電控懸架用可變阻尼減振器動(dòng)態(tài)特性研究

張博強(qiáng)，趙浩翰，馮天培，徐 浩

(1.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.宣城協(xié)盈汽車零部件科技有限公司，安徽 宣城 242000)

1 引言

汽車懸架系統(tǒng)電控減振技術(shù)可有效改善汽車的操穩(wěn)性，可變阻尼減振器因其優(yōu)良的變阻尼特性和減振性能在汽車電控懸架上具有良好的應(yīng)用前景［1］。

減振器的研究主要分為油液可控和閥口可控兩大類［2］，目前電磁閥式和磁流變液式可變阻尼減振器出于其優(yōu)良的減振特性逐漸取代了雙筒減振器，磁流變液減振器具有響應(yīng)迅速能耗小等優(yōu)良特點(diǎn)［3］，但是由于其昂貴的成本多用于高級(jí)車系中，所以電磁閥式可變阻尼減振器結(jié)合汽車懸架形成常規(guī)半主動(dòng)懸架的應(yīng)用更為普及。文獻(xiàn)［4］中設(shè)計(jì)了一種新型的電磁閥式減振器，并且通過建立復(fù)原和壓縮行程中的數(shù)學(xué)模型和液壓模型，對(duì)減振器的外特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［5-6］中以仿真和臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比的方式對(duì)減振器的外特性進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

在汽車的懸架系統(tǒng)中，電控懸架在自適應(yīng)魯棒控制、模糊控制等一系列不同的控制方式下懸架的減振性能會(huì)得到明顯的改善［7］。2自由度1/4車輛懸架模型作為最簡(jiǎn)單的研究模型，國(guó)內(nèi)外研究人員通常在1/4車輛懸架模型中將減振器用簡(jiǎn)易彈簧模型代替來對(duì)車輛懸架減振性能和優(yōu)化控制進(jìn)行研究。我們?cè)谝陨涎芯康幕A(chǔ)上對(duì)減振器進(jìn)行精確化建模，進(jìn)行汽車懸架減振性能的研究和仿真模型的驗(yàn)證。采用可變阻尼減振器、1/4車輛被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和C級(jí)路面的仿真模型相結(jié)合的方法，在對(duì)可變阻尼減振器實(shí)體模型精確建模的基礎(chǔ)上研究懸架減振能力，驗(yàn)證了懸架仿真模型的正確性。

2 減振器的力學(xué)特性分析和控制原理

2.1 復(fù)原行程中力學(xué)模型的建立

根據(jù)復(fù)原行程下減振器內(nèi)的油液流動(dòng)路徑，建立油液流動(dòng)的流體力學(xué)［8］模型為：

式中：Q—在復(fù)原行程下，活塞上移時(shí)上腔產(chǎn)生的油液流量(L/min)；

V—活塞移動(dòng)的速度(m/s)；A1—活塞腔的橫截面積(m2)；

A2—活塞桿的橫截面積(m2)，計(jì)算過程中忽略油液的可壓縮性以及油液在流動(dòng)過程中的沿程損失與局部損失。

活塞上腔的油液流量為流經(jīng)復(fù)原閥流量與流經(jīng)電磁閥流量之和，即：

式中：Qf—油液流經(jīng)復(fù)原閥的流量(L/min)；

QEf—油液流經(jīng)電磁閥的流量(L/min)。

減振器閥口流通孔長(zhǎng)度L與孔徑d的關(guān)系為：

L/d≤0.5

該流通孔可以視為薄壁小孔，由流體力學(xué)可知，復(fù)原行程中流經(jīng)復(fù)原閥與電磁閥的流量為：

式中：Cd—小孔流量系數(shù)，由試驗(yàn)得到取值范圍為(0.61～0.62)(無量綱)；As—復(fù)原閥閥口面積(m2)；ρ—液壓油密度；Pu—活塞上腔壓力(MPa)；Pd—活塞下腔壓力(MPa)。

式中：Ae—電磁閥開度(m2)；Pc—儲(chǔ)油腔壓力(MPa)；Pz—中間腔壓力(MPa)。

將式(3)和(4)代入式(2)有：

將式(5)代入式(1)得復(fù)原行程的工作缸壓力差為：

因?yàn)镕=PA，有背壓時(shí)F=P1A1±P2A2，可得復(fù)原行程產(chǎn)生的阻尼力為：

式中：A2—活塞桿橫截面積(m2)

