基于阻尼多級分段調(diào)節(jié)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，江蘇 無錫 214121)

0 引言

隨著汽車高速化的發(fā)展，傳統(tǒng)被動(dòng)懸架已不能滿足汽車的減振需求，半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果[1-5]。馬克等人設(shè)計(jì)了一種基于主動(dòng)懸架非脆弱H∞控制器[6]。梁輝等人研究了車輛的半主動(dòng)懸架分?jǐn)?shù)階天棚阻尼控制[7]。周創(chuàng)輝等人提出了一種基于改進(jìn)型天棚阻尼控制算法的饋能式半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)[8]。Ayman等人對雙橫臂懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析[9]。Kavitha等人提出了一種雙橫臂懸架系統(tǒng)的主動(dòng)外傾角和前束控制策略[10]。

傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架的彈性元件不僅起動(dòng)到承載車身重量的作用，還是存貯液壓能量和吸收液壓能量的部件，但被動(dòng)懸架減震器油液量需要維持在一個(gè)足夠大的數(shù)值[11-13]，以確保減震器筒內(nèi)液壓能夠通過流通閥在不同的腔內(nèi)流通。但實(shí)際使用中，減震器內(nèi)部液壓數(shù)值往往不能保持那么大數(shù)值，這樣會極大地降低減震器的減震效果。半主動(dòng)懸架可以通過改變流通閥的流通面積，以改變懸架系統(tǒng)的阻尼，保證減震器筒內(nèi)液壓能夠快速在兩筒之間流動(dòng)。傳統(tǒng)的半主動(dòng)懸架按照流通閥等閥門打開的面積，把阻尼的改變分為軟、硬和適中三個(gè)等級，這樣設(shè)計(jì)方法在一定程度上改善了減震器的減震效果，但是由于路面狀況的隨機(jī)性和路面的多樣性，簡單的半主動(dòng)懸架三級阻尼設(shè)計(jì)方法已不能和多樣性路面很好的匹配，導(dǎo)致現(xiàn)有的半主動(dòng)懸架減震效果不能完全發(fā)揮。針對這一問題，本文在傳統(tǒng)的液力減震器上，設(shè)計(jì)了利用電磁閥改變節(jié)流閥的流通截面面積的大小，進(jìn)而控制節(jié)流閥進(jìn)出油液量，以把減振器阻尼進(jìn)行多級分段調(diào)節(jié)，從根本上解決問題。

1 模型的建立

通過對車輛懸架進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)車輛舒適性[14-15]，安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用懸架動(dòng)擾度作為約束條件，建立在不同車速，不同路況，不同車輛的參數(shù)以及不同震動(dòng)情況下的車輛懸架最佳阻尼比優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)和數(shù)學(xué)模型。

1.1 半主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型

1/4汽車半主動(dòng)懸架模型，如圖1所示，作為阻尼可變式半主動(dòng)懸架，需要確定其阻尼的變化范圍。

圖1 1/4汽車半主動(dòng)懸架模型

二自由度1/4汽車半主動(dòng)懸架的震動(dòng)方程為:

(1)

(2)

其中:Csemi(t)的變化范圍為0≤Csemi(t)≤Cmax。

因此，需要確定減震器阻尼系數(shù)的范圍，需要研究阻尼匹配的阻尼控制規(guī)律和最優(yōu)解。

設(shè)單輪總質(zhì)量為mt，單輪賽下質(zhì)量為md,則單輪簧上質(zhì)量為mu=mt-md。根據(jù)懸架系統(tǒng)最佳阻尼比，可得懸架系統(tǒng)最佳阻尼系數(shù)為:

Cs=4πξfomu

(3)

式中，ξ為懸架最佳阻尼比，是由被動(dòng)懸架最佳阻尼匹配所決定的；fo為懸架固有頻率。

因此，根據(jù)懸架系統(tǒng)杠桿比i,可求得減震器復(fù)原行程在首次開閥時(shí)的阻尼系數(shù)為:

Cd1=4πξfomu/i2

(4)

根據(jù)減震器平安比η的定義，可得:

