CN100361834C - 多轮耦联有源消扭悬架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特别适合于行驶在不平路面上的汽车多轮耦联有源消扭悬架。包括分别设置在各个车轮上的支撑车身的液压或气压或油气弹簧及两端连接车轮与车身的感知其弹簧高度误差的行程传感器、动力泵、储油箱或储气罐，各个液压或气压弹簧之缸体分别通过电磁控制阀与动力泵及储油箱或储气罐管路连通，还包括一中央控制器，各行程传感器与中央控制器的输入端电联接，各个电磁控制阀均与中央控制器的输出端电联接，中央控制器根据各行程传感器反馈的各个弹簧的高度误差信号e_i经消扭减倾矩阵控制软件运算后，给各个弹簧的电磁控制阀发出整合高度误差指令ui，以分别控制各弹簧的高度。可实现改善车轮对不平路面的附着，减轻车身扭转负荷和倾角。

Description

多轮耦联有源消扭悬架

技术领域

本发明涉及高度可调的汽车悬架技术，特别是适合于行驶在不平路面上的汽车多轮耦联有源消扭悬架。

背景技术

目前多数空气悬架和油气悬架都设有高度控制阀，以保证当汽车的载荷变化时保持汽车的悬架高度。

通常的悬架高度控制系统的作用，主要是保持汽车悬架高度不随载荷与路面的不平而变化，图1是常规油气弹簧悬架单元用的高度电磁控制系统的基本结构。油气弹簧2和行程传感器4的上端都固定在车身上，油气弹簧的活塞杆及传感器4的下端都与车轮相连，油气弹簧2之缸体分别通过电磁控制阀1与油泵5及储油箱管路连通。

其工作原理是：

图1中Z表示车身高度的增量，q表示车轮高度的增量，H_N为设定的弹簧高度，H为实际的瞬间弹簧高度，e＝H_N-H为弹簧高度误差；

1、当e＝0时，高度阀处于闭锁的标准状态，油路9与7及8隔断。油气弹簧处于平衡状态。

2、当车轮载荷增加，e＞0时，油气弹簧通过关7向管9充油。弹簧与行程传感器4伸长；电磁线圈的磁力拉下阀芯1b，使回油路8保持关闭，而油泵来的高压油路7与油气弹簧油路9连通，油气弹簧伸长，e减小逐渐回零.

3、当e＜0时，油气弹簧通过管8向油箱回油，弹簧与行程传感器4缩短；电磁线圈的磁力向上推阀芯1b，使油泵来的高压油路7关闭而回油路8与油气弹簧油路9连通，油气弹簧高度下降，e减小逐渐回零.

图2是常见空气悬架单元用的高度电磁控制系统的基本结构。其结构原理与图1之结构相同，仅仅是以空气弹簧2′代替油气弹簧、以气泵和储气罐5′、6′代替油泵和油箱。其控制原理与图1的油气弹簧控制系统相同。

图3是一种已有技术的液压弹簧悬架高度控制系统，它与图1的油气弹簧悬架高度控制系统基本相同，所不同处只在于图1中油气弹簧中是用气体(通常是氮气)作为弹性元件，而图3中的液压弹簧2″是使用金属弹簧(图中是螺旋弹簧)作为弹性元件。其高度控制原理与图1的有关叙述完全相同。

通常汽车的高度控制系统设有三至四个高度阀，每一个高度阀都是针对某一个弹簧悬架行程来实施控制，使汽车车身在该点处保持一定高度。由于各个弹簧是处于单独控制，不能实现对车身的消扭。

