天棚慣容控制半主動(dòng)懸架的性能分析

張孝良, 何 海, 聶佳梅, 陳 龍

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

半主動(dòng)懸架[1]可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)懸架剛度或阻尼,其性能優(yōu)于被動(dòng)懸架,成本比主動(dòng)懸架低得多,是今后懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[2].剛度調(diào)節(jié)可以通過(guò)空氣彈簧或油氣彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn),然而,由于汽車(chē)彈性元件需承載車(chē)身的載荷,因此,實(shí)施剛度控制比阻尼控制困難得多.目前,在汽車(chē)半主動(dòng)懸架研究中,對(duì)阻尼控制的研究較多[3-4].不論是阻尼還是剛度可調(diào)的半主動(dòng)懸架,與傳統(tǒng)被動(dòng)懸架一樣,都基于經(jīng)典隔振理論建立在“彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)體系之上,這限制了懸架性能的進(jìn)一步提高.

文獻(xiàn)[5]基于機(jī)電相似理論提出慣容器的概念并設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)裝置.慣容器的出現(xiàn)及“慣容-彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)新體系的提出,擺脫了懸架技術(shù)發(fā)展固有觀(guān)念的束縛,突破了基于經(jīng)典隔振理論的“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系對(duì)懸架性能進(jìn)一步提高的瓶頸制約,為懸架技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)[6-7].

天棚阻尼控制是較早提出的一種半主動(dòng)懸架控制方法.由于天棚阻尼控制算法簡(jiǎn)單,且能夠有效提高車(chē)輛的行駛平順性,因此是目前研究最多,也是應(yīng)用最多的控制方法[8-9].然而,天棚阻尼控制沒(méi)有從根本上解決懸架空載、滿(mǎn)載偏頻隨載荷變化這一問(wèn)題,無(wú)法使車(chē)輛在空滿(mǎn)、滿(mǎn)載時(shí)都具有較好的平順性[10].

筆者提出一種連續(xù)可調(diào)慣容器裝置,基于“慣容-彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)新體系,發(fā)展一種慣容連續(xù)調(diào)節(jié)的半主動(dòng)懸架.慣容調(diào)節(jié)是繼半主動(dòng)懸架剛度與阻尼調(diào)節(jié)之后的第3種調(diào)節(jié)方式.基于連續(xù)可調(diào)慣容裝置提出一種天棚慣容控制方法,以半主動(dòng)的方式模擬實(shí)現(xiàn)理想天棚慣容,其控制效果相當(dāng)于增大了簧載質(zhì)量,降低空載狀態(tài)下的車(chē)身偏頻,提高空載狀態(tài)下車(chē)輛的行駛平順性,使車(chē)輛具有更好的空滿(mǎn)、滿(mǎn)載適應(yīng)能力.同時(shí),針對(duì)連續(xù)可調(diào)慣容器裝置產(chǎn)生的寄生阻尼問(wèn)題,通過(guò)建立天棚慣容半主動(dòng)懸架的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,研究寄生阻尼對(duì)懸架性能的影響.

1 液力式連續(xù)可調(diào)慣容器

提出的液力式連續(xù)可調(diào)慣容器裝置如圖1所示,包括液壓缸和慣容調(diào)節(jié)閥.慣容調(diào)節(jié)閥閥體具有2個(gè)直徑不同的內(nèi)圓面,分別為大內(nèi)圓面和小內(nèi)圓面.閥芯的外表面與閥體的小內(nèi)圓面相配合將閥體分為左右2個(gè)腔,閥芯的外表面上設(shè)有螺旋通道,將左右2個(gè)腔連通.缸筒和閥體左右兩端各設(shè)有1個(gè)開(kāi)口,開(kāi)口之間由液壓管連接.當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí),螺旋通道的長(zhǎng)度隨著閥芯的運(yùn)動(dòng)而變化,螺旋通道中液體的質(zhì)量相應(yīng)變化,由此實(shí)現(xiàn)慣容連續(xù)可調(diào).