壓縮行程與復(fù)原行程中的計(jì)算原理相同，此處不再贅述。

2.2 減振器控制原理

閥控式可變阻尼減振器的控制由先導(dǎo)式溢流電磁閥作用，在不同電流的作用下電磁閥中可變節(jié)流孔的開度大小不同，油液流量產(chǎn)生的阻尼力大小也隨之改變。在給定電磁閥一定的電流大小的條件下，研究不同速度下的阻尼力值大小得出減振器的工況。

3 可變阻尼減振器建模仿真與驗(yàn)證

3.1 可變阻尼減振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過拆解某高端乘用車減振器實(shí)物可知，如圖1所示。該減振器主要由三部分結(jié)構(gòu)組成：活塞閥系、底閥系和電磁閥系。活塞閥系包括：流通閥片、復(fù)原閥片和閥座；底閥系包括：補(bǔ)償閥片、壓縮閥片和閥座；電磁閥(旁路閥)系包括：主閥、恒定節(jié)流孔、彈簧元件和先導(dǎo)腔等元件。

圖1 可變阻尼減振器實(shí)體圖Fig.1 Solid Diagram of Variable Damping Shock Absorber

3.2 可變阻尼減振器的仿真研究

實(shí)測(cè)后的減振器參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of The Simulation Model

利用多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)建模AMESim仿真軟件進(jìn)行建模［9］，模型中分別模擬了減振器的三腔四閥結(jié)構(gòu)，其中先導(dǎo)式電磁閥部分用PID信號(hào)源進(jìn)行控制，建立的可變阻尼減振器仿真模型，如圖2所示。

圖2 AMESim減振器仿真模型Fig.2 AMESim Shock Absorber Simulation Model

圖中：A—油液特性；B—激勵(lì)輸入；C—活塞腔；D—活塞閥系；E—底閥系；F—電磁閥系。

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)研究

參考國(guó)家汽車行業(yè)減振器臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)QC/T545，在該標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行可變阻尼減振器特性試驗(yàn)研究［10］。采用正弦激勵(lì)方式［11］：

式中：V—減振器內(nèi)活塞運(yùn)行速度(m/s)；

n—正弦輸入頻率；

S—減振器行程(mm)。

表2 激勵(lì)參數(shù)Tab.2 Excitation Parameters

試驗(yàn)硬件參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

表3 試驗(yàn)硬件參數(shù)Tab.3 Test Hardware Parameters

測(cè)試試驗(yàn)如下：通過控制臺(tái)施加激勵(lì)并拾取響應(yīng)，設(shè)置激振行程為40mm，固定正弦輸入。給定電磁閥輸入電流1.8A、電壓12.3V、激振速度為0.05m/s-1.00m/s。臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，如圖3所示。

圖3 臺(tái)架示功試驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Indicator Power Test Bench

3.4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過仿真與試驗(yàn)在輸入設(shè)定的參數(shù)的條件下，仿真與實(shí)驗(yàn)得出的示功特性曲線圖，如圖4所示。

通過臺(tái)架試驗(yàn)和AMESim仿真研究，最后得出了可變阻尼減振器外特性的研究結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的力值大小在誤差范圍內(nèi)基本相符，最大誤差為15.6%，示功圖線形飽滿而且沒有空程畸變現(xiàn)象。由以上分析可以說明AMESim所建減振器模型的精確性，同時(shí)得出該模型可用于研究車輛1/4半主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架對(duì)于車輛的減振效果。

4 基于1/4車輛懸架模型的仿真研究

汽車被動(dòng)懸架因不能根據(jù)路況來調(diào)節(jié)阻尼大小，使汽車的操縱穩(wěn)定性較差，逐漸被半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架取代［12］。而汽車主動(dòng)懸架成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且耗能大，多應(yīng)用于高級(jí)轎車［13］。半主動(dòng)懸架因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擁有與主動(dòng)懸架相近的性能，應(yīng)用廣泛。

