高度可調(diào)式抗側(cè)傾液壓互聯(lián)懸架建模及控制策略研究

趙賀雪， 張邦基， 張 農(nóng),2， 彭 鵬， 鄭敏毅

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410082; 2. 悉尼科技大學(xué) 工程與信息技術(shù)學(xué)院， 悉尼 NSW2007)

液壓互聯(lián)懸架(Hydraulically Interconnected Suspension，HIS)是一種油氣懸架，利用液壓油實(shí)現(xiàn)各車輪的動(dòng)力學(xué)互聯(lián)。國內(nèi)外學(xué)者對被動(dòng)液壓互聯(lián)懸架進(jìn)行了大量研究。Hawley[1]于1927年提出了減振器互聯(lián)的形式，并闡述了多輪之間可能存在的互聯(lián)方式；Wilde等[2]提出了一種被動(dòng)互聯(lián)懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)能平衡增大車身側(cè)傾剛度和消除扭轉(zhuǎn)之間的矛盾；Cao等[3-4]提出了X形互聯(lián)懸架，該懸架能同時(shí)提高車身側(cè)傾剛度和俯仰剛度；Zhang等[5-6]提出了裝有被動(dòng)液壓互聯(lián)懸架車輛的頻域分析方法；鄧兆祥[7]對一種抗側(cè)傾油氣懸架進(jìn)行了剛度分析；郭孔輝等[8]建立了油氣消扭懸架系統(tǒng)的模型，通過仿真和試驗(yàn)，結(jié)果表明油氣消扭懸架能夠減小車身的扭矩、輪荷偏載，提高車輪的接地性；王增全等[9]建立了液壓互聯(lián)懸架的非線性數(shù)學(xué)模型，基于該模型討論了初始充氣壓力、激勵(lì)頻率與初始相位差變化對懸架剛度特性的影響；汪若塵等[10]根據(jù)懸架約束最小化原理，提出了液壓互聯(lián)消扭懸架，通過仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，表明該懸架能夠控制車身姿態(tài)，提高了車輛的越野性能；Hong等[11]用模態(tài)能量法的理論，證明了液壓互聯(lián)懸架可以提高車輛的側(cè)傾剛度；丁飛等[12]提出了一種協(xié)調(diào)控制多驅(qū)動(dòng)軸貨車車體俯仰/垂向耦合振動(dòng)的新型液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)。

國內(nèi)外學(xué)者對半主動(dòng)/主動(dòng)液壓互聯(lián)懸架也做了一定研究。Crolla等[13]研究了一種農(nóng)用車輛的半主動(dòng)油氣懸架；Wang[14]基于模態(tài)能量法研究了液壓互聯(lián)懸架的主動(dòng)控制；邵欣欣等[15]設(shè)計(jì)了一種液壓互聯(lián)懸架模糊切換控制策略；Yao等[16]對液壓互聯(lián)懸架的多模式切換進(jìn)行了研究；曹旭陽等[17]針對半主動(dòng)連通式油氣懸架研究了精確反饋線性化控制。車輛高速行駛時(shí)，降低車身高度可以提高車輛的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性；車輛在較差路面上行駛時(shí)，提高車身高度可以改善車輛的通過性，但國內(nèi)外學(xué)者對液壓互聯(lián)懸架的高度調(diào)節(jié)研究較少。

本文提出一種能夠調(diào)節(jié)車身高度的抗側(cè)傾液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)，并對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用分層控制理論，對切換策略、切換閾值進(jìn)行研究。最后搭建聯(lián)合仿真系統(tǒng)，對切換過程、平順性、操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析。

1 高度可調(diào)式HIS結(jié)構(gòu)與原理

液壓互聯(lián)懸架由雙作用油缸、阻尼閥、蓄能器、油管等組成。油腔通過油管連接，可以根據(jù)懸架系統(tǒng)的需要來選擇合適的布置方式?？箓?cè)傾形式的液壓互聯(lián)懸架可以提高車輛的側(cè)傾剛度，提高車身姿態(tài)穩(wěn)定性，具有良好的實(shí)用價(jià)值。本文主要研究裝有抗側(cè)傾形式的液壓互聯(lián)懸架車輛的車身高度調(diào)節(jié)。被動(dòng)液壓互聯(lián)懸架的抗側(cè)傾布置形式為：四個(gè)雙作用油缸分別安裝在原車減震器附近處，左側(cè)油缸上腔與右側(cè)油缸下腔相連并匯于蓄能器，形成一個(gè)回路；左側(cè)油缸下腔與右側(cè)油缸上腔相連并匯于蓄能器，形成另一個(gè)回路。

