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文獻(xiàn)一
油氣摩擦阻尼懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評價(jià)
摘要
感官舒適度和乘坐穩(wěn)定性是評價(jià)懸架性能的兩個(gè)最重要因素。在機(jī)動車輛中的系統(tǒng)中，利用傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)難以同時(shí)滿足車輛高標(biāo)準(zhǔn)的行駛，操縱和車身控制性能。然而，主動懸架比被動懸架有更好的舒適性。
本文主要展示氣動摩擦阻尼器和油氣摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)和分析，建立了一個(gè)非線性四分之一車輛模型，其中包括調(diào)節(jié)壓力的氣動驅(qū)動器。從減振水平的角度對模型進(jìn)行了評估。在樣機(jī)模型上進(jìn)行仿真而得到的結(jié)果，說明了該系統(tǒng)具有良好的性能和魯棒性。
關(guān)鍵詞：主動懸架，摩擦阻尼器，液壓減振器，調(diào)壓，振動隔離
簡介
汽車懸架系統(tǒng)的主要功能是將車身與路面不平度干擾隔離開來并保持車輪和地面的接觸。因此，懸掛系統(tǒng)負(fù)責(zé)乘坐質(zhì)量和行駛穩(wěn)定性。被動懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對這種相互矛盾的需求的一種折衷方案。然而，通過開發(fā)主動懸架系統(tǒng)來改進(jìn)車輛垂向動力學(xué)是有可能的。近年來，發(fā)展氣動控制懸架阻尼器和驅(qū)動器加強(qiáng)了對車輛乘坐安全性與舒適性權(quán)衡性的研究。為了保持乘客和駕駛?cè)说氖孢m度，同時(shí)也要保持車輛的高安全性，懸架設(shè)計(jì)人員被迫去研發(fā)不同于傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)。
Crosby和Karnopp（1974）最初提出了半主動阻尼的基本概念，之后半主動阻尼器在車輛中的應(yīng)用已被廣泛研究。作者們對過去在半主動懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的許多努力作出了極好的回顧，而且也提供了對理解半主動懸架系統(tǒng)所需要的背景知識。
Hedrick和wormely（1975）和Goodall（1983）和Kortum(1983)對受控懸架系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧。在這些調(diào)查中，半主動控制和具有全狀態(tài)反饋的線性最優(yōu)控制和簡單的開關(guān)控制策略已被用于減少重型卡車輪胎力和車身的加速度上。然而，這里值得一提的是，乘用車的空氣彈簧在市場上是可以買到的，但是對于這些空氣彈簧性能上的研究工作并不充分。Quaglia和Sorly（1996）在他們的研究工作中討論了車載空氣懸架的設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，但不是基于控制的觀點(diǎn)?？紤]到客運(yùn)車輛的市場需求，關(guān)于它的調(diào)平、變阻尼控制技術(shù)和剛度控制的研究是非常有益的。新型主動摩擦阻尼器為這個(gè)問題提供了可能的解決方案。
懸架有兩種基本類型，即汽車底盤和車軸總成之間使用的主要懸架系統(tǒng)和安裝在車身和座椅之間的次要懸架系統(tǒng)。關(guān)于兩種懸架系統(tǒng)的很多研究工作都有報(bào)道（Reynolds，1993；Rayliegh，1945）。Williams（1997）把主動懸架歸類為高帶寬（快主動）和低帶寬（慢主動）兩類。高帶寬懸架系統(tǒng)主動液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制車身運(yùn)動與車輪運(yùn)動。另一方面,低帶寬懸架系統(tǒng)采用氣動驅(qū)動器來控制車身的運(yùn)動，而車輪運(yùn)動由常規(guī)被動彈簧和阻尼器所控制。過去三十年中，人們對主動懸架的控制方法進(jìn)行了很多研究。Clarr和Vogel（1989）和Sharp和Corolla（1987）回顧總結(jié)了各種常用的控制技術(shù)。