將對(duì)被動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架做對(duì)比研究，依據(jù)國(guó)產(chǎn)某車型的懸架系統(tǒng)建模分析，所需參數(shù)如表4所示。

表4 懸架系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.4 Main Parameters of Suspension System

4.1 1/4汽車懸架的動(dòng)力學(xué)仿真模型建立

根據(jù)車輛懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將車身懸架部分劃分為多種自由度，文中所研究的汽車懸架的振動(dòng)方向均為z軸垂向，在被動(dòng)懸架的研究中建立了2自由度1/4車輛懸架仿真模型，如圖5所示。

圖5 1/4車輛被動(dòng)懸架模型Fig.5 1/4 Vehicle Passive Suspension Model

在可變阻尼減振器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了半主動(dòng)空氣懸架模型，模型中分別加入了空氣彈簧、車身、輪胎和路面信號(hào)激勵(lì)等子模型，建立的仿真模型，如圖6所示。

圖6 1/4車輛半主動(dòng)懸架仿真模型Fig.6 Simulation Model of 1/4 Vehicle Semi-Active Suspension

4.2 懸架的控制策略

PID控制具有運(yùn)算量小，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，所以在可變阻尼減振器空氣懸架中采用PID控制。PID控制器由比例單元，積分單元和微分單元組成，其原理公式如下：

式中：e(t)—系統(tǒng)誤差；Kp—比例系數(shù)；Ki—積分系數(shù)；Kd—微分系數(shù)；u(t)—控制器的輸出力。

將PID控制器作用于懸架的減振系統(tǒng)中，然后在該控制器的控制下進(jìn)一步研究?jī)煞N不同懸架的減振器性能。

4.3 不同路面信號(hào)源激勵(lì)下懸架性能對(duì)比

路面的好壞程度會(huì)影響懸架的性能。在下列研究中應(yīng)用白噪聲發(fā)生源，搭建了車輛速度20m/s的C級(jí)路面激勵(lì)模型和路面激勵(lì)信號(hào)［14］，如圖7所示。

圖7 C級(jí)路面激勵(lì)模型、信號(hào)示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Excitation Model and Signal of C-Grade Road Surface

將隨機(jī)路面信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)傳輸?shù)奖粍?dòng)懸架和半主動(dòng)懸架中，通過對(duì)比時(shí)域內(nèi)車身的速度、位移和加速度幅值，可以得出兩種懸架的減振能力，仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖8 車身垂向速度、位移、加速度時(shí)域響應(yīng)對(duì)比曲線、及車身垂向加速度功率譜密度對(duì)比示意圖Fig.8 Comparison Curve of Time-Domain Response of Vehicle Vertical Velocity，Displacement and Acceleration and the Body Vertical Acceleration Power Spectrum Density Comparison Diagram

通過對(duì)比車身加速度的功率譜密度可以說明在頻域內(nèi)不同懸架振動(dòng)能量的差別，如圖8(d)所示。

由圖8可得：時(shí)域內(nèi)輸入C級(jí)路面激勵(lì)得出的車身和簧下質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，半主動(dòng)懸架車輛車身垂向的位移、速度和加速度的幅值均比被動(dòng)懸架的低。在車身縱向加速度的功率譜密度對(duì)比中，被動(dòng)懸架密度值0.63(W/Hz)，半主動(dòng)懸架密度值0.25(W/Hz)。

5 結(jié)論

利用可變阻尼減振器、1/4車輛被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和C級(jí)路面的仿真模型相結(jié)合的方法，對(duì)可變阻尼減振器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)通過分析可變阻尼減振器的實(shí)際構(gòu)造、工作原理和內(nèi)部的油液流動(dòng)情況等機(jī)理，建立了可變阻尼減振器的仿真模型，與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了可變阻尼減振器模型以及參數(shù)的正確性。(2)在C級(jí)路面激勵(lì)下，半主動(dòng)懸架車身振動(dòng)的幅值低于被動(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架的功率譜密度值較被動(dòng)懸架低，有效得出了建立的仿真模型的準(zhǔn)確性。(3)研究結(jié)果對(duì)可變阻尼減振器的應(yīng)用以及懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了可靠的理論依據(jù)和研究方法，降低了調(diào)試和開發(fā)難度。