液壓互聯(lián)懸架通過注油/放油，實(shí)現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié)。注油時(shí)，液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)內(nèi)的油壓升高，液壓缸作用于車身的力變大，車身向上移動(dòng)，螺旋彈簧/鋼板彈簧作用于車身的力變小，當(dāng)車身受力重新平衡時(shí)，車身高度調(diào)節(jié)結(jié)束；放油時(shí)，液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)內(nèi)的油壓降低，液壓缸作用于車身的力變小，車身向下移動(dòng)，螺旋彈簧/鋼板彈簧作用于車身的力變大，當(dāng)車身受力重新平衡時(shí)，車身高度調(diào)節(jié)結(jié)束。

被動(dòng)液壓互聯(lián)懸架只有一個(gè)蓄能器，注油時(shí)，液壓油會(huì)更進(jìn)一步擠壓蓄能器，使蓄能器氣體體積減小，進(jìn)入非線性更強(qiáng)的區(qū)域，垂向剛度增強(qiáng)，懸架變硬，舒適性降低。如果提供另外一個(gè)蓄能器，在高度調(diào)節(jié)時(shí)，通過閥系的切換，使兩種高度對應(yīng)各自的蓄能器，可以將高度調(diào)節(jié)過程中對垂向剛度的影響降至最低。實(shí)現(xiàn)車身高度低位和高位之間切換的工作原理如圖1。提高車身高度時(shí)，首先將可調(diào)溢流閥的溢流壓力調(diào)到HIS(Hydraulically Interconnected Suspension)系統(tǒng)高位工作時(shí)的高油壓，將電磁閥3、4、5、6切換到連通狀態(tài)，電磁閥1、2切換到截止?fàn)顟B(tài)，預(yù)充氣體體積大的蓄能器3、4和系統(tǒng)接通，然后注油單元工作，當(dāng)系統(tǒng)油壓達(dá)到溢流壓力后，注油單元停止工作，將電磁閥5、6切換到截止?fàn)顟B(tài)，高度調(diào)節(jié)完成；降低車身高度時(shí)，將可調(diào)溢流閥的溢流壓力調(diào)到HIS系統(tǒng)低位工作時(shí)的低油壓，電磁閥1、2、5、6切換到連通狀態(tài)，電磁閥3、4切換到截止?fàn)顟B(tài)，預(yù)充氣體體積小的蓄能器1、2和系統(tǒng)接通，當(dāng)系統(tǒng)油壓達(dá)到設(shè)計(jì)之后，將電磁閥5、6切換到截止?fàn)顟B(tài)，高度調(diào)節(jié)完成。

2 HIS系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

HIS系統(tǒng)參數(shù)直接影響車輛的性能，為取得良好的性能，需要對HIS系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化分析

本文所用的SUV車輛模型參數(shù)如表1所示。

當(dāng)車輛裝上HIS系統(tǒng)時(shí)，HIS系統(tǒng)和螺旋彈簧/鋼板彈簧共同提供垂向剛度。由于原車前后懸架的剛度值相差很小，即使前后油缸按同一尺寸設(shè)計(jì)，其前后高度調(diào)節(jié)的范圍也基本一致，故可以把前懸架的基本參數(shù)作為設(shè)計(jì)參考。

當(dāng)改裝后的車輛處于平衡位置時(shí)，改裝后的垂向總剛度(包括HIS提供的剛度kHIS和改裝后的彈簧剛度knew)應(yīng)和原車彈簧剛度ko相同。

ko=knew+kHIS

(1)

式中：設(shè)活塞缸的截面積為At；活塞桿的截面積為Ab；車輛處于低、中、高位對應(yīng)的蓄能器預(yù)充氣體體積分別為Vo1、Vo2、Vo3，蓄能器預(yù)充氣體壓力為Po；車輛處于低、中、高位時(shí)系統(tǒng)的工作壓力分別是P1、P2、P3；車輛側(cè)傾角為φ；蓄能器氣體多變指數(shù)為γ。當(dāng)系統(tǒng)分別處于低位、中位、高位模式時(shí)(i=1，2，3)，平衡狀態(tài)時(shí)蓄能器氣體體積為

(2)

表1 原車主要參數(shù)

液壓互聯(lián)懸架提供的垂向剛度為

(3)