最近，基于不同方式的控制方法在主動懸架系統(tǒng)中已經(jīng)有了應(yīng)用。這些包括基于線性和非線性控制的方法（Gao等人，2006，Hong等人，2002；Elimadany和Abdlizabbar，1999），優(yōu)化控制（Elbheiry和Karnoop，1996）和現(xiàn)代魯棒控制技術(shù)如H∞等（Palmeri等人，1995；Stribrsky 等人，2002；Wang等人，2001）。
在過去，基于模糊邏輯的主動和半主動懸架系統(tǒng)（Kashani &Strelow，1999）
也被用于控制的目的。其中，天棚阻尼控制（Hong等人，2002）是考慮主動懸架時(shí)最重要的概念。
本文的主要目的是討論氣動摩擦阻尼器和油氣摩擦阻尼器的研究。在這個(gè)方法中，上述摩擦阻尼器的實(shí)驗(yàn)室原型模型已經(jīng)被開發(fā)。
本文的主要目的是討論對氣動摩擦和液壓氣動摩擦阻尼器進(jìn)行的研究。 在這種方法中，上述摩擦阻尼器的實(shí)驗(yàn)室原型模型已經(jīng)被開發(fā)出來。為了研究完整的系統(tǒng)行為，開發(fā)的原型模型已經(jīng)與激光位移傳感器的Lab VIEW軟件模塊接口。 關(guān)鍵設(shè)計(jì)特點(diǎn)和測試結(jié)果的細(xì)節(jié)也已介紹了。 壓力控制調(diào)節(jié)器控制進(jìn)入阻尼器的摩擦載荷在本模型中也已得到考慮。摩擦墊的非線性行為以及活塞軸向孔處產(chǎn)生的不同載荷下的壓力也已被研究。
干摩擦阻尼
在兩個(gè)干燥表面之間滑動接觸時(shí)會產(chǎn)生庫侖或干摩擦阻尼。 阻尼力等于法向力與干摩擦系數(shù)的乘積。 摩擦力總是與運(yùn)動方向相反。 摩擦力由下式給出：
在式中μ是摩擦系數(shù)，F(xiàn)是摩擦力，N是法向力。摩擦力除以活塞的速度得到摩擦阻尼。
摩擦模型如圖1所示。
圖 1
摩擦的模型通常由與速度和法向力相關(guān)的代數(shù)方程建立。眾所周知，摩擦是具有與速度變化相關(guān)的動力學(xué)特征。一個(gè)相當(dāng)完整的關(guān)于摩擦建模及其對控制的影響的描述被很好的記錄在了文獻(xiàn)中（Armstrong等人，1994）。
然而，人們認(rèn)識到，與法向力變化相關(guān)的動力學(xué)在系統(tǒng)響應(yīng)中起著重要的作用。與速度波動相比，與法向力變化相關(guān)的摩擦動力學(xué)變化速度較快（Dupont，1993；Guglielmino&Eage,1980）。純干摩擦特性沒有實(shí)際用途,因?yàn)樗鼈兪欠蔷€性的，但是一個(gè)受控的摩擦阻尼器可以在不同的方式下表現(xiàn)的像一個(gè)仿真彈簧一樣，具有粘性特征。
主動摩擦阻尼器所要求的外力（Fext）通常被定義為
式中M是質(zhì)量（Kg），C是阻尼系數(shù)，k是彈簧剛度，Ni是第i個(gè)摩擦阻尼器的法向力，μ是摩擦系數(shù)。當(dāng)C＝0時(shí)，系統(tǒng)作為純摩擦阻尼器工作。
在這項(xiàng)工作中，受控阻尼元件被建模為一個(gè)摩擦阻尼器。這種裝置在概念上由固定在移動物體上的板和與其相對的墊組成。外法向力通過墊施加于質(zhì)量上，通過墊和板之間存在相對運(yùn)動而產(chǎn)生摩擦阻尼力。
在圖2中描述了氣動摩擦模型。
圖 2
該模型主要由常規(guī)彈簧與活塞缸總成系統(tǒng)組成。在活塞上構(gòu)造了一個(gè)摩擦阻尼器，這樣它就可以用作純摩擦阻尼器和常規(guī)粘滯摩擦阻尼器用于車輛。活塞上有兩個(gè)滑靴，由壓縮空氣激活。當(dāng)壓力作用在鞋筒上時(shí)，滑靴就會壓向氣缸表面。其上所受力的大小等于鞋筒面積乘以氣體壓力。作用在汽缸表面上的摩擦力是滑靴上的作用力的μ倍。壓縮空氣通過活塞中心孔供應(yīng)，其壓力由壓力調(diào)節(jié)器控制?；钊S向上的兩個(gè)2毫米的孔用于提供液壓阻尼的目的。