基于電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的半主動懸架試驗研究

李罡　張晗　王彧　王祥

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州　511434）

基于電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的半主動懸架試驗研究

李罡張晗王彧王祥

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州511434）

研制了一種電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器，并在此基礎(chǔ)上進行了半主動懸架整車試驗研究。闡明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，通過臺架試驗測試了電磁閥的外特性和減振器阻尼力在不同電流下的速度特性，并開展了實車道路試驗。試驗結(jié)果表明：該電磁閥式減振器可以較好地實現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)，且對整車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性的提高具有積極作用。

主題詞：電磁閥減振器半主動懸架試驗

1　前言

傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)無法較好地協(xié)調(diào)操縱穩(wěn)定性與行駛平順性的矛盾，零部件技術(shù)參數(shù)一旦確定，整車性能就隨之固定。而半主動懸架系統(tǒng)由于阻尼力或剛度可調(diào)，使得其性能可以根據(jù)實際道路狀況作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，在操縱穩(wěn)定性與平順性上均獲得良好表現(xiàn)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在各種半主動懸架系統(tǒng)技術(shù)方案中，基于電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的半主動懸架具有一定優(yōu)勢。

阻尼連續(xù)可調(diào)減振器及其相關(guān)技術(shù)在國外已經(jīng)得到了較為充分的研究。但在我國尚處于起步階段，僅有的研究工作較多地由院校主持開展：吉林大學(xué)郭孔輝院士團隊［1～4］對閥控阻尼可調(diào)減振器的工作原理進行了分析，并研制了樣機，研究了相應(yīng)的控制算法；合肥工業(yè)大學(xué)陳無畏教授團隊［5～8］對電磁閥式減振器的相關(guān)理論進行了深入研究，推導(dǎo)了閥控減振器的外特性數(shù)學(xué)解析表達(dá)式，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻尼特性的影響規(guī)律，設(shè)計了ESP與電磁閥式減振器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制算法；劉偉哲［9］、陳龍［10］等進行了電磁閥式減振器仿真臺架試驗，驗證了其功能性。

整體而言，國內(nèi)現(xiàn)有的研究更偏向理論層面，在工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作較少。本文自主設(shè)計、研制了一款電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器，研究了基于該系統(tǒng)的半主動懸架控制策略，進行了整車級道路試驗，為半主動懸架技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論與試驗參考。

2　電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器工作原理

電磁閥式減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳統(tǒng)減振器主要由儲油缸、活塞桿及閥系、底閥系等組成，而電磁閥式減振器增加了中間缸與電磁閥。中間缸布置在傳統(tǒng)減振器的儲油缸與工作缸之間，通過常通小孔與減振器內(nèi)筒的伸張行程腔室相連接；電磁閥組件進油孔與中間缸相連，出油孔與儲油缸相連。

圖1　電磁閥式減振器結(jié)構(gòu)示意

減振器處于壓縮行程時，由于活塞的擠壓使得無桿腔（即壓縮行程腔室）的部分油液從底閥流至儲油缸，另一部分油液則通過活塞閥流至工作缸中的有桿腔（即伸張行程腔室），再經(jīng)由中間腔與工作缸有桿腔之間的常通孔流入中間腔，進入電磁閥總成。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，壓力達(dá)到開閥壓力后油液從電磁閥系中的單向溢流閥流至儲油缸；電磁閥通電導(dǎo)通后，壓力未達(dá)到溢流閥開閥壓力時，油液經(jīng)由比例流量閥回流至儲油缸，此時，根據(jù)電流大小的不同，比例流量閥開度不同，從而達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼力大小的目的，當(dāng)壓力達(dá)到溢流閥開閥壓力時，油液從溢流閥流入儲油缸。

減振器處于伸張行程時，由于無桿腔（即壓縮行程腔室）形成低壓，部分油液由儲油缸從底閥進入無桿腔，另一部分油液則由于活塞的擠壓由有桿腔流入中間腔，進而流入電磁閥。油液進入電磁閥后的工作原理與壓縮行程類似。