液壓互聯(lián)懸架提供的側(cè)傾剛度kφi為

(4)

原車的側(cè)傾剛度kφ為

(5)

式中:kf為前懸剛度;kr為前橫向穩(wěn)定桿剛度。

液壓互聯(lián)懸架提供的側(cè)傾剛度與原車側(cè)傾剛度的比值為

(6)

低位模式時(shí)，為保證總的懸架剛度不變，新懸架剛度為

knew=ko-kHIS

(7)

新彈簧剛度與原彈簧剛度的比值為

(8)

中位、高位平衡時(shí)液壓互聯(lián)懸架提供的垂向剛度與低位平衡時(shí)液壓互聯(lián)懸架提供的垂向剛度的比值分別為

(9)

從低位切換到中位，從中位切換到高位高度變化分別為

(10)

兩次高度變化的比值為

(11)

總的高度切換范圍為

s=s1+s2

(12)

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

如果車身高度調(diào)節(jié)有低位、中位、高位三種模式，則需要三種不同參數(shù)的蓄能器，如果能用兩種蓄能器組合成三種等效蓄能器，不僅可以減少成本，還能提高系統(tǒng)的可靠性。車輛處于低位模式時(shí)，蓄能器1、2和系統(tǒng)相連；車輛處于中位模式時(shí)，蓄能器3、4和系統(tǒng)相連；車輛處于高位模式時(shí)，蓄能器1、2、3、4和系統(tǒng)相連。蓄能器的主要參數(shù)有預(yù)充氣體的體積和壓力，假定兩種蓄能器的預(yù)充氣體壓力相同，預(yù)充氣體體積不同。此外，車身高度的調(diào)節(jié)范圍設(shè)為0～0.08 m。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)可以設(shè)為

min{ΔV,Δs}

式中： ΔV=VO3-VO1-VO2；Δs=s-0.08

2.3 優(yōu)化約束條件和優(yōu)化變量

車輛在低位、中位、高位三種模式下，由于HIS系統(tǒng)參數(shù)不同，會(huì)影響液壓互聯(lián)懸架提供的垂向剛度和側(cè)傾剛度，需要滿足下列條件，即為優(yōu)化約束條件。

(1) 車輛在行駛過程中，應(yīng)當(dāng)保證車輛的姿態(tài)穩(wěn)定性，要求液壓互聯(lián)懸架提供的側(cè)傾剛度比原車側(cè)傾剛度提高50%以上，故ir1、ir2要大于0.5。

(2) 當(dāng)車身處于中位和高位時(shí)，車速較慢，且液壓互聯(lián)懸架提供了較大的側(cè)傾剛度，液壓互聯(lián)懸架提供的垂向剛度可以偏小一些，故ik1和ik2應(yīng)處于0.8～1.05。

(3) 車身從低位切換到中位和從中位切換到高位，高度變化應(yīng)基本是一致的，故is應(yīng)處于0.8～1.2。

(4) 安裝液壓互聯(lián)懸架后，原車螺旋彈簧/鋼板彈簧剛度要減小，為保證系統(tǒng)的安全性，螺旋彈簧/鋼板彈簧剛度不能過小，故ib應(yīng)處于0.4～0.6。

需要優(yōu)化的變量及其初始值、上限和下限，如表2所示。

表2 優(yōu)化變量

2.4 優(yōu)化結(jié)果

利用Isight軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果如表3。

表3 優(yōu)化結(jié)果

3 切換控制策略

車身高度有低位、中位、高位三種模式，需要對三種模式之間的切換策略進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，以保證切換時(shí)機(jī)和模式選擇能有效地滿足車輛行駛需求。

3.1 控制策略

高度調(diào)節(jié)控制采用分層結(jié)構(gòu)。第一層作為工況的判斷：根據(jù)傳感器信號，判斷車輛處于直線行駛工況還是轉(zhuǎn)向工況；第二層是在直線行駛工況和轉(zhuǎn)向工況下的懸架控制：只有在直線行駛工況下，才進(jìn)行車身高度調(diào)節(jié)，如果在高度調(diào)節(jié)過程中，進(jìn)入轉(zhuǎn)向工況，高度調(diào)節(jié)立即停止，直到退出轉(zhuǎn)向工況，高度調(diào)節(jié)繼續(xù)。此外，為了防止頻繁進(jìn)行模式切換，設(shè)置每種模式最少持續(xù)時(shí)間Tc，以確保在車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性[18]。各模式的切換判定邏輯如下：