當(dāng)缸內(nèi)沒有液壓油時(shí)，阻尼器可以用作純摩擦阻尼器；當(dāng)缸內(nèi)充滿油液時(shí)阻尼器可以用做液壓摩擦阻尼器。外部能源由空氣壓縮機(jī)通過調(diào)節(jié)壓力供應(yīng)；根據(jù)系統(tǒng)的不同動靜態(tài)載荷而驅(qū)動摩擦墊。摩擦墊承受干摩擦阻尼。在目前的調(diào)查中，考慮了庫侖阻尼。 當(dāng)車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，即具有自重的車輛，其徑向壓力施加在摩擦墊上，當(dāng)摩擦墊承受突然的沖擊時(shí),這會引起摩擦墊緩慢地?cái)U(kuò)張和退縮。另一方面,當(dāng)車輛處于運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，懸架系統(tǒng)是主動類型，即線性和徑向壓力均作用于它。
圖3顯示了具有彈簧總成的裝配式減振器。在平臺的頂部添加5kg的重量，并且其移動到5mm的階梯輸入并獲得響應(yīng)曲線。
圖3.制造的油氣阻尼器的照片
圖 3
振動水平的測量采用激光采集器和Lab VIEW軟件并通過Origin軟件進(jìn)行分析。激光采集器安裝在阻尼器的頂部用來測量位移。
圖4顯示了摩擦力阻尼器模型的2D圖。
圖 4
圖5顯示了摩擦阻尼器的實(shí)驗(yàn)裝置。
圖 5
結(jié)果與討論
執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的摩擦由庫侖摩擦和由以前的研究中獲得的（Gao等人，2006）與速度相關(guān)的術(shù)語表示。實(shí)驗(yàn)給摩擦墊施加了不同的壓力，以獲得階躍輸入，其結(jié)果由Lab VIEW軟件獲得。阻尼器在氣缸內(nèi)沒有潤滑油時(shí)驅(qū)動。根據(jù)時(shí)間的推移所得到的位移變化的動態(tài)響應(yīng)，如圖6所示。X軸的時(shí)間以毫秒為單位，Y軸是以毫米為單位。
圖6.氣動摩擦阻尼器的動態(tài)響應(yīng)
圖 6
從圖6可以看出，系統(tǒng)的行為是高度非線性的。此外，當(dāng)施加的壓力低（2.22KN /平方米），由于摩擦墊的粗糙，系統(tǒng)能發(fā)揮阻尼作用。因此，可以觀察到隨著時(shí)間的推移，位移急劇減小(圖6a）。另一方面，對于逐漸增加的壓力，摩擦墊最初產(chǎn)生很大的摩擦力，因此系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移顯示出更大的位移。然而，隨著時(shí)間的推移，減振效果的提高將降低位移如圖6（bd）所示。
分析的油氣摩擦模型與氣動摩擦模型相似。然而，在油氣摩擦模型中，由于活塞上的兩個(gè)軸向孔，在缸內(nèi)有油液存在。由于活塞上有兩個(gè)軸向孔，這個(gè)系統(tǒng)具有兩種阻尼器，一種是氣動摩擦阻尼器，由摩擦墊形成；另一個(gè)是液壓阻尼器，油液通過活塞上的兩個(gè)軸向孔流入缸內(nèi)。當(dāng)活塞處于壓縮狀態(tài)時(shí)，缸底油通過節(jié)流孔流向缸的上腔室。
為了液壓阻尼器分析模型的建立，考慮活塞面積Ap和軸向孔開啟面積A0，，當(dāng)活塞由于動力作用而位動移時(shí)，油液的流通量:
式中y是活塞的位移和Vp是活塞的瞬時(shí)速度。
流體通過軸向孔的流量Q0，可利用連續(xù)性方程和動量方程可以得到：
其中P1和P2分別是上游和下游壓力，ρ是流體的比重，g是萬有引力常數(shù)。
活塞所受的力等于活塞面積乘以壓差，固定液壓阻尼系數(shù)
等于作用在活塞上的力除以活塞速度。通過方程（3）和（4）
阻尼系數(shù)C:
可得到：
式中Fp是粘性力，它可以由作用在活塞上的力獲得, Vp=Fp/Ap。使用等式（1）和（5），摩擦引起的理論阻尼系數(shù)和液壓阻尼可以由此確定。節(jié)流孔的阻尼系數(shù)由下式確定：
其中，C是實(shí)際阻尼系數(shù)和Cc是臨界阻尼系數(shù)。
表1給出活塞在不同軸向孔徑和在不同壓力作用下的阻尼系數(shù)。
表 1
理論阻尼因子值是根據(jù)不同孔口直徑的施加壓力確定的，由圖7描述得到。
圖7.不同直徑的壓力Vs阻尼比曲線
圖 7
由上圖可得出，在節(jié)流孔孔徑為2mm時(shí)，對于不同的壓力，系統(tǒng)表現(xiàn)出線性響應(yīng)。因此，在原型設(shè)計(jì)中考慮了2毫米孔直徑。
