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1、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计算机仿真软件，模拟路面随机输入，仿真被动
2、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 advantages of high contr
3、ol, 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 control of the suspens
4、ion 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 the current developmen
5、t 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 suspension. Then use the
6、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 the MCS-96 family o
7、f 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, the signal on each sen
8、sor to determine the operating conditions, and thus the corresponding output control signals. Use 80C196KC MCU.Keywords: air spring; ECAS; control procedures; SIMULINK; MCU目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1悬架概述11.2悬架的分类11.3主动悬架21.4空气悬架发展和现状21.5平顺性理论概述31.6本文的主要内容42空气悬架的工作原理及功能52.1空气悬架工作原理52.2空气悬架功能53空气悬架系统73.1空
9、气悬架主要元件结构73.2空气悬架输入输出部件73.3空气悬架的具体工作方式134空气悬架数学模型144.1垂直刚度设计计算：144.2空气弹簧系统频率的计算144.3单质量系统的自由振动155系统控制流程165.1总控制流程图165.2各子系统流程图176系统仿真计算246.1MATLAB软件介绍246.2路面激励谱256.3SIMULINK计算仿真267汇编程序设计307.1MCS-96系列单片机的特点307.2汇编语言程序工作原理307.3硬件图32本文总结33参考文献33注释33附录33谢辞331绪论1.1悬架概述悬架是汽车的重要组成部分，它把车体和车轴弹性地连接起来，并承受作用在车轮
10、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
11、还必须装有弹性元件，使车身和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。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陈家瑞；汽车构造（第5版）；M.北京：人民交通出版社，2005；221222；。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
12、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于如下几点李炎亮，高秀华，成凯；汽车电子技术；M.北京：化学工业出版社，2005；201202；。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使
13、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
14、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.
15、 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，使后轮和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，充分利用车轮和地面的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。e.主动悬架可使车轮和地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，因而可提高车轮和地面的附着力，从而提高汽车抵抗侧滑的能力。1.4空气悬架发展和现状自从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和创新，人们研制了各种各
16、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使用，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上的使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周永清，朱思洪；车辆空气悬架研究综述J；轻型汽车技术，2003(10)：3034；。电子控制空气悬架系统(Electronically Controlled Air Suspension System，简称(ECAS)可以根据车身
17、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，保持车身姿态平衡庄继德汽车电子控制系统工程M北京：北京理工大学出版社，1998；l14l22；。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上已得到广泛使用，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)、
18、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陈兴林，胡树华；车空气悬架的使用发展和我国汽车业的应对策略；J；汽车科技，2004(4)：69；。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“
19、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和路面之间的动载，它和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
20、，以保持乘员的舒适性余志生；汽车理论（第4版）；M.北京：机械工业出版社，2006；202；。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空气悬架工作原理空