(1) 低位模式的判定：當(dāng)車輛行駛速度u大于某一臨界速度u0，并持續(xù)Tc，可判斷車輛高速行駛在良好路面上，則進(jìn)入低位模式。

(2) 中位模式的判定：當(dāng)車輛行駛速度u小于某一臨界速度u0，同時(shí)懸架動(dòng)撓度的均方根值fd小于某一臨界值fd0，并持續(xù)Tc，可判斷車輛以正常速度行駛在較好路面，則進(jìn)入中位模式。

(3) 高位模式的判定：懸架動(dòng)撓度的均方根值fd大于某一臨界值fd0，并持續(xù)Tc，可判斷車輛行駛在較差路面上，則進(jìn)入高位模式。

(4) 轉(zhuǎn)向模式的判定：當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角δ大于某一臨界轉(zhuǎn)角δ0，則進(jìn)入轉(zhuǎn)向模式。

綜合以上分析，得到切換控制邏輯判斷表，如表4所示。

表4 切換控制邏輯判斷表

3.2 確定切換參數(shù)

3.2.1 臨界速度u0的確定

車輛以較高的速度在良好路面上行駛時(shí)，處于低位模式。在該工況下，風(fēng)阻會(huì)隨車速的增大快速增大，使車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性降低。為了降低風(fēng)阻，提高車輛的操縱穩(wěn)定性，將車身高度降低。故將空氣阻力Fw和滾動(dòng)阻力Ff基本一致時(shí)的速度作為臨界速度。

(13)

(14)

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車速；W為整車重力。該車參數(shù)為：W=20 800 N，CD=0.35，A=3 m2，f0=9.6×10-3，f1=2.8×10-3，f4=1.65×10-3。經(jīng)計(jì)算，臨界速度為85 km/h。

3.2.2 臨界動(dòng)撓度fd0的確定

車輛進(jìn)入高位模式是為了提高車輛的通過性。一般情況下，車輛行駛在E級以上的路面，當(dāng)車輛行駛在E級及以下路面時(shí)，車輛由中位模式切換到高位模式。用懸架動(dòng)撓度來表征路面狀態(tài)的變化，把處于中位模式的車輛以10 km/h的速度行駛在E級路面的懸架動(dòng)撓度的均方根值設(shè)為臨界動(dòng)撓度。仿真結(jié)果如表5。可知，將臨界動(dòng)撓度fd0設(shè)為0.014 7 m。

表5 懸架動(dòng)撓度

3.2.3 臨界前輪轉(zhuǎn)角δ0和持續(xù)時(shí)間Tc的確定

臨界前輪轉(zhuǎn)角δ0是對轉(zhuǎn)向工況的判定。按照駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)，直線行駛時(shí)，前輪轉(zhuǎn)角在5°以內(nèi)，故將臨界前輪轉(zhuǎn)角設(shè)為5°。國內(nèi)外對于每種模式最少持續(xù)時(shí)間尚未研究，持續(xù)時(shí)間Tc初步設(shè)為5 s。仿真分析時(shí)的仿真頻率為100 Hz，則5 s內(nèi)計(jì)數(shù)500次。

綜合以上描述，在Simulink/Stateflow中建立切換控制邏輯如圖2所示。

圖2 Stateflow切換控制模型

4 聯(lián)合仿真分析

本文利用CarSim整車模型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)整車參數(shù)建立整車模型；利用AMESim液壓元件庫，按照原理圖搭建液壓互聯(lián)懸架模型，如圖3所示。并結(jié)合Stateflow切換控制模型，建立整車聯(lián)合仿真模型，如圖4所示。

圖3 AMESim中液壓互聯(lián)懸架模型

4.1 切換過程仿真分析

為了檢驗(yàn)高度調(diào)節(jié)控制策略的正確性，需要設(shè)計(jì)特定的工況來驗(yàn)證。基于驗(yàn)證高度調(diào)節(jié)范圍和轉(zhuǎn)向時(shí)的安全性的考慮，本文設(shè)計(jì)了高速試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向試驗(yàn)兩種仿真工況。

4.1.1 高速試驗(yàn)仿真

車輛在良好的路面上直線行駛時(shí)，在中位模式和低位模式之間切換時(shí)，車速是切換的條件，由圖5可以看出車身高度的變化滿足設(shè)計(jì)要求。在切換過程中，由于車輛加速或減速會(huì)給車身提供加速度，導(dǎo)致質(zhì)心高度、車身俯仰角和車身側(cè)傾角有輕微的抖動(dòng)，但是基本不影響整車的姿態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 整車聯(lián)合仿真模型