電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的核心零件是電磁閥，電磁閥的特性與減振器外特性息息相關(guān)。對自行研制的電磁閥進行了臺架試驗，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同驅(qū)動方式對電磁閥流量特性的影響

由電磁閥的外特性曲線可以看出，驅(qū)動頻率對于電磁閥的外特性具有一定的影響。采用500 Hz驅(qū)動頻率雖然死區(qū)電流范圍更小，但是控制電流相同的情況下其流量小于1 000 Hz驅(qū)動頻率。

3　半主動懸架系統(tǒng)原理

懸架系統(tǒng)可用2自由度模型表示，如圖3所示。圖3a為傳統(tǒng)懸架模型，傳統(tǒng)懸架的阻尼為被動阻尼，任何路況或者駕駛員操縱行為下，其外特性表現(xiàn)均一致；而由電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器構(gòu)成的半主動懸架系統(tǒng)，由于阻尼系數(shù)為變量，因此可以表示為圖3b所示的系統(tǒng)模型。電磁閥式減振器內(nèi)部閥系本身所具有的不隨工況變化而變化的黏性阻尼可以表示為cv，而根據(jù)不同道路條件、駕駛員操縱行為而改變的可調(diào)阻尼力則表示為Fm，是電磁閥通電后改變等效節(jié)流面積引起的阻尼力變化量。

圖3　懸架系統(tǒng)模型

根據(jù)牛頓第二定律，傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)動力學(xué)方程為：

式中，ms為簧載質(zhì)量；mu為非簧載質(zhì)量；ks為懸架剛度；kt為輪胎剛度；cv為懸架阻尼；xs為簧載質(zhì)量位移；xu為非簧載質(zhì)量位移；q為路面位移。

半主動懸架的系統(tǒng)動力學(xué)方程可以表示為：

4　控制策略

由電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器構(gòu)成的半主動懸架系統(tǒng)控制原理如圖4所示。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)具有舒適和運動2種模式，通過配置在車身與車輪處的加速度傳感器分別測得車身加速度與車輪加速度，根據(jù)辨識算法對路面工況與懸架運動狀態(tài)進行識別用于垂向控制，再通過制動踏板的位移傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器對駕駛員操縱動作進行識別用于縱向控制與側(cè)向控制。根據(jù)不同控制電流實現(xiàn)電磁閥節(jié)流面積的改變，從而實現(xiàn)阻尼力調(diào)節(jié)的目的。

目前，半主動懸架控制策略多種多樣，但在工程領(lǐng)域得到應(yīng)用的還是經(jīng)典的天棚控制策略，重點關(guān)注車身加速度和車輪動載荷。

圖4　控制原理示意

垂向控制時，舒適模式關(guān)注的指標(biāo)為車身加速度，控制策略應(yīng)在相應(yīng)頻段內(nèi)對車身加速度幅值進行衰減；運動模式關(guān)注的指標(biāo)則主要是車輪動載荷，控制策略應(yīng)在相應(yīng)頻段對車輪動載荷進行控制以取得較好的操控性。

側(cè)向與縱向控制時，對駕駛員操縱習(xí)慣進行辨識，采用不同指標(biāo)閾值進行減振器阻尼力控制。

4.1垂向控制

天棚控制策略實現(xiàn)半主動懸架的控制，控制算法為：

式中，α為調(diào)節(jié)參數(shù)；cmax為減振器阻尼極大值；cmin為減振器阻尼極小值。

4.2縱向控制

當(dāng)車輛處于加速、制動工況時，由于存在運動慣性，車身會發(fā)生俯仰運動，使乘員產(chǎn)生不舒適感。因此，需要對此工況下的車身俯仰運動進行抑制，控制算法為：式中，F(xiàn)p為制動、加速時減振器的阻尼力；βp為增益系數(shù)；Fs為根據(jù)垂向控制策略計算得出的阻尼力；ap為俯仰角速度；apth為俯仰角速度閾值。

4.3側(cè)向控制

與縱向控制類似，將側(cè)向加速度與閾值進行實時對比，控制算法為：

式中，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)向時減振器目標(biāo)力；βr為增益系數(shù)；ux為車輛縱向速度；arth為側(cè)傾角速度閾值；i為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比；θ為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；L為軸距。