21、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、辅气室之间
22、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 张美娟，廖学军，梁文家；汽车电器和电控系统简明教学图解；M.北京；电子工业出版社，2004；67；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。具体控制内容如下杨生辉，舒华，王克才；汽车电器和电子技术；M.北京；国防工业出版社，2004； 432；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
23、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：电子控制悬架系统的控制单元通过方向盘转向盘转角和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
24、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，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
25、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。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
26、简图史文库；现代汽车新技术；M.北京；国防工业出版社，2004；60；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)和空气弹簧相连。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
27、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和关。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
28、只光电三极管导通和截止的状态就不同。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、连杆和悬架臂相连接，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和遮光器的光敏晶体管组成。开口圆盘和连杆组合成一个组件一起
29、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
30、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，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 迟瑞娟，李民雄；汽车电子技术；M.北京；国防工业出版社，2008，241；。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
31、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，
32、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，通过和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，测节气门位置滑片和测节气门全关滑片都和节气门联动。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，电位器输出和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和原理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；VT
33、A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，产生和车轮转角相对应的电压脉冲信号。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，辅助气室和空气弹簧主气室断开；
34、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，和大气相通，悬架刚度开始变小，同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分析法处理，只
35、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，计算时取pa =0.098MPa；A空气弹簧的有效面积（承载面积）（mm2）V空气弹簧的有效容积（mm3），等于空气弹簧本身橡胶囊容积和附加空气室容积之和；a空气弹簧轴向变形的形状系数 机械设计手册编委会；机械设计手册（单行本）：弹簧摩擦轮及螺旋传动；M.北京；机械工业出版社，2007，67.。以上讨论的刚度为空气弹簧的
36、垂直刚度，并没有考虑空气弹簧的横向变形。4.2空气弹簧系统频率的计算由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量（簧载质量）所决定的辐射自然振动频率（亦称振动系统的固有频率）是影响汽车行驶平顺性的重要性能指标之一。人体所习惯的垂直振动频率是步行时身体上下运动的频率，约为11.6Hz。车身自然振动频率应当尽可能地处于或接近这一频率范围。根据力学分析，如果将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的自然振动频率（固有频率）为式中：g重力加速度；f悬架垂直变形（挠度）；M悬架簧载质量；K悬架刚度，指使车轮中心相对于车架和车身向上移动的单位距离所需加于悬架上的垂直载荷。由上式可见：1）在悬架所受垂直
37、载荷一定时，悬架刚度越小，则汽车自然频率越低。但悬架刚度越小，在一定载荷下悬架垂直变形就越大，即车轮上下跳动所需要的空间越大。2）当悬架刚度一定时，簧载质量越大，则悬架垂直变形越大，而自然频率越大。故空车行驶时的车身自然频率要比满载行驶时的高。簧载质量变化范围越大，则频率变化范围也越大。为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身自然频率保持不变或变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架刚度随之增加1。4.3单质量系统的自由振动图4-1是分析车身振动的单质量系统模型，它由车身m2和弹簧刚度K、减振器阻尼系数为C的悬架组成。q是输入的路面不平度函数
