汽車主動式電子液力懸架測試系統方法研究

張天華

摘 要：文章簡要介紹了汽車主動式電子液力懸架測試系統的基本結構和原理，以主動式電子液力懸架系統為研究對象，對電液懸架系統的動力特性進行了測試分析。用試驗測試手段來驗證CDC減震器的實際使用效果，對改進和提高減振器的性能和研究汽車主動式電子液力懸架具有非常現實的意義。

關鍵詞：汽車；主動式電子液力懸架；CDC減震器

引言

懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳動部件的總稱。汽車在行駛過程中，懸架的功用是把由于路面的顛簸而作用于車輪上的垂直反力（支撐力）、縱向力（牽引力和制動力）和側向力和這些力所產生的力矩傳遞給車身，并且緩和路面不平傳給車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由于沖擊引起的整個承載系統的振動，以保證汽車的正常行駛。汽車懸架的好壞對車輛的行駛平順性、操縱穩定性、制動性和通過性等有著重要的影響，選擇優質的懸架可以保證汽車在不平路面和載荷變化時有理想的運動特性。電子液力式可調懸架也稱連續減震控制系統（CDC），它也是主動懸架的一種。這套系統可以獨立控制每個車輪的懸掛阻尼。其電子感應器能根據讀取路況信息，適時對減震器作出調整，使之在軟硬間頻繁切換。從而更迅速準確地控制車身的側傾、俯仰以及橫擺跳動。提高車輛高速行駛和過彎的穩定性[1]。隨著人們生活水平的提高，對車輛整體性能要求也隨之提高，開發高性能的懸架系統勢在必行。所以，對汽車主動式電液懸架系統進行研究有十分重要的意義。

1 CDC主動懸架系統結構與原理

1.1 電液主動懸架系統組成

電液主動懸架的基本結構，如圖1所示。系統主要由液壓缸、液壓泵、直流電機、控制器、蓄電池和彈簧組成[2]。其連接方式為平行安裝的液壓缸和彈簧與車身和車橋相連，液壓缸再與液壓泵通過液壓管路連接，液壓泵然后通過連軸器連接直流電機，直流電機再連接蓄電池，蓄電池和直流電機之間連接控制器。該電液主動懸架系統不采用液壓閥件，結構簡單，成本低，工作范圍寬。其工作原理為：根據懸架系統的狀態反饋，通過控制直流電機的轉速和方向來調節定量泵的流量，從而控制液壓缸的阻尼力，實現整個懸架系統的主動控制[3]。

1-液壓缸；2-液壓泵；3-直流電機；4-控制器；5-蓄電池；6-彈簧

圖1 電液主動懸架裝置

1.2 CDC懸架減震系統原理

系統核心部件由中央控制單元、CDC減震器、車身加速度傳感器、車輪加速度傳感器以及CDC控制閥構成，其中減震器是基于傳統的液壓減震器構造，減震器內注有油液，有內外兩個腔室，油液可通過聯通兩個腔室間的孔隙流動，在車輪顛簸時，減振器內的活塞便會在套筒內上下移動，其腔內的油液便在活塞的往復運動的作用下在兩個腔室間往返流動。油液分子間的相互摩擦以及油液與孔壁之間的摩擦對活塞的運動形成阻力，將震動的動能轉化為熱量，熱量通過減震器外殼散發到空氣中，這樣就實現了減震器過程[4]。

汽車行駛過程中，當車輪受到地面沖擊而向上跳動時，懸架彈簧收縮并且吸收強大的能量，沖擊過后懸架彈簧通過伸張試圖釋放存儲的能量，從而使車身發生上下振動，減振器的功用就是通過對車身運動產生一定的阻尼力，使振動能量迅速消散、減小甚至消除車身的振動[5]。另外，在汽車轉彎行駛、緊急制動和緊急加速等行駛狀態下，汽車行駛姿勢發生變化，給汽車的行駛安全性和操縱穩定性帶來不利影響，此時也可以通過改變減振器的阻尼力，使汽車保持穩定的行駛姿勢。

2 電液主動懸架測試系統

2.1 測試系統的組成和原理

如圖2所示為主動懸架測試系統框圖，包括前后兩側懸架（含輪胎）、CDC電液控制部分（包含電子懸架控制模塊、CDC控制系統傳感器、車輪垂直加速度傳感器、車輪碰撞吸能執行器、車輪速度傳感器、CDC電磁閥、帶阻尼調節執行器的避震等）、駕駛員信息中心顯示屏、路況振動模擬裝置等。除上述相關器件之外，還包括四個 CDC減震器應力檢測傳感器、上位機系統、四個減震器處的激勵電機及直線往復運動機構、數據采集系統。懸架控制模塊根據車速、方向盤位置、發動機扭矩、制動壓力、車身和前輪垂直加速度等因素控制阻尼力。懸架控制模塊估算這些輸入值，以單獨控制減振器，從而在盡可能最大范圍的運行條件下改善行駛平順性和舒適度。