圖1 液力式連續(xù)可調(diào)慣容器

對(duì)于液壓缸,設(shè)S1為活塞的有效橫截面積,z為活塞相對(duì)于缸筒的位移.對(duì)于慣容調(diào)節(jié)閥,A1為閥芯的有效橫截面積,A2為半圓形螺旋槽的橫截面積,x為閥芯與閥體的相對(duì)位移,l(x)為螺旋通道的長(zhǎng)度,ρ為液體的密度,u為螺旋通道中液體的平均速度，R為閥芯半徑,r為活塞桿半徑,rh為螺旋槽的半徑,Ph為螺旋槽的螺距,w為閥芯的寬度.閥芯的實(shí)際工作寬度與形成的螺旋通道的長(zhǎng)度線(xiàn)性相關(guān),若選擇閥體的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),則閥芯的工作寬度為w/2-x, 顯然,閥芯必須運(yùn)行于-w/2和w/2之間,即x∈[-w/2,w/2].

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的定慣容液力慣容器假設(shè)條件與建模推導(dǎo)過(guò)程,當(dāng)閥芯相對(duì)于閥體運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí),設(shè)此時(shí)閥芯與閥體的相對(duì)位移為x,由體積守恒可得

(1)

螺旋通道中液體儲(chǔ)存的能量為

(2)

由于活塞桿和活塞的慣性通常遠(yuǎn)小于慣容器表現(xiàn)出的慣性,因此,在不考慮活塞桿與活塞慣性的情況下,液力慣容器儲(chǔ)存的動(dòng)能就等于螺旋通道中液體儲(chǔ)存的動(dòng)能,即

(3)

由式(1),(3)可計(jì)算得到連續(xù)可調(diào)慣容裝置的慣容系數(shù)為

(4)

取S1=A1,可調(diào)慣容系數(shù)又可表示為

(5)

由于液體的黏度,液力式連續(xù)可調(diào)慣容器會(huì)產(chǎn)生寄生阻尼.考慮到寄生阻尼建模和后續(xù)懸架建模及仿真的復(fù)雜度,為簡(jiǎn)化模型,認(rèn)為螺旋通道中液體流動(dòng)狀態(tài)為層流狀態(tài),也就是雷諾數(shù)(Re)小于2×103.根據(jù)哈根-泊肅葉層流方程可得

(6)

式中:μ為油液的黏度;Δp為液體流過(guò)螺旋通道時(shí)產(chǎn)生的壓力損失.

因此,連續(xù)可調(diào)慣容裝置的寄生阻尼系數(shù)為

(7)

式(7)還可以表示為

(8)

從式(5),(8)可以看出,B(x),cp(x)均為關(guān)于x的函數(shù),而且寄生阻尼系數(shù)與可調(diào)慣容系數(shù)存在如下關(guān)系:

(9)

式中α為阻尼慣容比.

式(9)表明,阻尼慣容比α與μ,ρ,rh有關(guān).液力式連續(xù)可調(diào)慣容器裝置的參數(shù):閥芯半徑R為0.05 m;閥體活塞桿半徑r為0.006 m;螺旋槽半徑rh為0.008 m;螺距Ph為0.04 m;活塞寬度w為0.12 m;液壓缸活塞半徑Rc為0.05 m;液壓缸活塞桿半徑rc為0.006 m.

2 天棚慣容的半主動(dòng)實(shí)現(xiàn)

天棚慣容的模擬實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示.

傳統(tǒng)懸架空載時(shí)的1/4車(chē)輛模型(圖2a)的動(dòng)力學(xué)方程為

(10)

式中:m1為非簧載質(zhì)量;m2為簧載質(zhì)量;c為減振器阻尼系數(shù);k為彈簧剛度;kt為輪胎剛度;z0為路面位移;z1為非簧載質(zhì)量位移;z2為簧載質(zhì)量位移.