結(jié)合原型系統(tǒng)的上述設(shè)計(jì)特點(diǎn)，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)已經(jīng)獲得并在圖6和圖8表示
圖8.液壓氣動系統(tǒng)對不同負(fù)載的動態(tài)響應(yīng)
圖8
兩個(gè)重要的觀察結(jié)果可以從圖6和圖8顯示的動態(tài)響應(yīng)中提取出來。據(jù)觀察，系統(tǒng)對于不同的壓力表現(xiàn)出相似響應(yīng)。還有，油氣動摩擦模型與氣動摩擦相比，需要更多的時(shí)間來減小位移。因此，油氣摩擦模型與氣動摩擦模型相比提供了更大的阻尼效果，減少振動和更好的乘坐舒適性。
從上面的討論可以看出氣動摩擦阻尼系統(tǒng)在低壓力下表現(xiàn)的差強(qiáng)人意，動態(tài)性能極差。第一個(gè)假設(shè)是在低氣壓下空氣囊可能被困在閥門里：在低氣壓下，少量的空氣極大地降低了體積彈性模量，這將對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生不利影響。因此，純氣動摩擦阻尼器不適于提高乘坐舒適性。
結(jié)論
本文提供了對氣動驅(qū)動摩擦阻尼器和油氣摩擦阻尼器模型的詳細(xì)調(diào)查結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室原型模型已經(jīng)被開發(fā)，并且動態(tài)測試性能也由Lab VIEW軟件模塊進(jìn)行了激光采集。關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)的詳細(xì)信息也已提供。這個(gè)動態(tài)測試結(jié)果表明油氣摩擦阻尼器模型相比氣動摩擦阻尼器。表現(xiàn)出更好的阻尼性能
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作者介紹
1. SV Gorabal是印度Laxmeshawar SKSVMA工程與技術(shù)學(xué)院的助理教授。 他于1998年獲得了BEC Bagalkot的生產(chǎn)管理ME。目前，他正在BEC Bagalkot的Visveswaraya科技大學(xué)研究中心修讀博士學(xué)位。 他的研究興趣包括Hydro氣動摩擦阻尼器的數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)建模。 SV Gorabal是印度ISTE的終身會員。 迄今為止，他已在國家/國際會議記錄中發(fā)表了7篇論文。
2. SN Kurbet是Basaveshwar工程學(xué)院Bagalkot的機(jī)械工程教授。 他從印度馬德拉斯技術(shù)學(xué)院獲得博士學(xué)位。 他在國際和國家期刊以及會議論文中發(fā)表了超過35篇論文。 他在機(jī)械工程領(lǐng)域擁有超過23年的教學(xué)和研究經(jīng)驗(yàn)。 他曾在ME Research，M.Tech和PhD指導(dǎo)過許多學(xué)生。 他的研究活動涉及機(jī)器人技術(shù)，熱學(xué)，振動和控制。
3. KK Appukuttan在卡拉納卡卡國家技術(shù)研究所（NITK）Surathkal擔(dān)任機(jī)械工程系資深教授。 他在國際和國家期刊和會議論文中發(fā)表了200多篇論文。 他在機(jī)械工程方面擁有超過25年的教學(xué)和研究經(jīng)驗(yàn)。 到目前為止，他監(jiān)督了十六名學(xué)生獲得博士學(xué)位。 他的興趣領(lǐng)域是機(jī)器人，控制工程，振動和噪音控制。
文獻(xiàn)二
軍用車輛懸架中半主動油氣阻尼器的振動控制方法
摘要
油氣阻尼器廣泛應(yīng)用于軍事或重型車輛懸掛系統(tǒng)，這些懸掛系統(tǒng)預(yù)計(jì)會產(chǎn)生較大的變形量（20英寸以上）。由于這些元素非線性的特性，懸掛系統(tǒng)性能，特別是乘坐舒適性和道路操縱穩(wěn)定性的能力也發(fā)生了變化。雖然這些非線性特性幾乎是所有車輛懸架系統(tǒng)的固有特性，但它們的作用在某些機(jī)動車輛中占主導(dǎo)地位，尤其是在越野車的懸架系統(tǒng)中，因其懸架會經(jīng)歷相當(dāng)大的變形位移。