ηps=k1k2=Cd1/k2

(5)

式中，k1為減震器首次開閥前的速度特性直線的斜率；k2為最大開閥前的速度特性直線的斜率。

因此，可得減震器復(fù)原行程最大開閥前速度特性面線的斜率k2為:

k2=C1/ηps

(6)

根據(jù)阻尼力與阻尼系數(shù)和速度之間關(guān)系，可得到減震器復(fù)原行程最大開閥阻尼系數(shù)Cd2為:

(7)

式中,Vk1和Vk2分別為減震器首次開閥速度和最大開閥速度;Fdk1和Fdk2分別為減震器在首次和最大開閥時(shí)的阻尼力。

將Fdk1=Cd1Vk1和k2=Cd1/ηps代入上式，得:

(8)

根據(jù)減震器壓縮行程和復(fù)原行程阻尼特性的雙向比βd，可得減震器壓縮行程在開閥前后的阻尼系數(shù)分別為:

Cd1y=βdCd1=βd4πξfomu/i2

(9)

(10)

由以上分析可知，利用車輛參數(shù)以及復(fù)原行程和壓縮行程的初次開閥速度和最大開閥速度，可求得減震器復(fù)原行程的首次開閥阻尼力Fdk1和最大開閥阻尼力Fdk2,以及壓縮行程的首次開閥阻尼力Fdk1y和最大開閥阻尼力Fdk2y。因此，可得設(shè)計(jì)減震器要求的分段線性速度特性曲線，如圖2所示。

圖2 速度特性曲線

1.2 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)基于安全性和舒適性的數(shù)學(xué)模型

(11)

式中，ξ*為基于不同行駛路況，車速v和單輪簧上質(zhì)量情況下的最佳阻尼比，ξ*=ξ(Gp，v，m)；ξoc為懸架系統(tǒng)最舒適所對應(yīng)的阻尼比，ξoc=0.1748；ξos為懸架系統(tǒng)最安全所對應(yīng)的阻尼比，ξos=0.4136。

1.3 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)最佳阻尼系數(shù)

(12)

代入得：

(13)

式中，Csc為舒適時(shí)懸架系統(tǒng)所要求的阻尼系數(shù)，Csc=0.7πfomu；Css為最安全時(shí)懸架系統(tǒng)所要求的的阻尼系數(shù)，Css=1.65πfomu。

由于最佳阻尼系數(shù)ξ*是隨不同行駛路況，車速v和單簧上質(zhì)量情況變化的，因此，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)最佳阻尼系數(shù)Cso也是隨不同行駛路況，車速v和單輪簧上質(zhì)量情況而變化的。

1.4 半主動(dòng)懸架可控減震器節(jié)流參數(shù)控制規(guī)律

采用節(jié)流閥的節(jié)流孔面積A作為可控參數(shù)，而節(jié)流閥片厚度h、閥片預(yù)變形量frko和閥片最大限位間隙δmax作為不可控參數(shù)。其中，總節(jié)流面積At一般包括兩部分：一部分是固定常通節(jié)流孔面積；另外一部分是可控節(jié)流孔面積,半主動(dòng)懸架可控減震器設(shè)置固定常通節(jié)流孔的目的是保證半主動(dòng)懸架的安全，防止可控震的可控節(jié)流孔關(guān)閉時(shí)，減振器成為剛體[16]。

(14)

將式中的減震器最大阻尼系數(shù)Cdmax替換成減震器最小阻尼系數(shù)Cdmin，便可得到減震器最大節(jié)流孔面積Amax設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，即:

(15)

因此，可得可控節(jié)流孔的面積Aseim控制規(guī)律為：

(16)

由于可控減震器最佳阻尼系數(shù)C*d是隨車輛行駛路況，車速，轉(zhuǎn)彎半徑和單輪質(zhì)量變化的，因此，可控減震器節(jié)流孔面積Aseim[17]也是隨車輛行駛路況、車速、轉(zhuǎn)彎半徑和單輪質(zhì)量而變化的。

2 硬件結(jié)構(gòu)

