的抓地力，减小风的阻力，有利于车辆行驶的平稳性和安全性，而且燃油消耗量也会跟着风阻力的降低而变小。在车辆低速行驶或者转弯时，车身高度会相应抬高，从而大大提高汽车的通过稳定性。这种设计方式可以使同时具备SUV的舒适性和跑车的高速性能。

3、关键词： 车身高度控制；主动悬架；电控元件（ECU）；安全和稳定性；毕业设计（论文）外文摘要Study on car body height and suspension controlAbstract：The automobile suspension system is a very important part in the vehicle, it is the floorboard of frame and the axle load transfer between all connected devices. And the body height control is to ke

4、ep the car running stability and automobile body height, according to the load car occupant weight or car to the stiffness of the suspension of regulation, so as to achieve the purpose of adjusting vehicle height, so the height of the body between the control and the suspension system is closely rel

5、ated to.The suspension can be divided into active suspension, semi active suspension, the passive suspension according to their different ways of working. In this thesis, the active suspension is the main research direction, it is the highest level of suspension type, according to the actual work si

6、tuation and the crew set, to regulate the air spring through the air compressor air or exhaust stiffness, the ride comfort and handling stability can be achieved with the best. Active suspension system from the main air compressor, suspension electronic control element (ECU), composed of electromagn

7、etic valve, air chamber, air spring, height sensor, and a guiding mechanism etc. The control system of suspension, the speed is very high, can make the body height was reduced to increase grip, reduce wind resistance, is conducive to the stability and safety of vehicle, and fuel consumption will be

8、reduced with the wind resistance and smaller. In the vehicle at low speeds or when turning, the height of the body will be a corresponding elevation, thus greatly improve the vehicle stability through. This design can make the speed performance with SUV comfort and sports car.Keywords：Body height co

9、ntrol; active suspension; electronic control unit (ECU); safety and stability ;目 录第 1 章 绪论- 1 -11 悬架的简介与概述- 1 -1.2 国内外空气悬架发展历程及现状- 2 -1.3本次课题研究的意义及主要工作- 3 -第 2 章 空气悬架的组成与概述- 4 -2.1 （电控单元）- 5 -2.2 车身高度传感器- 6 -2.3电磁阀- 9 -2.4空气悬架压缩机- 10 -2.5 空气弹簧- 11 -2.6 导向系统- 12 -第 3 章 车高控制的研究- 13 -3.1 空气悬架的选取与计算- 13

10、 -3.2 车高控制电路- 17 -3.3软件模拟演示车高控制- 21 -第 4 章 空气悬架零部件三维建模与整体装配- 27 -4.1 CATIA软件概述- 27 -4.2 零部件的仿真模型的建立- 28 -4.3 整体装配- 32 -第5章 空气悬架部分零部件的有限元分析- 35 -5.1 ANSYS软件简介- 35 -5.2均衡梁有限元分析- 36 -5.3 推力杆支座有限元分析- 39 -结论- 1 -参 考 文 献- 1 -致 谢- 2 -第 1 章 绪论车身高度与悬架控制的研究，其实这两者是互相关联的。车身高度的执行器主要包括悬挂系统的杆机构、各种工作方式的弹性部件和阻尼部件等，所

11、以说其车身高度的控制主要由悬挂部分决定，而悬架是悬挂系统的主要组成11 悬架的简介与概述悬架是现代汽车的重要组成之一，它是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间全部传力联接装置的总称。它的功用是把路面上作用于车轮上的各种反力以及这些反力造成的力矩传递给车架，从而降低因路面不平使车轮跳动而造成的车身的震动，以保证汽车的正常行驶。一般由弹性元件、减震器和导向机构组成。因此悬架应该具备缓冲、减震和导向的功用。但是乘坐舒适性和操纵稳定性又是两个相互矛盾的要求。为了提高汽车的舒适性，现代轿车悬架的垂直刚度值设计得较低，即应用软悬 架，如降低弹簧刚 度，用通俗话来讲就是很“软”，这样虽然乘坐舒适了，但轿

