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

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，江蘇 無(wú)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)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(guò)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(huì)極大地降低減震器的減震效果。半主動(dòng)懸架可以通過(guò)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(mén)打開(kāi)的面積，把阻尼的改變分為軟、硬和適中三個(gè)等級(jí)，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(jiǎn)單的半主動(dòng)懸架三級(jí)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(duì)這一問(wèn)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(jí)分段調(diào)節(jié)，從根本上解決問(wèn)題。

1 模型的建立

通過(guò)對(duì)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(kāi)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(kāi)閥前的速度特性直線的斜率；k2為最大開(kāi)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(kāi)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(kāi)閥阻尼系數(shù)Cd2為:

(7)

式中,Vk1和Vk2分別為減震器首次開(kāi)閥速度和最大開(kāi)閥速度;Fdk1和Fdk2分別為減震器在首次和最大開(kāi)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(kāi)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(kāi)閥速度和最大開(kāi)閥速度，可求得減震器復(fù)原行程的首次開(kāi)閥阻尼力Fdk1和最大開(kāi)閥阻尼力Fdk2,以及壓縮行程的首次開(kāi)閥阻尼力Fdk1y和最大開(kāi)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(duì)應(yīng)的阻尼比，ξoc=0.1748；ξos為懸架系統(tǒng)最安全所對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(mén)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(kāi)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(kāi)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(kāi)的液壓流通通道的橫截面積小于壓縮閥門(mén)打開(kāi)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(guò)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(kāi)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(duì)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(guò)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(lái)的各種沖擊之后產(chǎn)生的反復(fù)彈跳，以加速?gòu)椈晒逃姓饎?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(duì)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(jí)阻尼，S= -1表示二級(jí)阻尼，S=0表示三級(jí)阻尼，S=1表示四級(jí)阻尼，S=2表示五級(jí)。建立基于NVH預(yù)測(cè)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(guò)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(duì)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(duì)裝有該懸架的車輛進(jìn)行了試驗(yàn)，讓車輛駛過(guò)單凸塊的時(shí)域信號(hào)，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(hào)，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(duì)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(hào)。汽車以65 km/h速度直線駛過(guò)有單凸塊(凸塊幾何參數(shù)滿足國(guó)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(zhǎng)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(guò)該區(qū)域的車身振動(dòng)加速度信號(hào)。

圖6 懸架系統(tǒng)的垂直加速度響應(yīng)

由圖6為汽車駛過(guò)單凸塊過(guò)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(cè)到該信號(hào)之后，立刻對(duì)減振器阻尼進(jìn)行調(diào)控，在此過(guò)程中還需要考慮整車重量和車速信號(hào)，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(hào)的衰減非常迅速，說(shuō)明減震器控制效果良好，減震器減震效能佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種多級(jí)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(kāi)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(jí)減震器不需要消耗汽車太多的能源，節(jié)省了資源，對(duì)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(jiǎn)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(wèn)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(huì)有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。