目前使用比較多的是雙向筒式液力減震器，當(dāng)車輛因震動(dòng)而出現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，減震器液壓油消耗散熱，工作缸內(nèi)的活塞上下移動(dòng)，油腔內(nèi)部的液壓油便會從活塞上面的通流閥反復(fù)的從一個(gè)腔流入另一個(gè)腔。隨著通流閥孔壁與油液之間的摩擦，以及油液分子之間的黏性摩擦對產(chǎn)生的震動(dòng)形成阻尼力，將震動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能并散發(fā)到大氣當(dāng)中，流通閥和補(bǔ)償閥是一般的單向閥，其彈簧彈力很小[18]，當(dāng)閥上的油壓作用力與彈簧彈力同向時(shí)，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；而當(dāng)油壓作用力與彈簧反向力時(shí)，則只要很小的油壓，閥便能開啟。壓縮閥和伸張閥是卸荷閥，其彈簧彈力剛度較大，預(yù)緊力較大，只有當(dāng)油壓增到一定程度時(shí)，閥才能開啟；當(dāng)油壓降低到一定程度時(shí)，閥即自行關(guān)閉，如圖3所示。

圖3 雙向筒式液力減震器

2.1 結(jié)構(gòu)分析

由圖3可知，由于伸張彈簧的剛度和預(yù)緊力比壓縮閥大，導(dǎo)致在同樣的油壓力作用下，伸張閥打開的液壓流通通道的橫截面積小于壓縮閥門打開的液壓流通通道的橫截面積，因此導(dǎo)致減振器在伸張行程和壓縮行程產(chǎn)生的阻尼力大小不同，而且前者產(chǎn)生阻尼力要大于后者。

2.2 結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計(jì)的半主動(dòng)控制節(jié)流的液力減震器，是在普通的液力雙向筒式的基礎(chǔ)上，通過旁路控制轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)流閥閥芯，改變流通面積，使節(jié)流閥孔具有三個(gè)位置，從而產(chǎn)生三個(gè)不同的阻尼值。當(dāng)速度小于0.3 m/s，汽車承受輕微的震動(dòng)，節(jié)流孔產(chǎn)生節(jié)流阻尼力；當(dāng)速度在0.3～1.0 m/s范圍內(nèi)，汽車承受中等強(qiáng)度的震動(dòng)，由電磁閥控制節(jié)流孔的孔隙，這是減震器的主要工作；當(dāng)速度大于1.0 m/s，懸架劇烈震動(dòng)，車輪高頻震動(dòng)，電磁閥控制節(jié)流孔的節(jié)流間隙開到最大，這與輪胎和路面接觸的情況密切相關(guān)。

圖4 工作原理圖

減小節(jié)流孔的通道截面積，增大了油液流動(dòng)阻尼；反之，當(dāng)汽車載荷減小時(shí)，增大了節(jié)流孔的通道截面積，減小了阻尼力，從而達(dá)到了隨汽車載荷的變化而改變減震器阻力的目的。對油液的節(jié)流作用使減震器產(chǎn)生伸張運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼作用，而減震器的彈力是伸張閥大于流通閥，孔徑是伸張閥小于流通閥，綜上所述，伸張行程的阻尼力大于壓縮行程的阻尼力。在運(yùn)動(dòng)模式或者過彎工況及時(shí)增大阻尼，就能使車變得更硬朗；而在平直道路上，降低懸架阻尼能獲得更好的舒適性。抑制減震彈簧在吸收路面所帶來的各種沖擊之后產(chǎn)生的反復(fù)彈跳，以加速彈簧固有震動(dòng)的衰減，根據(jù)路況和行駛狀態(tài)自動(dòng)的為車輛提供更佳的駕駛平順性。

3 控制方法與試驗(yàn)

使用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為算法，以模糊控制為主體，應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)模糊控制的決策。以汽車平順性指標(biāo)NVH作為減震器的控制目標(biāo)參數(shù)，控制對象為車速、汽車振動(dòng)加速度、汽車重量。建立基于平順性指標(biāo)的模糊控制系統(tǒng)，并確定其模糊控制規(guī)則。建立表征NVH的方程：