12、车在转弯时，因为离心力捣乱会出现比较大的车身倾斜角，直接影响到驾驶人员的操纵的稳定性。为了改善这一状态，许多轿车的前后悬架增添横向稳定杆，当车身倾斜时，两侧悬架变形不等，横向稳定杆就会起到类似杠杆作用，使左右两边的弹簧变形接近一致，以防止车身发生过大的横向倾斜，提高轿车行驶的稳定性，是现代轿车十分关键的部件之一。按悬架工作原理不同可分为主动悬架、半主动悬架及被动悬架三种。本课题研究的是主动空气悬挂。是最高级别悬挂形式，可以根据实际的工作情况和乘员的设定,通过空气压缩机充气或排气来调节空气弹簧的刚度,使汽车操纵稳定性、乘坐舒适性等性能达成最好的配合。目前主要应用于大型客车、高级轿车和赛车上。图1

13、-2 空气悬架实例1.2 国内外空气悬架发展历程及现状目前，国外汽车发达国家无论是客车还是载重汽车都已经比较普遍采用空气悬架系统，而国内却处于刚刚起步阶段，只应用在一些豪华客车和少部分重型载货汽车上，下面将简单介绍国内外空气悬架发展历程及现状。空气弹簧最开始是出现在19世纪50年代，起初是用在机械设备的隔震上面;第一个对空气悬架作出研究的是美国，她首先是在普尔曼汽车上做了实验，再后来法国、英格兰、德国以及日本等国家也对空气弹簧进行了研究。在国外空气悬架的发展历程是“钢板弹簧气囊复合式悬架被动全空气悬架主动全空气悬架(即ECAS电控空气悬架系统)”的形式。当前,国外的豪华城市客车和大型载人客车几

14、乎都安装了空气悬架，而百分之八十的大、中型载重汽车和挂车上也使用了空气悬架,甚至部分高档轿车也开始安装空气悬架;在一些有特殊用途的车辆上，如一些集装箱运输车要求可以调节高度以及一些仪表车、救护车对防震性有较高的要求，空气弹簧悬架都得到了广泛的应用。最近比较有代表的是A. J. Nieto, KatsuyaToyofukua和GiuseppeQ等对辅助气室尺寸结构对整体悬架的影响。在我国研究与应用的汽车悬架技术仍远远落后于欧美等发达国家，随着国家出台的客车等级的分级标准，以及为了满足乘客对舒适性的要求和高端制造技术的引进，空气悬架才开始逐渐受到重视并应用起来。目前，国内的许多公司都有空气悬架的项

15、目，但真正具有空气悬架系统的设计、开发、制造能力的很少。国内有很多拥有代理性质的公司，但多数没有实际设计能力，设计匹配等技术方面经常存在问题。因此，由于各种原因，这些研究的结果大多仍然停留在理论上，工业转化率是特别低的。事实上，中国早在上世纪中期就开始研究空气弹簧， 1957年，长春汽车研究所开始了空气悬架技术的研究，许多所大学的专家和研究机构的学者，多年来已经做了很多卓有成效的工作，并获得了许多重要的研究成果。但在这个研究的阶段，也存在一些问题，如橡胶气囊的密封性，高度控制阀以及密封系统的可靠性，而且空气弹簧的刚度特性和悬架系统的可靠性等问题都没得到很好地解决。我国空气悬架发展落后问题，一方

16、面是因为设计理念比较落后，设计手段单一，许多计算机软件的开发应用，如动态仿真、应力分析、流体力学分析都没有得到很好的应用；另一方面是因为没有建立一套完善的设计评价体系。1.3本次课题研究的意义及主要工作1.3.1 研究的意义因为空气悬架具有高效率、高寿命和吸振性、以及可变刚度等特性，几乎国外所有的旅游巴士、长途客车都应用了空气悬架系统，并且部分高级轿车也使用了空气悬架。研究空气悬架的意义在于其具有以下优点：a）空气弹簧悬架能调节车身高度。空气弹簧悬架可以通过高度控制系统来保持车身高度不变，从而保证车身高度不随载荷变化而变化，便于乘客上下车。另外，亦可以保持车身的左右水平，并可以增加汽车在状况极