发明内容

本发明的目的是提出一种多轮耦联有源消扭悬架，实现改善车轮对不平路面的附着，减轻车身扭转负荷和倾角，并减轻不平路面对汽车的颠簸的功能。

本发明多轮耦联有源消扭悬架，包括分别设置在各个车轮上的支撑车身的液压或气压或油气弹簧及两端连接车轮与车身的感知其弹簧高度误差的行程传感器、动力泵、储油箱或储气罐，各个液压或气压弹簧之缸体分别通过电磁控制阀与动力泵及储油箱或储气罐管路连通，其特征在于还包括一由微处理器(CPU)构成的中央控制器，各行程传感器与中央控制器的输入端电联接，控制各个液压或气压弹簧的电磁控制阀均与中央控制器的输出端电联接，中央控制器根据各行程传感器反馈的各个弹簧的高度误差信号e_i经消扭减倾矩阵控制软件运算后，给各个弹簧的电磁控制阀发出整合高度误差指令ui，即当：ui＞0时，使弹簧高度不断增长，ui＜0时，使弹簧高度不断下降，至ui＝0时弹簧达到标准高度为止，据此分别控制各弹簧的高度。

所述的液压或气压弹簧为4个时，其所述的中央控制器的消扭减倾矩阵控制软件按以下算法编制，给各个弹簧的电磁控制阀发出整合高度误差指令以控制各弹簧的高度：

u₁＝0.5e₁+0.25e₂+0e₃+0.25e₄

u₂＝0.25e₁+0.5e₂+0.25e₃+0e₄

u₃＝0e₁+0.25e₂+0.5e₃+0.25e₄

u₄＝0.25e₁+0e₂+0.25e₃+0.5e₄

式中：e₁、e₂、e₃、e₄分别为前左、前右、后右、后左各弹簧的高度误差，

u₁、u₂、u₃、u₄为中央控制器分别向前左、前右、后右、后左各弹簧下达的整合高度误差指令。

所述的液压或气压弹簧为4个以上时，按前左、前右、后右、后左分为4组，每组中的各个弹簧之缸体并连在一个电磁控制阀上，其所述的中央控制器的消扭减倾矩阵控制软件按以下算法编制，给各个弹簧的电磁控制阀发出整合高度误差指令以控制各弹簧的高度：₁

u₁＝0.5E₁+0.25E₂+0E₃+0.25E₄

u₂＝0.25E₁+0.5E₂+0.25E₃+0E₄

u₃＝0E₁+0.25E₂+0.5e₃+0.25E₄

u₄＝0.25E₁+0E₂+0.25E₃+0.5E₄

式中：

E₁＝(e₁₁+e₁₂+...+e_1n)/n

E₂＝(e₂₁+e₂₂+...+e_2n)/n

E₃＝(e₃₁+e₃₂+...+e_3n′)/n′

E₄＝(e₄₁+e₄₂+...+e_4n′)/n′

其中：e₁₁、e₁₂、...e_1n为前左组中各弹簧的高度误差信号；

e₂₁、e₂₂、...e_2n为前右组中各弹簧的高度误差信号；

n为前左组或前右组中弹簧的个数；

e₃₁、e₃₂、...e_3n′为后右组中各弹簧的高度误差信号；

e₄₁、e₄₂、...e_4n′为后左组中各弹簧的高度误差信号；

n′为后右组或后左组中弹簧的个数。

本发明的工作原理如下：

本发明提出的全耦高度控制系统，其工作原理与通常系统不同之处，可以图4来说明。

图4(a)是通常“单点高度控制(单输入-单输出)”系统的原理图．图4(b)是本发明提出的“全多点耦联高度控制(多输入-多输出)”系统的原理图。图4(a)是通常第i个单轮的悬架高度独立控制的系统，其中q_i，Z_i是该点的车轮与车身高度，e_i＝q_i-Z_i是该悬架的高度误差，u_i是该高度阀的控制量，这些都是标量.而图4(b)中都是维数与轮数相同的矢量，

是4维矢量。

对于四轮车辆，令q₁，q₂，q₃，q₄，是四个车轮高度变化输入，Z₁，Z₂，Z₃，Z₄是四个支撑车身高度变化输出，控制量u₁，u₂，u₃，u₄，都是各弹簧高度误差e₁，e₂，e₃，e₄线性叠加(通过矩阵[W]相耦联)的结果.S是拉氏算子，T为时间常数.在稳态条件下有如下关系