NVH =f(x1,x2,…,xn) =S

(17)

其中：x1,x2,x3為影響NVH的變量；S為描述NVH狀態(tài)的參數(shù)，S= -2表示一級阻尼，S= -1表示二級阻尼，S=0表示三級阻尼，S=1表示四級阻尼，S=2表示五級。建立基于NVH預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖。

圖5是一個(gè)3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量是汽車行駛速度、汽車在垂直方向的振動(dòng)加速度以及汽車整車重量，它們分別用x1,x2,x3表示，而且不同的神經(jīng)元之間通過權(quán)系數(shù)相互聯(lián)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸出參數(shù)為NVH，表示汽車平順性指標(biāo)。最后，應(yīng)用誤差反向傳播算法(error back propagation，BP)的方法對網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖

在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，汽車平順性指標(biāo)NVH模糊論域值取為[-3，3]，而NVH正負(fù)變化的誤差變化率可用d(NVH) /dt表示，它的模糊論域也可以取值[-4，4]。模糊子集定義為{PB(正大)，PS(正小)，Z(零)，NS(負(fù)小)，NB(負(fù)大)}，然后根據(jù)以上分析構(gòu)建模糊規(guī)則表，即可求出汽車平順性指標(biāo)NVH的控制曲線圖[19]。

對裝有該懸架的車輛進(jìn)行了試驗(yàn)，讓車輛駛過單凸塊的時(shí)域信號，其中橫坐標(biāo)為歷經(jīng)時(shí)間，縱坐標(biāo)為垂直加速度信號，試驗(yàn)圖6所示。試驗(yàn)條件：汽車的單輪簧載質(zhì)量為241 kg，對應(yīng)的非簧載質(zhì)量111 kg，懸架彈簧剛度為87 kN/m，使用的輪胎的剛度為39882 kN/m，采集汽車質(zhì)心處的加速度信號。汽車以65 km/h速度直線駛過有單凸塊(凸塊幾何參數(shù)滿足國標(biāo)GB/T 12534與GB/T 4970-2009汽車平順性脈沖輸入試驗(yàn)規(guī)范要求：三角凸塊長度為40 cm，高度為60 cm，橫向?qū)挾葹?00 cm)的路面工況。分別記錄裝有被動(dòng)懸架的樣車通過該區(qū)域的車身振動(dòng)加速度信號。

圖6 懸架系統(tǒng)的垂直加速度響應(yīng)

由圖6為汽車駛過單凸塊過程中，車身垂直振動(dòng)加速度試驗(yàn)數(shù)值。從圖6可以得知，車身最大的加速度數(shù)值為40 m/s2,振動(dòng)量非常大。汽車懸架系統(tǒng)檢測到該信號之后，立刻對減振器阻尼進(jìn)行調(diào)控，在此過程中還需要考慮整車重量和車速信號，綜合以上信息按照預(yù)定的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行減震。從圖6的數(shù)值可知，峰值之后的振動(dòng)信號的衰減非常迅速，說明減震器控制效果良好，減震器減震效能佳。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種多級分段調(diào)節(jié)減振器阻尼的方法，利用節(jié)流閥處電磁閥，達(dá)到節(jié)流控制流量的目的。建立了數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)，開展了單凸塊的振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其控制效果。得出了以下結(jié)論：

1)多級減震器不需要消耗汽車太多的能源，節(jié)省了資源，對純電動(dòng)而言，有重要的節(jié)能意義；

2)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，技術(shù)要求低，不占用汽車太多的空間，維修成本低，保養(yǎng)比較容易；

3)有效解決了普通液力減震器內(nèi)的油液不能在兩個(gè)腔室內(nèi)快速轉(zhuǎn)換的問題，提高了舒適性和操縱性；

4)提高汽車的減震效果；

5)根據(jù)路況和行駛狀況自動(dòng)控制阻尼，具有較好的可靠性。

該減震器減震效果良好，為減震器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)方向，其生產(chǎn)和引用前景十分廣闊，預(yù)期會有顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。