17、差的路面上的通过能力。b）具有变刚度特性。空气弹簧的刚度是随载荷的变化而变化的，整个悬架系统可以得到较低的固有振动频率，从而可以有效地改善乘坐舒适性。通过一系列的实验也表明了空气悬架较板簧悬架有更低的固有震动频率。c）通用性好。对于同样大小的空气弹簧，当改变内部压力时，可得到不同的承载能力。因此，同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求。另外，可以通过高度控制系统的作用，使空气弹簧具有不同的安装高度，因此，同一种空气弹簧又能适应多种结构的要求。这就是说，同一种空气弹簧，既能适应多种载荷的要求，又能适应多种结构的要求。d）具有较高的吸振和低噪声性能。空气弹簧以空气作为媒介，与钢板弹簧相比，对高频振动

18、的吸收具有良好的性能，并且能够吸收冲击载荷，因此空气悬架工作时噪音小，这可以使他更好地适用于高级大客车。e）拐弯时，可以显著减少车身侧倾。试验表明，当车速低于24公里/小时，空气悬架和钢板弹簧悬架的侧倾角是一样的，但是当车速到达30公里/小时后，空气悬架的侧倾角可以减少约百分之三。f）强度更高，使用寿命长。空气悬架的寿命取决于气囊的寿命。台架试验表明，我国生产的气囊的寿命约为板簧的20-30倍，并可节约大量弹簧钢。但是目前空气弹簧还具有结构复杂、尺寸较大、密封环节多等缺点需要我们来一一克服。在我国大力推广车高控制技术具有十分重要的现实和战略意义，高度调节不仅有助于保持车内平稳运行，而且有助于前

19、照灯光线的稳定（如大灯点亮时，会适应面来的车产生炫目效果）。当行驶在不平的道路上时，控制弹簧行程可以保持在一个有限的范围内，可以防止车体与车架之间的刚性碰撞。目前车高控制已经成为发达国家生产轿车的基本性功能，基本上，我国还处在车辆高度控制的测试和研发阶段，尤其是控制理论的不完美，远比指导生产所要求的标准要低，一次还没有真正开发出具有自主知识产权的整车高度控制产品。中国市场上现有的车高控制装置绝大部分依赖进口，且主要应用在高级轿车上。随着中国加入WTO ，汽车行业作为国民经济的支柱产业将面临巨大的挑战，这也使得整车高度控制的开发工作更为迫切。1.3.2 主要工作（1）空气悬架的基础知识的查阅。包

20、括空气悬架的结构、空气悬架的功用、空气悬架的工作原理等。（2）学习零件建模的方法。了解CATIA的主要功能和它的设计模块，并学习零件建模和装配的方法。（3） 根据锦奔公司空气悬架的参数，运用CATIA软件建立空气悬架模型。（4） 运用CATIA软件及ADAMS等分析软件对所建立的空气悬架模型进行分析，并绘制出主要的运动变化曲线，由仿真结果对空气悬架设计方案进行评价。第 2 章 空气悬架的组成与概述一个典型的空气悬架一般由电控单元（ECU）、车身高度传感器、速度传感器、电磁阀、空气悬架压缩机、空气弹簧、导向系统等组成。该系统采用电子控制的减震器来调整汽车的高度，如在图2-1中。在高速行驶时，采用

21、这种悬挂控制系统，降低行驶高度可以增加轮胎的抓地能力和减小风阻有利于车辆的安全性和稳定性，并且风阻的降低也会使燃油消耗降低。而当车辆通过障碍或低速行驶时，车身高度的增加，将大大提高车辆本身的通过能力。这样的设计可以使车辆同时具备越野车和跑车的部分性能。图2-1 电控悬架控制车身高度简图2.1 （电控单元）所谓的ECU ，事实上就是嵌入式系统的微控制器，具有其自己的处理器， I / O设备和存储器，是独立于汽车的控制的一个电路系统。围绕单片机设计组织的ECU是整个电控系统的核心，它采用多种设备，从普通电路到LSI电路等，具有结构简单可靠的特点，能够轻松地适应各种需要的变化，随着汽车电子技术的进一

22、步改善和微电子技术的飞速发展，ECU控制系统也在不断进步，逐步由单个控制向集成控制的方向发展。大多数的车辆控制系统的ECU ，都具有类似的电路结构，软件的改变以及输入输出模块的变化决定了控制功能的变化，并且随控制系统的任务变化而具有不同的特点，ECU的基本结构在图2-2中，有输入电路，微处理器，电源电路和输出电路四部分组成。图2-2 的基本组成2.2 车身高度传感器车辆高度传感器的作用是将行驶高度转换成反馈到控制单元的电信号。如图2-3所示的结构，在传感器内，有一个主转轴，转轴上装着开有许多凹槽的遮光板，并且这关板两侧存在着四组光电耦合元件，在转轴转动时，通过这些光电元件感光的变化就可以传出电