5　實車試驗

選用某SUV車型進行了減振器系統(tǒng)的改制，均換裝為本文的減振器系統(tǒng)，包含減振器、加速度傳感器、ECU等，試驗車輛采用的快速控制原型系統(tǒng)如圖5所示。對樣車進行了大量道路試驗，現(xiàn)以垂向控制典型工況進行分析。

圖5　快速原型系統(tǒng)與控制器

車輛直線行駛工況，采集對應(yīng)于4個車輪處的車身加速度、車輪加速度等信號，并根據(jù)實測信號估計車輪動載荷，對車身加速度與車輪動載荷進行分析。實車試驗在不同路面、車速工況進行，以車速80 km/h在B級路面行駛左前車輪為例，圖6、圖7所示分別為左前車身加速度與車輪動載荷的頻域特性，可以明顯看出，在2個共振頻段，指標(biāo)幅值均得到了有效衰減，而在2個共振頻段間的過渡頻段，指標(biāo)幅值也并未發(fā)生惡化，這是傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)難以實現(xiàn)的。

圖6　左前車身加速度頻域特性

圖7　左前車輪動載荷頻域特性

部分測試數(shù)據(jù)如表1所示，由表1可知，與傳統(tǒng)車型相比，關(guān)鍵位置點的加速度均方根值均得到了有效抑制，取得了較好的減振效果。

表1　平順性測試結(jié)果對比g

6　結(jié)束語

本文自主開發(fā)設(shè)計了一種電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器，基于該減振器設(shè)計了半主動懸架控制策略，并將自主研發(fā)的減振器及其控制系統(tǒng)搭載于某SUV車型進行了實車試驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了整車行駛平順性。

1Yu W H，Zhang X J，Guo K H，et al.Adaptive Real-Time Estimation on Road Disturbances Properties Considering Load Variation via Vehicle Vertical Dynamics.Mathematic Problem in Engineering，2013（4）：206～226.

2郭孔輝，余五輝，章新杰，等.自適應(yīng)半主動懸架系統(tǒng)控制策略.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，40（2）：39～44.

3趙宇.閥控半主動減振器研究及整車應(yīng)用：［學(xué)位論文］.長春：吉林大學(xué)，2013.

4余五輝.路面頻率與車輛載荷自適應(yīng)半主動懸架控制研究：［學(xué)位論文］.長春：吉林大學(xué)，2014.

5夏光，陳無畏，唐希雯，等.新型電磁閥式減振器的仿真與試驗研究.汽車工程，2012，34（11）：999～1004.

6夏光，唐希雯，王洪成，等.汽車電磁閥式半主動懸架控制系統(tǒng)設(shè)計.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，35 （1）：21～24.

7夏光.基于電磁閥式減振器的汽車SASS與ESP集成控制研究：［學(xué)位論文］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

8楊柳青，陳無畏，高振剛，等.基于電磁閥減振器的1/4車輛半主動懸架非線性控制.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（4）：1～7.

9劉偉哲，王忠良，陳昌建，等.電磁閥控制半主動懸架可調(diào)減振器的研制.汽車技術(shù)，2012（9）：30～33.

10陳龍，喻力，崔曉利.阻尼多狀態(tài)切換減振器的性能仿真與試驗.江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，34（3）：249～253.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年7月7日。

Test Research on Semi-active Suspension Based on Solenoid-actuated Damping Continuously Variable Shock Absorber

Li Gang，Zhang Han，Wang Yu，Wang Xiang
（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.Automotive Engineering Institute，Guangzhou 511434）

A vehicular solenoid-actuated continuously variable shock absorber（SSA）was developed，then road tests of the vehicle equipped with semi-active suspension were carried out.Firstly，system structure and the working principle of SSA were described，the external characteristic of solenoid valve was tested by test bench，the velocity characteristics with different currents were also obtained by bench test，road tests were carried out，the results showed that the SSA can achieve good adjustment of damping force，and contribute to the improvement of vehicle ride comfort and handling stability.

Solenoid valve,Shock absorber,Semi-active suspension,Test

U463.33

A

1000-3703（2016）09-0035-04