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_1\\ Z_2\\ Z_3\\ Z_4\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccc}{W}_{11}& W_{12}& W_{13}& W_{14}\\ W_{21}& W_{22}& W_{23}& W_{24}\\ W_{31}& W_{32}& W_{33}& W_{34}\\ W_{41}& W_{42}& W_{43}& W_{44}\end{array}\right]\·\left\{\begin{array}{c}{q}_1\\ q_2\\ q_3\\ q_4\end{array}\right\}---\left(1\right)$

选择耦联矩阵[W]的各元素W_ij可优化汽车车轮对不平路面的附着，减轻车身扭转负荷和倾角，并减轻不平路面对汽车的颠簸.

例如可选取

$\left[\begin{array}{cccc}{W}_{11}& W_{12}& W_{13}& W_{14}\\ W_{21}& W_{22}& W_{23}& W_{24}\\ W_{31}& W_{32}& W_{33}& W_{34}\\ W_{41}& W_{42}& W_{43}& W_{44}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1/2& 1/4& 0& 1/4\\ 1/4& 1/2& 1/4& 0\\ 0& 1/4& 1/2& 1/4\\ 1/4& 0& 1/4& 1/2\end{array}\right]---\left(2\right)$

这时有

Z₁＝W₁₁q₁+W₁₂q₂+W₁₃q₃+W₁₄q₄＝0.5q₁+0.25q₂+0q₃+0.25q₄    (3)

Z₂＝W₂₁q₁+W₂₂q₂+W₂₃q₃+W₂₄q₄＝0.25q₁+0.5q₂+0.25q₃+0q₄    (4)

Z₃＝W₃₁q₁+W₃₂q₂+W₃₃q₃+W₃₄q₄＝0q₁+0.25q₂+0.5q₃+0.25q₄    (5)

Z₁＝W₄₁q₁+W₄₂q₂+W₄₃q₃+W₁₄q₄＝0.25q₁+0q₂+0.25q₃+0.5q₄    (6)

考察车轮各运动模态：

车轮平均垂直位移q_a＝(q₁+q₂+q₃+q₄)/4                    (7)

车轮平均纵倾位移γ_q＝[(q₁+q₂)/2-(q₃+q₄)/2]/1           (8)

车轮平均侧倾位移_q＝[(q₁+q₄)/2-(q₂+q₃)/2]/B           (9)

车轮平均扭转位移τ_q＝[(q₁-q₂)+(q₃-q₄)]/B               (10)

此时，车身的相应位移的控制结果可由(3)-(10)式求得：

车身平均垂直位移Z_a＝(Z₁+Z₂+Z₃+Z₄)/4＝q_a                (11)

车身平均纵倾位移γ_Z＝[(Z₁+Z₂)/2-(Z₃+Z₄)/2]/1＝γ_q/2    (12)

车身平均侧倾位移_Z＝[(Z₁+Z₄)/2-(Z₂+Z₃)/2]/B＝_q/2    (13)

车身平均扭转位移τ_Z＝[(Z₁-Z₂)+(Z₃-Z₄)]/B＝0            (14)

由(7)-(14)式说明，由(2)式确定的耦联矩阵进行高度控制的汽车，当控制达到稳态时可获得(汽车低速运动时可接近)如下特殊控制性能：

1)在不平路面上，车身的平均高度位移与各轮独立控制时相同；

2)在不平路面上，车身的平均纵倾位移为各轮独立控制时的一半；

3)在不平路面上，车身的平均侧倾位移为各轮独立控制时的一半；

4)在任何不平路面上，车身的扭转位移为零，即车身不受扭矩。

本发明提出的全耦高度控制系统的结构特点在于设有一个由微处理器(CPU)构成的中央处理器，其.输入端分别与各悬架高度传感器相连，感知各悬架高度误差信号e_i，输出端分别与各高度控制阀相连.发出控制指令ui，

