仿生原理在汽车减振装置中的应用研究

2022-12-31

1 前言

汽车在行驶过程中时时都处于路面各种载荷的作用下, 这些载荷通过行驶系传向车身, 造成车身振动, 干扰驾驶员的驾驶, 造成转向不畅等不良影响, 破坏了汽车行驶平顺性;同时, 引起乘坐者的不适反应, 破坏了汽车乘坐舒适性, 也造成汽车各部位机件的损伤和车上运载货物的损坏, 给汽车运输带来不必要的损害。因此, 汽车上专门设置了具有缓冲和减振作用的悬架系统以消除各种过大的振动, 保证汽车的平稳行驶。汽车减振性能的好坏, 直接影响汽车行驶平顺性和人员乘坐舒适性;人们一直在努力研制各种新型减振器。

汽车减振器的发展历程经历了液力筒式、充气式、阻力可调式等多种形式, 目前液力筒式仍被广泛使用。汽车悬架可分为被动式、半主动式和主动式。被动式悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法选择, 一经确定, 在汽车行驶过程中就无法随外部状态变化而变化。因此, 对于在某个特定工况下按目标优化出的悬架系统, 一旦车辆参数、运行工况等发生变化, 这种悬架系统便难以适应复杂多变的实际情况, 减振性能很差。主动式减振装置在一些高级轿车和赛车上有所运用, 但往往只调节减振器的阻尼力和弹力, 不能直接调整车轮与车身的相对距离, 且结构复杂、成本较高。

1 鸟禽脖颈的生理结构

鸟禽脖颈由若干段圆柱状骨骼串联而成, 其生理结构保证脖颈可以弯曲或伸长, 以调节鸟禽头部的高度。

日常生活中有这样一个现象:如图1所示, 抓一只鸡, 只抓住鸡身, 待鸡安静后, 上下调节鸡身高度, 不论调节速度多快, 只要移动距离不超出脖颈总长, 鸡总能通过弯曲或伸长脖颈, 始终使鸡头高度位置基本保持不变。

1-传感器2-电脑单元3-能量分配器4-执行机构5-随动臂

2 仿生应用研究

如果将鸡身看作汽车车轮, 鸡头看作汽车车身, 则结果是车轮上下跳动, 而车身高度基本保持一致。此现象可仿生应用于汽车减振装置。

下述汽车减振装置正是模仿鸟禽脖颈的生理结构, 运用电控技术主动减振, 能主动、平顺、迅速调节车轮与车身的相对距离。

2.1 结构

本汽车减振装置包括传感器、电脑单元、能量分配器、执行机构和随动臂, 结构如图2所示。

车轮与车架 (或承载式车身) 之间用3个或以上首尾相连的随动臂成弧形连接, 相连随动臂、随动臂与车架 (或承载式车身) 和随动臂与车轮之间皆为活动连接。相连随动臂之间用两个或以上执行机构支撑。

传感器包括车速传感器、加速度传感器、路面预测传感器等;路面预测传感器安装在车轮的前方, 能预测路面的凹凸变化。电脑单元中事先预设有车轮与车架 (或承载式车身) 相对距离的最大值、最小值以及正常情况下的不变值。能量分配器能产生高压气、高压油或电流等能量, 并向执行机构分配能量;正常情况下维持执行机构的初始位置 (不变值) 。

传感器的输出接电脑单元;电脑单元的输出接能量分配器;能量分配器的输出接执行机构。

2.2 工作原理

当路面平坦时, 传感器中的路面预测传感器不产生信号, 电脑单元不对能量分配器进行控制, 能量分配器只维持执行机构的初始位置, 随动臂间的夹角不变。

当汽车遇到凸起的路面时, 传感器中的路面预测传感器事先检测到车轮与车架 (或承载式车身) 的相对距离即将减小;综合当时的车速、加速度等, 所有信号都传递给电脑单元。电脑单元迅速计算出车轮与车架 (或承载式车身) 相对距离应该减小的数值和减小速度, 并立即通知能量分配器输出正确大小和持续时间的能量, 控制执行机构产生拉的动作, 使相连随动臂间的夹角减小, 车轮向上运动, 车身高度不变。当车轮与车架 (或承载式车身) 的相对距离达到电脑单元中事先预设的最小值时, 电脑单元不再控制执行机构产生拉的动作, 以免造成悬架与车架 (或承载式车身) 相撞。

反之, 当汽车遇到凹下的路面时, 传感器中的路面预测传感器事先检测到车轮与车架 (或承载式车身) 的相对距离即将增大;综合当时的车速、加速度等, 所有信号都传递给电脑单元。电脑单元迅速计算出车轮与车架 (或承载式车身) 相对距离应该增大的数值和增大速度, 并立即通知能量分配器输出正确大小和持续时间的能量, 控制执行机构产生推的动作, 使相连随动臂间的夹角增大, 车轮向下运动, 车身高度不变。当车轮与车架 (或承载式车身) 的相对距离达到电脑单元中事先预设的最大值时, 电脑单元不再控制执行机构产生推的动作, 以免造成汽车侧翻。