圖2 電液主動懸架測試系統框圖

如系統框圖所示，在四輪減震器下部加裝交流電機，各電動機構相互獨立，可以模擬各種復雜的震動。通過CDC采樣頻率來確定交流振動電機運動的頻率。然后通過數據采集卡向激勵變頻器發送往復頻率控制，將數據采集系統采集到的模擬橫擺傳感器信號、車輪加速度傳感器、車身加速度傳感器檢測到的實車傳感器信號值傳遞到ECU控制器中，調制后的ECU電磁閥控制PWM信號又返回到數據采集系統中，再通過網絡交換機以以太網通訊的方式實現上位機和下位機之間的通訊，從而達到對CDC工況的模擬。

2.2 測試系統激振實現

CDC模擬路況裝置采用諧振式激勵設備，簡稱激振平臺，它是測試系統激振實現的重要部件。激振實現是通過激振平臺采用振動原理測量懸掛性能來實現的，裝置中的激勵電機采用交流電機驅動，每個電機均由獨立的變頻器控制，可以調節激勵的頻率，然后各測力傳感器將測得的對應激勵電機的信號傳遞到數據采集系統。如圖3所示為激振實現系統框圖。該裝置有著無需制作地基、單輪承重力大、裝置選用的材料和制作工藝良好等優點。

3 測試結果分析

本次測試通過在減震系統與激勵系統間加裝壓應力傳感器來實時監測CDC減震系統的軟硬，在CDC液壓電磁閥上加裝高靈敏度油壓變送器，用以檢測CDC執行液壓機構的動作特征。在與傳統懸架減震效果進行對比時，通過斷開減震器控制單元與減震液壓電磁閥的連接，改由恒定電壓來控制電磁閥，以此將CDC減震器暫時轉變為傳統被動式懸架減震器。通過展現有CDC控制單元和無CDC控制單元時，減震壓應力的變化來展現CDC與傳統懸架減震效果的對比。

由于CDC的采樣頻率為1000HZ（根據原廠資料），根據采樣定理，所需產生的激震上限為300-500HZ，通過常規的電機曲柄機構即可完成該上限頻率的激震。單輪激勵振幅6mm（經過實際現場測試，6mm的激勵傳遞到車輛時，引起的振動已經十分明顯），前后輪總共四套激勵裝置。四個電動機構相互獨立，可以模擬各種復雜的震動。通過數據采集系統的數模轉換功能，向四個激勵變頻器發送往復頻率控制，從而達到對于CDC工況的模擬。經過對整車懸架系統的諧振式掃頻測試，當懸掛處于共振頻率時，對地面振動的吸收率最低，即人體感覺的振動最強烈的，而主動減震器懸架就能夠非常好的吸收共振頻率產生的振動，確保汽車振動平穩，接觸力變化曲線如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5所示，在橫坐標為1500處，激振頻率約為30HZ，此時為懸架的共振頻率階段，在主動懸架起作用時，可以很好的吸收振動力，在主動懸架未起作用時，此階段的懸架吸收效率較低。

4 結束語

文章從總體上描述了主動式電液懸架系統的結構和減震系統原理，并對測試系統和激振實現系統進行了分析研究，然后以電子液力懸架與傳統懸架作對比來進行實車仿真測試，逐步證實了主動式電液懸架在車輛行駛過程中的行駛平順性和操作穩定性。

對于主動式液力懸架系統，能實時的改變液力懸架的油壓差，以及實時的調整減振器的阻尼，從而保證行駛的安全性和舒適性，當汽車在高速行駛時懸架會自動變硬，提高車身穩定性，當低速行駛時，懸架會變軟降低振動提高舒適性，這些都是汽車技術高速發展的必然要求。通過對汽車懸架系統的理論基礎研究，有力地推動了主動懸架在汽車上應用的進程，可望進一步通過實車測試來驗證主動式液力懸架電控系統的有效性，并逐步實現產品化。隨著科學技術的不斷發展，主動懸架系統的關鍵問題必將得到滿意解決，主動懸架的發展方向，并且必將向更加節能、更加環保的方向發展。

參考文獻

[1]夏均忠，馬宗坡，方中雁，等.汽車平順性評價方法綜述[J].噪聲與振動控制，2012，32（4）：9-13.

[2]I.Eski，S.Yidirim.Vibration Control of Vehicle Active Suspension System Using a New Robust Neural Network Control system.Simulation Modelling Practice and Theory，2009，17（5）：778-793.

[3]張玉春，王良曦，叢華，等.電液主動懸架濾波輸出反饋控制器的設計及仿真實現[J].汽車工程，2004，26（3）：325-330.

[4]夏江敬，等.新型汽車電流變液體減振器控制系統研究[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2003，25（2）：53-55.

[5]王冰，韓冰源，王巖，等.汽車磁流變減震器研究綜述[J].森林工程，2008，24（4）：39-43.