所说的消扭减倾矩阵控制软件按如下公式实现：

u₁＝0.5e₁+0.25e₂+0e₃+0.25e₄    (15)

u₂＝0.25e₁+0.5e₂+0.25e₃+0e₄    (16)

u₃＝0e₁+0.25e₂+0.5e₃+0.25e₄    (17)

u₄＝0.25e₁+0e₂+0.25e₃+0.5e₄    (18)

即{u}＝[w]{e}

其中[w]由耦联矩阵式(2)确定；按此方法进行高度控制的汽车，可获得上述消除车身扭转和减小车身倾斜的特殊控制性能，故称之为“消扭减倾矩阵”。

对于四轮以上的多轮车辆，可将所有悬架弹簧分为前左，前右，后右，后左四组.前左，前右均有n个车轮和弹簧；后右，后左均有n′个车轮和弹簧，.每个车轮和车身间设有一个行程传感器感知其弹簧高度误差e₁₁，e₁₂，…e_1n，e₂₁，e₂₂，…e_2n，e₃₁，e₃₂，…e_3n′和e₄₁，e₄₂，…e_4n′，前左和前右的n个悬架弹簧通过管路并连在一个电磁控制阀上；后右和后左的n′个悬架弹簧各用管路将互相连通成为一组并公用一个电磁控制阀(共有四个电磁控制阀).令E₁，E₂，E₃，E₄为各组悬架高度的平均误差，它们与各弹簧高度误差之间满足如下关系：

E₁＝(e₁₁+e₁₂+…+e_1n)/n    (19)

E₂＝(e₂₁+e₂₂+…+e_2n)/n    (20)

E₃＝(e₃₁+e₃₂+…+e_3n′)/n′(21)

E₄＝(e₄₁+e₄₂+…+e_4n′)/n′(22)

本发明提出的多轮耦联有源消扭悬架，是靠悬架高度控制来实现“消扭作用”。由于各个弹簧高度控制阀都不仅由单个车轮与车身的距离来控制其所对应的单个弹簧高度，而是让所有各个车轮与车身的距离都通过权系数矩阵参与对各个高度控制阀的耦联控制，可实现改善车轮对不平路面的附着，减轻车身扭转负荷和倾角，并减轻不平路面对汽车的颠簸。该悬架无附加大尺寸的结构件，整车布置容易实现.附加成本较低，可以减小汽车在不平路面上车身的纵倾角与侧倾角。

附图说明

图1是常规油气弹簧悬架单元结构示意图；

图2是常规空气弹簧悬架单元结构示意图；

图3是常规液压弹簧悬架单元结构示意图；

图4(a)是单输入-单输出高度控制系统示意图；

图4(b)是多输入全耦高度控制系统示意图；

图5是本发明四轮汽车油气弹簧耦联有源消扭悬架结构示意图；

图6是本发明四轮汽车空气弹簧耦联有源消扭悬架结构示意图；

图7是本发明四轮汽车液压弹簧消耦联有源扭悬架结构示意图；

图8是本发明多轮(12轮)汽车耦联耦联有源消扭悬架结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明多轮耦联有源消扭悬架结构作进一步详细说明。

实施例1

参照图5，一种采用油气弹簧作为弹性元件组成的四轮汽车耦联消有源扭悬架，包括分别设置在4个车轮上的支撑车身的4个油气弹簧2及4个两端连接车轮与车身的感知其弹簧2高度误差的行程传感器4、油泵5、储油箱6，各个油气弹簧2之缸体分别通过电磁控制阀1与油泵5及储油箱6管路连通，还包括一由微处理(CPU)构成的中央控制器3，各行程传感器4与中央控制器3的输入端电联接，控制各个油气弹簧2的电磁控制阀1均与中央控制器3的输出端电联接，中央控制器3根据各行程传感器4反馈的各个弹簧2的高度误差信号e_i经消扭减倾矩阵控制软件运算后，给各个弹簧2的电磁控制阀1发出整合高度误差指令ui，据此分别控制各弹簧2的高度。