38、。车身垂直位移坐标z的原点取在静力平衡位置，由牛顿第二定律，得到描述系统运动的微分方程为 余志生；汽车理论（第4版）；M.北京：机械工业出版社，2006；213；图4- 1车身单质量系统模型式中：m2车身质量；z车身垂直位移；C减振器阻尼系数；q输入的路面不平度函数；K弹簧刚度；5系统控制流程5.1总控制流程图图5- 1 程序流程图图5- 1为整个控制系统的流程图，使用顺序循环执行的方式运行，当指令运行到各子程序入口时，判断当前条件是否满足，5.2各子系统流程图图5- 2 转向子程序（左）图5- 3 转向子程序（右）图5- 4 加速子程序图5- 5制动子程序图5- 6 高速感应子程序图5- 7
39、 高度子程序图5- 8 复位子程序6系统仿真计算6.1MATLAB软件介绍MATLAB软件是目前世界上最为流行的软件之一，它是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了丰富可靠的矩阵运算和操作图形绘制数据处理，以及方便的Windows图形界面设计等便利工具，较为常见的工具箱包括 王正林，刘明；精通MATLAB；M.北京；电子工业出版社，2006；4；： 1）控制系统工具箱control systems toolbox;2）系统辨识工具箱system identification toolbox;3）鲁棒控制工具箱robust control toolbox;4）模糊逻辑工具箱子fu
40、zzy logic toolbox5）多变量频率设计工具箱multivariable frequency design toolbox;6）神经网络工具箱neural network toolbox ;7）最优化工具箱optimization toolbox;8）信号处理工具箱signal processing toolbox ;一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点。正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放
41、出来。MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。在MATLAB中有一个专门用于控制系统交互式模型输入和仿真的工具SIMULINK，它是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。SIMULINK提供了用方框图进行建模的图形接口，和传统的仿真软件（用微分方程和差分方程建模）相比它具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含Sinks(输出方式)、Sources（输入源）
42、、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connections（连接和接口）和 Extra（其它环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。SIMULINK和MATLAB集成在一起，可以在两种环境下对建立的模型进行仿真、分析和修改。6.2路面激励谱当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频响函数，就可以求出各物理量的功率谱，用来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价平顺性 余志生；汽车理论（第4版）；M.北京：机械工业出版社，2006；206；。作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。路面功率谱
43、密度 用下列式作为拟合表达式： （6-1）式中，n为空间频率（m-1），它是波长l的倒数，表示每米中包括几个波长；n0 为参考空间频率，n0 = 0.1 m-1 ；为参考空间频率n0 路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m2 / m-1 = m3 ；W为频率指数。上述路面功率谱密度 指的是垂直位移功率谱密度，还可以采用不平度函数q(I) 对纵向长度I 的一阶导数，即速度功率谱密度 和二阶导数，即加速度功率谱密度来补充描述路面不平度的统计特性。（单位为1/m-1 = m）和 （单位为m-2 / m-1 = m-1）和的关系如下 （6-2） （6-3）当频率指数W = 2时，将式（6-1）
44、表达的代入（6-2）得到可以看出，此时路面速度功率谱密度幅值在整个频率范围为一常数，即为一“白噪声”，幅值大小只和不平度系数有关。在进行输出系统的动力学仿真分析时，MATLAB/SIMULINK是有效手段。车轮受到的路面随机激励时域数学模型可以用下式进行描述：式中：q(t)为车轮所受到的路面随机位移激励；w(t)白噪声；a常数，是所选路面的空间频率；B级路面，a = 0.1303；C级路面，a = 0.12；v车速；6.3SIMULINK计算仿真1）路面随机激励（B级路面）图6- 1 白噪声随机输入模型图6- 2 白噪声随机路面输入使用SIMULINK中的白噪声产生模拟B级路面的随机激励，通过
45、修改其中起始数值可得出不同的随机激励结果。2）带路面随机激励的单质量振动系统加速度影响图6- 3 单质量振动系统加速度模型图6- 4 单质量振动系统加速度图6- 4为一被动悬架的振动情况，是在图6- 2的随机路面激励下的加速度情况。3）被动悬架和空气悬架的比较图6- 5 被动悬架和空气悬架加速度比较模型图6- 6 被动悬架和空气悬架加速度比较被动悬架和空气悬架的比较中，虚线为被动悬架在白噪声随机输入下的加速度响应曲线，实线为空气悬架。从图中可以看到，对相同的随机输入，空气悬架的加速度变化幅度比被动悬架小。车身振动减少，车身运载易碎，易损物品，如电子仪器，玻璃制品等损坏率降至最低。空气悬架刚度低
46、。装备空气悬架的车辆可以获得较低的固有频率，行驶平顺性好，乘坐舒适，延长车辆使用寿命，减轻车辆对路面的破坏。7汇编程序设计7.1MCS-96系列单片机的特点MCS-96系列单片机为16位字长的单片机，由Intel公司于1987年推出。16位单片机的产生，把单片机的使用推向了一个新的高度。MCS-96系列单片机的主要性能如下：1具有16位字长的并行处理能力，因此系统运算速度快，可适用于更广泛的使用场合。2指令系统丰富、高效，为编程提供了方便。3具有6种寻址方式，提高了编程和数据处理的灵活性。4在ROM型和EPROM型中，提供了8KB片内ROM，为复杂系统提供了较大的程序存储空间。5232个字节的片内RAM，提供了大量片内寄存器组，从而减少了运算过程中访问存储器的次数，提高了系统运算处理速度。6片内具有高速I/O部件，能测量和产生高分辨率脉冲。7片内具有10位A/D转换器，可实现4路或8路模拟量输入。8最多可扩展40个I/O，提供了和TTL兼容的数字I/O和标准的8位或16位外设系统扩展能力。9片内提供了全双工串