傳統(tǒng)懸架滿(mǎn)載時(shí)的1/4車(chē)輛模型(圖2b)的動(dòng)力學(xué)方程為

(11)

式中mc為運(yùn)載質(zhì)量.

理想天棚慣容懸架(圖2c)的動(dòng)力學(xué)方程為

(12)

式中bsky為天棚慣容系數(shù).

圖2 天棚慣容的模擬實(shí)現(xiàn)方式

天棚慣容的設(shè)計(jì)思想是將慣容器裝在慣性參考系與簧載質(zhì)量之間,天棚慣容直接控制簧載質(zhì)量的絕對(duì)加速度,而與車(chē)輪的絕對(duì)加速度無(wú)關(guān).因此,天棚慣容可以有效抵消一部分簧載質(zhì)量的加速度,提高車(chē)輛的平順性.當(dāng)bsky=mc時(shí),式(11)和式(12)完全相同,也就是,理想天棚慣容懸架可以看作為滿(mǎn)載時(shí)的傳統(tǒng)懸架,因此,天棚慣容相當(dāng)于只增加了車(chē)輛的簧載質(zhì)量,但不會(huì)增加非簧載質(zhì)量.這有利于降低車(chē)身固有頻率,提高車(chē)輛的平順性,同時(shí)不會(huì)使非簧載質(zhì)量的振動(dòng)狀況惡化.

天棚慣容要求慣容器與慣性參考系相連,但在車(chē)輛懸架系統(tǒng)中,慣容器不可能與慣性參考系相連,這使得天棚慣容不能被真實(shí)地實(shí)現(xiàn).以半主動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)的天棚慣容懸架Sa(圖2d)的動(dòng)力學(xué)方程為

(13)

令阻尼系數(shù)c=0,即去掉減震器,對(duì)圖2d天棚慣容懸架Sa進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的天棚慣容懸架Sb如圖3所示.

在理想天棚慣容懸架中,天棚慣容對(duì)簧載質(zhì)量施加一個(gè)與其加速度方向相反的慣性力：

(14)

圖3 簡(jiǎn)化后的天棚慣容懸架Sb

在天棚慣容懸架Sa和Sb中,可調(diào)慣容器對(duì)m2施加的作用力包括慣性力和寄生阻尼力,合力為

(15)

由式(9)可知,式(15)還可表示為

(16)

當(dāng)用可調(diào)慣容器模擬實(shí)現(xiàn)理想天棚慣容時(shí)F=Fs,即

(17)

由式(17)可知,天棚慣容控制的慣容系數(shù)調(diào)節(jié)律為

(18)

(19)

3 天棚慣容懸架建模與分析

傳統(tǒng)懸架空載時(shí),簧載質(zhì)量m2=500.0 kg,傳統(tǒng)懸架滿(mǎn)載時(shí),簧載質(zhì)量m2+mc=1 500.0 kg.為保持空滿(mǎn)、滿(mǎn)載時(shí)的車(chē)身偏頻基本不變,當(dāng)車(chē)輛處于空載狀態(tài)時(shí),采用天棚慣容控制方法模擬傳統(tǒng)懸架滿(mǎn)載時(shí)的情況,此時(shí),天棚慣容懸架Sa,Sb均為空載,其簧載質(zhì)量m2=500.0 kg,bsky=1 000.0 kg.傳統(tǒng)懸架和天棚慣容懸架Sa的彈簧剛度k、阻尼系數(shù)c、非簧載質(zhì)量m1、輪胎剛度kt均相等,對(duì)天棚慣容懸架Sa,Sb中的可調(diào)慣容器均取阻尼慣容比α=0.25 N·s·m-1·kg-1.