其所述的中央控制器3的消扭减倾矩阵控制软件按以下算法编制：

u₁＝0.5e₁+0.25e₂+0e₃+0.25e₄

u₂＝0.25e₁+0.5e₂+0.25e₃+0e₄

u₃＝0e₁+0.25e₂+0.5e₃+0.25e₄

u₄＝0.25e₁+0e₂+0.25e₃+0.5e₄

式中：e₁、e₂、e₃、e₄分别为前左、前右、后右、后左各弹簧的高度误差，

u₁、u₂、u₃、u₄为中央控制器3分别向前左、前右、后右、后左各弹簧2下达的整合高度误差指令。

即：

当ui＝0时，该悬架的进油(气)阀与排油(气)阀均关闭，该组悬架弹簧处于标准高度状态。

当ui＞0时，弹簧的进油(气)阀打开，排油(气)阀关闭，该组悬架弹簧充油(气)，高度不断增长，ui不断减小直至ui＝0弹簧达到标准高度为止。

当ui＜0时，弹簧的排油(气)阀打开，进油(气)阀关闭，该组悬架弹簧排油(气)，高度不断下降，ui不断增长直至ui＝0弹簧达到标准高度为止。

实施例2

参照图6，一种采用空气弹簧作为弹性元件组成的四轮汽车耦联有源消扭悬架，只要将实施例1(即图5)中的控制介质由油改为空气，油泵5与油箱6代以气泵5’与储气罐6’，油气弹簧2代以空气弹簧2’即可，其控制系统与图5相同.

实施例3

参照图7，一种采用液压弹簧作为弹性元件组成的四轮汽车耦联有源消扭悬架，只要将图5中的弹性元件油气弹簧2改为液压弹簧2″即可，其控制系统与图5相同。

实施例4

参照图8，一种采用油气弹簧作为弹性元件组成的12轮汽车耦联有源消扭悬架，包括分别设置在12个车轮上的支撑车身的12个油气弹簧2及12个两端连接车轮与车身的感知其弹簧2高度误差的行程传感器4、油泵5、储油箱6，是将全部12个弹簧按前左、前右、后右、后左分为4组，每组中的3个弹簧之缸体并连在一个电磁控制阀1上，各电磁控制阀1与油泵5及储油箱6管路连通，还包括一由微处理(CPU)构成的中央控制器3，各行程传感器4与中央控制器3的输入端电联接，控制各个油气弹簧2的电磁控制阀1均与中央控制器3的输出端电联接，其所述的中央控制器3的消扭减倾矩阵控制软件按以下算法编制，给各个弹簧2的电磁控制阀1发出整合高度误差指令以控制各弹簧2的高度：₁

u₁＝0.5E₁+0.25E₂+0E₃+0.25E₄

u₂＝0.25E₁+0.5E₂+0.25E₃+0E₄

u₃＝0E₁+0.25E₂+0.5e₃+0.25E₄

u₄＝0.25E₁+0E₂+0.25E₃+0.5E₄

式中：

E₁＝(e₁₁+e₁₂+e₁₃)/3

E₂＝(e₂₁+e₂₂+e₂₃)/3

E₃＝(e₃₁+e₃₂+e_33′)/3

E₄＝(e₄₁+e₄₂+e_43′)/3

其中：e₁₁、e₁₂、e₁₃为前左组中各弹簧的高度误差信号；

e₂₁、e₂₂、e₂₃为前右组中各弹簧的高度误差信号；

e₃₁、e₃₂、e_33′为后右组中各弹簧的高度误差信号；

e₄₁、e₄₂、e_43′为后左组中各弹簧的高度误差信号。

Claims (2)