4.1.2 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)仿真

由圖6可以看出在由低位模式切換到中位模式過程中，進(jìn)入轉(zhuǎn)向工況，高度調(diào)節(jié)被立即鎖止；退出轉(zhuǎn)向工況后，高度調(diào)節(jié)繼續(xù)進(jìn)行。

4.2 平順性仿真分析

參考車輛平順性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4970—2009)進(jìn)行隨機(jī)路面輸入試驗(yàn)，以簧載質(zhì)心處的3個(gè)軸向加速度作為評價(jià)指標(biāo)。

當(dāng)車身高度處于低位模式時(shí)，此時(shí)車輛主要行駛在高速公路上。車速為90 km/h，A級路面下的質(zhì)心處加速度值的仿真結(jié)果如圖7和表6所示。

(a)速度(b)質(zhì)心高度

(c)車身俯仰角(d)車身側(cè)傾角

圖5 低位和中位之間的切換 Fig.5 Switch between low and middle

圖6 高度調(diào)節(jié)過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向工況

Fig.6 Steering in the process of height adjustment

圖7 A級路面下質(zhì)心垂向加速度功率譜

Tab.6RmsofcentroidaccelerationatAlevelroad

m/s2

當(dāng)車身高度處于中位模式時(shí)，此時(shí)車輛行駛在一般路面上。車速為54 km/h，C級路面下的質(zhì)心處加速度值的仿真結(jié)果如圖8和表7所示。

當(dāng)車身高度處于高位模式時(shí)，車輛主要行駛在較差路面上。車速為15 km/h，E級路面下的質(zhì)心處加速度值的仿真結(jié)果如圖9和表8所示。

圖8 C級路面下質(zhì)心垂向加速度功率譜

Tab.7 Rms of centroid acceleration at C level road m/s2

圖9 E級路面下質(zhì)心垂向加速度功率譜

Tab.8 Rms of centroid acceleration at E level road m/s2

由圖7～圖9和表6～表8可以看出，在三種工況下，在某些頻率上，裝有HIS車輛的加速度功率譜略大于原車的加速度功率譜，但在某些頻率上，裝有HIS車輛的加速度功率譜小于原車的加速度功率譜；裝有HIS車輛質(zhì)心處加速度的總均方根值相對于原車分別變化+0.02%，+2.9%，-2.6%，由此可知，裝有HIS車輛的平順性基本和原車一致。

4.3 操縱穩(wěn)定性仿真分析

高速雙移線試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)車輛在高速狀態(tài)下緊急避讓或快速換道的能力，此時(shí)車輛處于低位模式，有助于提高車輛操穩(wěn)性。參考ISO中雙移線試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ISO 3888-1：1999)，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 車身側(cè)傾角對比曲線

圖11 原車的車輪載荷曲線

圖12 裝有HIS車輛的車輪載荷曲線

原車的最大側(cè)傾角度為1.927°，裝有HIS的車輛的最大側(cè)傾角度1.088°，和原車相比減小了43.5%。用車輪的接地性指數(shù)來評價(jià)車輪與地面的附著情況。車輪的接地性指數(shù)Ramin的定義為：車輪與路面間的最小垂向力ftmin與靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)垂向力fs的比值，即

(15)

根據(jù)式(15)，得到的車輛車輪接地性指數(shù)，如表9所示。

表9 車輪接地性指數(shù)

由表9可知，裝有HIS的車輛四輪的接地性指數(shù)均高于原車四輪的接地性指數(shù)。主要原因是液壓互聯(lián)懸架提高車輛的姿態(tài)穩(wěn)定性，改善了車輪的接地性。

5 結(jié) 論

(1) 本文提出一種具有高度調(diào)節(jié)功能的抗側(cè)傾液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)。通過優(yōu)化液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)參數(shù)，使車輛的垂向剛度基本不變，并對高度切換控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，使車身高度變化滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 裝有高度調(diào)節(jié)功能的液壓互聯(lián)懸架的車輛和原車相比，在不降低車輛平順性的前提下，實(shí)現(xiàn)了車身高度的低位、中位和高位調(diào)節(jié)，從而提高了車輛的通過性，同時(shí)改善了車輛的操縱穩(wěn)定性。

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