在Matlab/Simulink中搭建傳統(tǒng)懸架和天棚慣容Sa,Sb懸架系統(tǒng)的1/4車(chē)輛模型,并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比分析.仿真采用某型軍用越野車(chē)的后懸參數(shù)：非簧載質(zhì)量m1為122.5 kg；簧載質(zhì)量空載時(shí),m2為500.0 kg；簧載質(zhì)量滿(mǎn)載時(shí),m2為1 500.0 kg；天棚慣容系數(shù)bsky為1 000.0 kg；輪胎剛度kt為584.0 kN·m-1；主彈簧剛度k為77.9 kN·m-1；阻尼系數(shù)c為3 kN·s·m-1.

圖4 車(chē)身加速度均方根值對(duì)比方案1

圖5 懸架動(dòng)行程均方根值對(duì)比方案1

圖6 輪胎動(dòng)載荷均方根值對(duì)比方案1

從圖4可以看出：傳統(tǒng)懸架空載時(shí)車(chē)身偏頻為1.88 Hz,滿(mǎn)載時(shí)車(chē)身偏頻為1.06 Hz,傳統(tǒng)懸架空滿(mǎn)、滿(mǎn)載時(shí)車(chē)身偏頻變化較大；空載時(shí)車(chē)身加速度均方根值的低頻峰值比滿(mǎn)載時(shí)高24.9%,說(shuō)明傳統(tǒng)懸架空載時(shí)平順性較差.

對(duì)于天棚慣容懸架Sa,從圖4可以看出： 車(chē)身偏頻為1.26 Hz,比傳統(tǒng)懸架空載時(shí)降低了33.0%,車(chē)身加速度均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載時(shí)減小了52.3%,天棚慣容懸架Sa有效提高了空載時(shí)車(chē)輛的行駛平順性.從圖5可以看出： 天棚慣容懸架Sa動(dòng)行程均方根值的低頻峰值與傳統(tǒng)懸架滿(mǎn)載時(shí)較為接近,這表明天棚慣容懸架Sa能夠充分利用懸架的工作行程空間.從圖6可以看出： 天棚慣容懸架Sa的輪胎動(dòng)載荷均方根值的低頻峰值比空載時(shí)的傳統(tǒng)懸架明顯減小,這說(shuō)明天棚慣容懸架Sa有利于提高空載時(shí)車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性.

對(duì)于天棚慣容懸架Sb,從圖4可以看出： 天棚慣容懸架Sb車(chē)身偏頻為1.12 Hz,比傳統(tǒng)懸架空載時(shí)降低了40.4%,但車(chē)身加速度均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載時(shí)增加了157.2%,天棚慣容懸架Sb車(chē)輛行駛平順性出現(xiàn)嚴(yán)重惡化.從圖5可以看出： 天棚慣容懸架Sb動(dòng)行程均方根值低頻峰值大于滿(mǎn)載時(shí)的傳統(tǒng)懸架,這說(shuō)明天棚慣容懸架Sb比滿(mǎn)載時(shí)的傳統(tǒng)懸架更容易撞擊限位塊.從圖6可以看出： 天棚慣容懸架Sb輪胎動(dòng)載荷均方根值低頻峰值比傳統(tǒng)懸架空載和滿(mǎn)載時(shí)的都大,這說(shuō)明天棚慣容懸架Sb的車(chē)輛行駛穩(wěn)定性出現(xiàn)了惡化.

因此,與傳統(tǒng)懸架相比,天棚慣容懸架Sa能夠確保高頻性能沒(méi)有明顯惡化的前提下,大幅改善低頻性能,整體上提高空載時(shí)的車(chē)輛行駛平順性.然而,天棚慣容懸架Sb由于缺少阻尼元件,同時(shí)寄生阻尼又不能夠提供足夠的阻尼力,因此出現(xiàn)了性能惡化的情況.

