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原文传递双气室空气悬架系统理论及实验研究

论文题名：	双气室空气悬架系统理论及实验研究
关键词：	汽车悬架;空气弹簧;双气室结构;悬架设计
摘要：	悬架系统对车辆的动力学性能和安全性起着举足轻重的作用。悬架系统的设计必须综合考虑车辆的各种性能指标，如乘坐舒适性、操纵稳定性、悬架行程、道路友好性、制动/驱动性能以及燃油经济性等。空气悬架系统具有独特的优势，能够很好的满足悬架设计的各种要求，且成本低，因此引起了国内外许多学者和工程人员的关注，进行了大量相关的研究工作，并被广泛的应用于各种车辆中。然而对于空气悬架系统的研究并不完善，仍存在一些问题值得进一步研究和探讨。本文主要针对空气悬架高度调节与刚度变化相耦合的问题、空气阻尼特性及其替代液压减振的可能性等方面进行了研究和探讨。本研究主要内容包括：　　⑴在分析空气弹簧刚度的影响因素的基础上，引入公理设计理论探讨了空气弹簧刚度和工作高度相互耦合的根本原因及目前一些通过增加辅助气室实现空气弹簧刚度和高度调节解耦的方案的不足之处和可行性。基于公理设计理论提出了一种新型双气室空气弹簧，其刚度和高度的调节连续且相互独立，结构紧凑，占用空间小，可根据实际工况分别控制悬架刚度和车身高度，大大提高整车性能，并通过建模仿真和实验的方法验证了其可行性。　　⑵在新型双气室空气弹簧结构基础上增加附加气室和节流阀引入空气阻尼，提出集成空气阻尼的新型空气悬架系统。基于热力学和流体力学理论建立了该悬架系统的非线性数学模型及其力学特性计算模型，并提出了该空气悬架系统设计模型，设计结果为悬架系统实验台组建及进一步的系统性能分析提供了参数基础。　　⑶为了进一步研究该新型悬架系统特性，线性化得到了其线性模型，并指出集成空气阻尼的空气悬架系统实质上是两套相同模式结构(气缸工作腔+附加气室+节流阀)的反向并联组合，首先从单个模式结构出发分析系统特性。基于复刚度，采用等效刚度、损耗系数、等效阻尼系数和等效阻尼比等特性参数对其刚度和阻尼特性进行了系统的理论分析。研究了不同体积比、节流孔开度、输入幅值对上述特性参数的影响。仿真和实验结果表明，模式结构的等效刚度随振动频率变化曲线呈“拉长的S形”，而阻尼特性曲线呈“钟形”。损耗系数可以定性的描述模式结构的阻尼特性，但等效阻尼系数和等效阻尼比更利于车辆工程领域中悬架系统设计人员和研究人员进行该类悬架空气阻尼的设计和研究。模式结构可实现的最大等效阻尼比仅与体积比，气缸内气体刚度和所承受的载荷有关。文中提出的空气阻尼比图表(PDRD)不但适用于模式结构空气阻尼表述和设计，而且方便选择体积比和节流小孔开度，对于该类模式结构的空气阻尼设计和研究具有普遍意义。悬架系统的等效刚度和等效阻尼特性与单个模式结构性质一致，由单个模式结构特性得出的结论同样适用于整个悬架系统。　　⑷基于Matlab/Simulink环境，建立了集成空气阻尼的新型空气悬架系统的四分之一车辆仿真模型，通过随机路面平顺性仿真详细分析了变频空气阻尼对车辆平顺性的影响及其代替液压减振的可能性。研究结果表明，从对车身振动控制角度来说，该空气悬架的空气阻尼可以代替液压阻尼，但综合考虑悬架动行程，车轮动载等因素，在应用该悬架系统的同时必须采取抑制车轮共振的措施，以保证车辆行驶的安全性。因此提出了两种抑制车轮共振的方案：添装小液压减振器；安装动力减振系统。仿真结果表明合理选取相应参数，两种方法都是可行的，可显著提高原空气悬架系统的减振隔振效果。比较两种改进方案，安装动力减振系统的空气悬架平顺性较好；添装小液压减振器的方案可以减轻减振器重量，延长减振器使用寿命，降低成本，而安装动力减振系统的方案则会使系统稍显复杂。　　⑸本研究不但就空气弹簧刚度和高度调节相互耦合的问题提出了解决方案，对提高空气悬架及车辆性能具有重要意义，而且丰富了国内在该研究方向上的内容；对集成空气阻尼的悬架系统性能的分析、将其应用于四分之一车辆模型中的仿真研究和系统改进方案的提出，不但完善了带附加气室空气悬架系统特性的理论研究体系，且为该类空气悬架在车辆减振中的应用提供了有力的理论依据和解决方案，具有重要的理论意义和实用价值。
作者：	殷智宏
专业：	车辆工程
导师：	郭孔辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
正文语种：	中文