分級調控式電磁閥半主動懸架控制策略研究

梁津，王印，曹洲，王羽

（陜西汽車控股集團有限責任公司技術中心，陜西 西安 710200）

前言

傳統的被動懸架，將其減振器的阻尼特性標定完成后，其節流孔徑等結構尺寸即確定，因此阻尼力曲線不會改變[1]。當車輛行駛于不同路況時，懸架系統阻尼力無法調整，阻尼特性無法適應不同路況始終處于最優值，因此存在一定不足[2]。

而電磁閥式半主動懸架，可以根據不同路況和要求調節電磁閥內可變節流孔面積，使得阻尼力連續可變，因此可以使懸架系統阻尼特性根據不同路況自適應調節，始終保持良好平順性[3]。

1 分級調控式電磁閥半主動懸架系統結構

分級調控式電磁閥半主動懸架系統，由傳統鋼板彈簧作為彈性元件，并兼有導向機構作用，后懸架還具有直推力桿、V型推力桿結構等零部件。懸架系統阻尼力由電磁閥減振器提供，另外還具有傳感器及控制器[4-5]。

1.1 電磁閥減振器結構

電磁閥減振器與傳統的雙向作用筒式減振器結構基本一致，均具有壓縮閥、伸張閥、流通閥、補償閥，以及活塞桿、活塞、油缸、防塵罩等，區別在于電磁閥減振器內部還集成有電磁閥結構。

電磁閥的工作原理為：根據安培定則，當電磁閥的電磁線圈通過電流時，在導線周圍的空間將產生圓形磁場，磁場的磁力吸引將會克服電磁閥內部壓力彈簧的彈力，從而帶動閥芯移動，以此改變節流孔徑。通過的電流越大，產生的磁場就越強，因此不同的輸入電流對應不同的電磁力大小，同時也對應不同的節流孔徑。通過對電磁閥輸入電流的控制，就可以利用電磁閥調節減振器的阻尼力。

1.2 控制系統結構

控制系統包括：信息采集類零部件、控制器ECU、支架與線束類零部件。

其中信息采集類零部件包括車身加速度傳感器、車橋加速度傳感器、電磁閥減振器溫度傳感器、車速傳感器，主要功能為采集整車運動信息及電磁閥減振器狀態，為控制策略的執行提供相關依據。

支架類包括線束支架、ECU控制器支架等，負責對線束進行固定，避免控制系統的線束在懸架跳動過程中與周邊零部件干涉，造成磨損損壞。

2 半車模型建立及路譜仿真

2.1 半車模型建立

一般情況下，左、右車輪接觸的道路區別不大，因此本文不考慮左、右輪接觸的路面差異造成的側傾影響，從而將整車模型建立為只研究單邊的4自由度半車模型，如下圖1所示：

圖1 4自由度半車模型

把簧載質量m2、轉動慣量Ic分解為前軸、后軸和質心上三個集中的質量m2f、m2r和m2c，他們的大小關系為：

式中，ρy為繞橫軸y的回轉半徑；a為質心距前軸距離；b為質心距后軸距離。由此可以得到三個集中質量的值為：

式中，m1f為前輪質量；m2f為后輪質量；ksf、cf為前懸架剛度、阻尼；ksr、cr為前懸架剛度、阻尼；cr為后懸架阻尼力阻尼力；x0f為前輪處路面不平度；x0r為后輪處路面不平度；x1f為前輪垂直位移；x1r為前輪垂直位移；θ為車身繞過質心水平橫軸的轉角。

式中，m1f為前輪質量；m2f為后輪質量；ksf、cf為前懸架剛度、阻尼；ksr、cr為前懸架剛度、阻尼；cr為后懸架阻尼力阻尼力；x0f為前輪處路面不平度；x0r為后輪處路面不平度；x1f為前輪垂直位移；x1r為前輪垂直位移；θ為車身繞過質心水平橫軸的轉角。

2.2 仿真分析

為對某重型牽引車進行不同隨機路面輸入條件下車身加速度均方根值仿真，根據上文建立的半車模型，搭建matlab/simulink仿真模型，如下圖2所示：

圖2 仿真模型

該matlab/simulink仿真模型以路面不平度作為隨機路面輸入模型的振動輸入，路面不平度的取值依照GB/T 7031《機械振動 道路路面譜測量數據報告》中相關數據。重型牽引車的主要行駛工況為良好路面條件，因此振動輸入分別取B級、C級、D級路面不平度相關參數，對某重型牽引車簧載質量加速度進行仿真分析，仿真結果如下圖3所示。

圖3 簧載質量加速度

某重型牽引車簧載質量加速度均方根值如下表1所示。

表1 某重型牽引車在不同路面等級下簧載質量加速度均方根值表單位：m/s2

3 分級調控式電磁閥半主動懸架控制策略

分級調控式電磁閥半主動懸架的控制策略為：將電磁閥減振器劃分為多級的工作模式，不同工作模式對應不同的輸入電流大小，不同的輸入電流控制著不同的電磁閥節流孔開度，以此實現不同工作模式下的減振器具有不同阻尼特性。

根據簧載質量加速度均方根值及電磁閥減振器相關參數對電磁閥式半主動懸架系統的工作模式進行初步劃分，影響其工作模式劃分的主要參數有：簧載質量加速度aj、車速vs、電磁閥線圈溫度Ts。

由于重型牽引車主要行駛路況較好，因此簧載質量加速度閾值aj0選擇0.3 m/s2，優于B級路面的簧載質量加速度均方根值，具有較好平順性。

通常車輛車速較低時，其簧載質量加速度也較小，通常具有較好平順性。而車輛車速較高時，懸架系統應優先保證操縱穩定性，因此需對車速vs進行劃分，在此初步定義低車速閾值vsL=10 km/h、高車速閾值為vsH=100 km/h。

減振器的使用溫度過高會損壞油封等橡膠件，造成減振器漏油、失效，因此需要對電磁閥減振器本體進行溫度檢測。通過對電磁閥線圈溫度Ts的檢測判斷是否可以正常工作，電磁閥線圈溫度閾值Ts0=80 ℃。

由于實際路面會產生偶發性沖擊，導致車輛某一車輪處產生加速度峰值，因此為避免電磁閥減振器的工作模式頻繁切換，需要設定振動持續時間t的閾值t0，在此初步選定t0=2 s。

電磁閥減振器的工作模式定義如下表2所示：

表2 工作模式描述

分級調控式電磁閥半主動懸架的控制策略為：

4 結論

本文首先通過4自由度半車數學模型在matlab/simulink中搭建了仿真模型。然后在B級、C級、D級路面的隨機振動輸入條件下，仿真分析得到了某重型牽引車簧載質量加速度均方根值。并且定義了簧載質量加速度閾值aj0、低車速閾值vsL、高車速閾值vsH、電磁閥線圈溫度閾值Ts0、持續時間閾值t0等關鍵參數，最后進行了分級調控式電磁閥半主動懸架工作模式的劃分，完成控制策略制定，為后續樣件臺架試驗及實車道路試驗奠定了基礎。