4 寄生阻尼對(duì)懸架性能影響分析

對(duì)于天棚慣容懸架Sa,為了研究液力連續(xù)可調(diào)慣容裝置中寄生阻尼對(duì)懸架性能的影響,通過(guò)選取不同油液及結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法得到3種寄生阻尼特性的可調(diào)慣容器,對(duì)應(yīng)的天棚慣容懸架分別為Sa1,Sa2,Sa3,如表1所示.將天棚慣容懸架Sa1,Sa2,Sa3與傳統(tǒng)懸架空載時(shí)的性能進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7-9及表2所示.

表1 對(duì)應(yīng)3種不同寄生阻尼特性的可調(diào)慣容裝置參數(shù)

圖7 車(chē)身加速度均方根值對(duì)比方案2

圖8 懸架動(dòng)行程均方根值對(duì)比方案2

圖9 輪胎動(dòng)載荷均方根值對(duì)比方案2

懸架類(lèi)型車(chē)身加速度均方根值/(m·s-2)懸架動(dòng)行程均方根值/m輪胎動(dòng)載荷均方根值/kN傳統(tǒng)懸架(空載)2.399 80.013 41.226 8Sa11.144 10.015 90.790 8Sa21.361 00.013 60.833 8Sa31.660 00.012 20.926 0

從圖7-9及表2可以看出： 天棚慣容懸架Sa1,Sa2,Sa3車(chē)身加速度均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載時(shí)分別減小了52.3%,43.3%,30.8%;輪胎動(dòng)載荷均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載分別減小了35.5%,32.0%,24.5%;懸架動(dòng)行程均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載分別增加18.7%,1.5%和降低了9.0%.可見(jiàn),α值越小,即寄生阻尼與慣容系數(shù)的比值越小,天棚慣容懸架Sa低頻性能改善越明顯,越有利于提高空載時(shí)車(chē)輛的行駛平順性及充分利用懸架的工作行程空間.需要說(shuō)明的是,盡管輪胎動(dòng)載荷均方根值高頻峰值略有惡化,但對(duì)車(chē)輛行駛穩(wěn)定性的影響有限.

5 結(jié) 論

1) 基于連續(xù)可調(diào)慣容裝置提出了一種天棚慣容控制方法,以半主動(dòng)的方式模擬實(shí)現(xiàn)了天棚慣容,其控制效果相當(dāng)于增大了簧載質(zhì)量,降低了車(chē)身偏頻,提高了車(chē)輛在空載狀態(tài)時(shí)的行駛平順性,使車(chē)輛具有更好的空滿(mǎn)、滿(mǎn)載適應(yīng)能力.盡管文中是針對(duì)空載狀態(tài)進(jìn)行控制研究,但從增大簧載質(zhì)量、降低車(chē)身偏頻的角度考慮,天棚慣容控制方法也能提高半載乃至非滿(mǎn)載時(shí)的行駛平順性.

2) 天棚慣容懸架Sa能夠有效提高空載時(shí)的車(chē)輛行駛平順性,并且寄生阻尼與慣容系數(shù)的比值越小,即油液黏度越小或油液密度、螺旋槽半徑越大,越有利于提高車(chē)輛的行駛平順性.

3) 天棚慣容懸架Sb出現(xiàn)了性能惡化的情況,不利于車(chē)輛行駛平順性的提高,說(shuō)明可調(diào)慣容器寄生阻尼不能夠提供足夠的阻尼力,因此,需要獨(dú)立的阻尼元件提供阻尼力.

4) 為簡(jiǎn)化模型,在對(duì)連續(xù)可調(diào)慣容器進(jìn)行建模時(shí),忽略了一些次要因素,并理想地認(rèn)為流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流.在后續(xù)的工作中,研究團(tuán)隊(duì)將研制連續(xù)可調(diào)慣容器樣機(jī),通過(guò)試驗(yàn)建立精確的慣容器及其寄生阻尼流體模型,深入研究流體的沿程阻力、局部阻力及流動(dòng)特性對(duì)天棚慣容半主動(dòng)懸架的影響.