本文研究了液壓阻尼懸架系統(tǒng)的控制，一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)，由氣動彈簧（氣彈簧）和液壓阻尼器組成。首先，在軍用車輛上使用的油氣彈簧阻尼器模型已經(jīng)建立了。該模型已經(jīng)用測力計(jì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證?；隍?yàn)證模型，一個(gè)四分之一、二自由度車輛模型被開發(fā)、模擬和分析。
其次，兩種知名的半主動控制方法-天棚和Rakheja Sankar（R-S）方法被應(yīng)用于二自由度車輛模型懸架控制。為了研究分析這些控制方法在非線性懸架系統(tǒng)中的表現(xiàn)，平均統(tǒng)計(jì)方法也被引進(jìn)。
最后，一種新的控制策略(基于天棚和R-S)---利用可變剛度的氣彈簧與半主動阻尼器，提出了可解決行駛平順性和道路操縱穩(wěn)定性的方法。然后，這個(gè)新控制器的控制結(jié)果將與幾種眾所周知的懸架控制方法相比較(如天棚)，以證明其有效性。
簡介
傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計(jì)好了來執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，例如保持車輛輪胎和道路的接觸，解決車輛的穩(wěn)定性，并將車輛的車架與道路誘導(dǎo)產(chǎn)生的振動和沖擊隔離開來。后者涉及到乘坐舒適和操縱穩(wěn)定性。
基于可控性這個(gè)主要問題，懸架系統(tǒng)分為三大類：被動的、主動的和半主動的。除了這些懸架系統(tǒng)的固有優(yōu)勢和缺點(diǎn)，這些系統(tǒng)還由常規(guī)組件組成，包括彈簧和阻尼器。
被動懸架是最常見的系統(tǒng)，目前可用于軍用和商用車輛。這些系統(tǒng)由彈簧和阻尼器（通常被稱為減振器）組成，具有固定特性。通過預(yù)調(diào)彈簧剛度和阻尼系數(shù)以達(dá)到最佳性能。然而，由于所謂的最優(yōu)值不可調(diào)，懸架系統(tǒng)在不同操作及條件下的性能會有所不同。主動懸架系統(tǒng)采用動力驅(qū)動器(在大多數(shù)情況下為液壓驅(qū)動器)以產(chǎn)生所需的力。這些系統(tǒng)是通過外部的能量來驅(qū)動的。雖然主動部分改變了懸架系統(tǒng)對垂直力的響應(yīng)，但它們不會改變其運(yùn)動學(xué)特性。這些系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是體積大、重量大、能量消耗大以及故障時(shí)的安全問題。
半主動懸架也包含彈簧和阻尼元件。然而，這些元素的特性可以通過提供信號或其他類型的外部能量來進(jìn)行外部控制。此外，這些特點(diǎn)可以改變，使不同水平的阻力可以根據(jù)低功率控制信號產(chǎn)生。半主動懸架系統(tǒng)不僅具備主動懸架系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也像被動懸架那樣可靠。如果控制系統(tǒng)失靈，半主動系統(tǒng)仍能在被動模式下工作。這些特性使得半主動懸架系統(tǒng)在可靠性是主要問題的軍事應(yīng)用領(lǐng)域有極大的吸引力。由于這些獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)，不同國家和科研人員采用了許多不同的方法來進(jìn)行半主動懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制。
然而，懸架控制的主要問題是實(shí)現(xiàn)更好的平順性及道路操縱穩(wěn)定性，因?yàn)檫@些目標(biāo)在車輛控制領(lǐng)域是相互矛盾的。
在本文中，如前面提到的，采用數(shù)值和分析研究方法，來展示非線性元件（氣彈簧）在軍用車輛懸架中的的應(yīng)用效果。另外，為了獲得更好的懸架性能，一種新型半主動氣彈簧及其簡易控制方法被采用。