23、信号并且输入到ECU。通过这四组光电耦合元件不同的感光变化的组合，就可以把车身高度变化成16个区域来进行检测。图2-3 车高传感器结构车辆高度控制传感器，用于检测悬架部件和汽车的垂直方向之间的关系，该信号允许悬架电子控制单元根据车身负荷的大小，通过相关的执行元件在任何时间调节车身高度，以维持基本的车身高度不随负载的变化而变化。 在图2-4中显示了车辆高度传感器的工作原理，光电元件将这类改变转换成电信号，并输出到计算机，根据开关变换就可以检测到遮挡角。图2-4 车高传感器的工作原理1 遮光器 2窄缝板 3导杆 4轴如表1所示。高度可调节悬架系统中可以根据各个不同的遮光器组合来判断车高，如果只需判

24、断出四个方式可参考表2。如果判断只有三个车高范围，即标准、过高、过低，则将表2中的偏高偏低均当 做“标准”状态来处理即可。表2-1 车身高度与传感器输出关系车身高度车身高度区光敏晶体管Tr1Tr2Tr3Tr4过低1OFFOFFOFFOFF2OFFOFFOFFON低3OFFONOFFON4OFFONOFFOFF5OFFONONOFF6OFFONONON正常7ONONONON8ONONONOFF9ONONOFFOFF10ONONOFFON高11ONOFFOFFON12ONOFFOFFOFF13ONOFFONOFF14ONOFFONON过高15OFFOFFONON16OFFOFFONOFF表2-2车

25、高控制区间与传感器信号的组合方式车高检测区间遮光器A遮光器B过高OFFON偏高OFFOFF偏低ONOFF过低ONON汽车行驶过程中，因为车身本身的震动使得对车身高度所属区间的判定比较困难，所以计算机就每隔几十毫秒来检测一下车身高度传感器输出的信号，并对一定时间内个信号所占的比例进行统计，以此来确定该短时间内车身高度所处的实际区域。ECU可以根据车高传感器的输入信号，用于控制增加或减少主气室的空气悬浮液量，以保持恒定的车身高度。图2-5是车身高度传感器的实际安装位置及工作状态，他通过拉紧螺栓固定在后悬架臂上，在车身震动时，张力杆驱动传感器的轴转动，光电耦合元件把旋转信号转变成车高信号输出。拆下拉

26、紧螺栓，通过对锁紧螺母和拉紧螺栓的螺旋接头的调整可以改变拉紧螺栓的长度，从而达到对车身高度设定值的调整的目的9 。图 2-5 车身高度传感器安装位置及工作状态1后悬架臂 2轮胎 3车架 4减振器 5螺旋弹簧6连杆 7槽 8光电元件 9遮光盘 10拉紧螺栓2.3电磁阀电磁线圈在汽车上一般是控制系统的执行元件，它可以有多种不同的应用方式，根据能 量转换方式可以分为两类：(1) 直接以电磁能作为动力的方式(2) 以电磁阀驱动油压，气压控制阀的方式第一种只应用于自动门锁、自动变 速器的固 定档等有限范围。第二种控制方式最近几年来在各种电子-液压控制系统中得以普遍采用。其中电磁线圈按计算机的指令将液压或

27、气压进行变换，驱动电子液压或气压控制阀。汽车上采用的电磁阀大致可分为以下三类：(1) 用开关型电磁阀进行转换控制。(2) 用快速开关型电磁阀进行功能控制。这种电磁阀的结构比较复杂。(3)用比例型电磁阀进行模拟控制。结构比较简单10。2.4空气悬架压缩机由直流电动机驱动工作的空气压缩机是调节空气弹簧的主要装置，空气经压缩机压缩以后首先进入干燥器干燥，然后到达储气罐，在储气罐里可以经调节阀改变气体压力。山大路开始对房价来看积分抵扣V刹奖励可寂寞IDF哦么拿到了深刻；劳动局开复工【平时都开放，里面了肯定积分公开JP老爹开发拉萨科技覅哦啊收到了罚款爱手机快递那抽空来看了看；路上看到弗兰克数量多买房结婚

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