1.一种多轮耦联有源消扭悬架，包括分别设置在各个车轮上的支撑车身的液压或气压或油气弹簧(2)及两端连接车轮与车身的感知其弹簧(2)高度误差的行程传感器(4)、动力泵(5)、储油箱或储气罐，各个液压或气压或油气弹簧(2)之缸体分别通过电磁控制阀(1)与动力泵(5)及储油箱或储气罐管路连通，其特征在于还包括一由微处理器构成的中央控制器(3)，各行程传感器(4)与中央控制器(3)的输入端电联接，控制各个弹簧(2)的电磁控制阀(1)均与中央控制器(3)的输出端电联接，中央控制器(3)根据各行程传感器(4)反馈的各个弹簧(2)的高度误差信号e_i经消扭减倾矩阵控制软件运算后，给各个弹簧(2)的电磁控制阀(1)发出整合高度误差指令u_i，即当：u_i＞0时，使弹簧高度不断增长，u_i＜0时，使弹簧高度不断下降，至u_i＝0时弹簧达到标准高度为止，据此分别控制各弹簧(2)的高度；其中所述的液压或气压或油气弹簧(2)为4个，所述的中央控制器(3)的消扭减倾矩阵控制软件按以下算法编制，给各个弹簧(2)的电磁控制阀(1)发出整合高度误差指令以控制各弹簧(2)的高度：

u₁＝0.5e₁+0.25e₂+0e₃+0.25e₄

u₂＝0.25e₁+0.5e₂+0.25e₃+0e₄

u₃＝0e₁+0.25e₂+0.5e₃+0.25e₄

u₄＝0.25e₁+0e₂+0.25e₃+0.5e₄

式中：e₁、e₂、e₃、e₄分别为前左、前右、后右、后左各弹簧的高度误差，

u₁、u₂、u₃、u₄为中央控制器(3)分别向前左、前右、后右、后左各弹簧(2)下达的整合高度误差指令。

2.一种多轮耦联有源消扭悬架，包括分别设置在各个车轮上的支撑车身的液压或气压或油气弹簧(2)及两端连接车轮与车身的感知其弹簧(2)高度误差的行程传感器(4)、动力泵(5)、储油箱或储气罐，各个液压或气压或油气弹簧(2)之缸体分别通过电磁控制阀(1)与动力泵(5)及储油箱或储气罐管路连通，其特征在于还包括一由微处理器构成的中央控制器(3)，各行程传感器(4)与中央控制器(3)的输入端电联接，控制各个弹簧(2)的电磁控制阀(1)均与中央控制器(3)的输出端电联接，中央控制器(3)根据各行程传感器(4)反馈的各个弹簧(2)的高度误差信号e_i经消扭减倾矩阵控制软件运算后，给各个弹簧(2)的电磁控制阀(1)发出整合高度误差指令u_i，即当：u_i＞0时，使弹簧高度不断增长，u_i＜0时，使弹簧高度不断下降，至u_i＝0时弹簧达到标准高度为止，据此分别控制各弹簧(2)的高度；其中所述的液压或气压或油气弹簧(2)大于4个，按前左、前右、后右、后左分为4组，每组中的各个弹簧之缸体并连在一个电磁控制阀(1)上，所述的中央控制器(3)的消扭减倾矩阵控制软件按以下算法编制，给各个弹簧(2)的电磁控制阀(1)发出整合高度误差指令以控制各弹簧(2)的高度：

u₁＝0.5E₁+0.25E₂+0E₃+0.25E₄

u₂＝0.25E₁+0.5E₂+0.25E₃+0E₄

u₃＝0E₁+0.25E₂+0.5E₃+0.25E₄

u₄＝0.25E₁+0E₂+0.25E₃+0.5E₄

式中：

E₁＝(e₁₁+e₁₂+...+e_1n)/n

E₂＝(e₂₁+e₂₂+...+e_2n)/n

E₃＝(e₃₁+e₃₂+...+e_3n′)/n′

E₄＝(e₄₁+e₄₂+...+e_4n′)/n′

其中：e₁₁、e₁₂、...e_1n为前左组中各弹簧的高度误差信号；

e₂₁、e₂₂、...e_2n为前右组中各弹簧的高度误差信号；

n为前左组或前右组中弹簧的个数；

e₃₁、e₃₂、...e_3n′为后右组中各弹簧的高度误差信号；

e₄₁、e₄₂、...e_4n′为后左组中各弹簧的高度误差信号；

n′为后右组或后左组中弹簧的个数。

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