CN103507588A - 主动悬架系统中的驾驶性能优化 - Google Patents

Abstract

一种主动机动车悬架系统，包括主动阻尼机构，其可操作地耦接至机动车车轮并配置以响应控制信号控制应用于车轮的阻尼力。控制器，其可操作地耦接至阻尼机构并配置以响应于垂直向下的车轮速率向阻尼机构产生控制信号。

Description

主动悬架系统中的驾驶性能优化

技术领域

本发明的实施例涉及包含连续可变或多级悬架阻尼器的主动机动车悬架系统，以及控制该系统的方法。

背景技术

机动车可以包含主动或自适应悬架系统以主动地控制机动车车轮的垂直运动，而并不允许这种运动完全由与路面的相互作用决定。为了最大化这种机动车的驾驶舒适性，通常需要将机动车减震器中的阻尼水平保持在相对低值。

然而，当机动车车轮在路面上遭遇洼地（如坑洞）时，更低的阻尼水平允许车轮相对快速地落入坑洞。通常，车轮落入孔洞越深，车轮在驶出孔洞之前撞击孔洞远侧所产生的冲击力就越大。由于车轮阻尼水平在相对低值，这些冲击力通过机动车悬架传输至机动车的其余部分，对驾驶质量产生不利影响。

虽然提高车轮阻尼水平可以降低传输至机动车和悬架的冲击力，但这会对机动车行驶在正常、水平路面时的驾驶质量产生不利影响。因此，理想的是仅在遭遇坑洞时提高阻尼水平，同时在车轮行驶在水平路面时将阻尼水平保持在相对低值。

发明内容

本发明实施例的一方面提供了一种主动机动车悬架系统，包括可操作地耦接至机动车车轮的主动阻尼机构，其配置以响应控制信号控制应用于车轮的阻尼力。控制器可操作地耦接于阻尼机构，其配置以响应垂直向下方向的车轮速率向阻尼机构产生控制信号。

本发明实施例的另一方面提供了一种在主动悬架系统中控制应用于车轮的阻尼水平的方法。该方法包括以下步骤：确定被定义为在第一预定时间段车轮垂直位置变化率的速率；将速率与速率阈值对比；以及当速率大于速率阈值时，提高阻尼水平。

本发明实施例的另一方面提供了一种将阻尼力应用于向垂直向下方向运动的车轮的方法。该方法包括以下步骤：测量车轮在该方向上运动的时间，测量车轮在该方向上的速率；将时间与阈值对比并将速率与另一阈值对比；以及当时间未超过阈值并且速率超过另一阈值时，将最大可用阻尼力应用于车轮。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的适于执行阻尼力控制程序的部分主动机动车悬架系统的示意图；

图2为根据本发明一实施例的可根据阻尼力控制程序控制的示例性可调阻尼机构结构图；

图3为显示用于在主动阻尼机构中控制力的阻尼力控制程序流程的框图；

图4为显示在进入坑洞或其他路面洼地前沿路面运动的机动车车轮的框图；

图5为显示在进入坑洞或其他路面洼地后沿路面运动的机动车车轮的框图。

具体实施方式

图1示出了配置以控制由机动车悬架阻尼机构（如减震器）提供的阻尼力的部分主动机动车悬架系统（总体上指10）的一实施例的示意图。该主动机动车悬架系统包括这种可操作地与机动车相关车轮耦接的主动阻尼机构。这些阻尼机构配置以响应由计算机处理器产生的控制信号控制应用于车轮的阻尼力。计算机可以被合并入悬架系统控制器40，形成整体机动车系统控制系统（未图示）的一部分。

主动悬架系统10包含本文所述阻尼水平控制程序的一实施例，其可用于响应阻尼元件支撑的机动车车轮和车轮所滚动过的路面洼地之间的相互作用控制阻尼力。弹簧元件以及传统主动机动车悬架系统的其他各种元件也可包含在系统10中，但未在图1中示出。

在图1所示的实施例中，悬架系统10包括车轮位置传感器12（由12-1，12-2，12-3和12-4表示），其与各机动车车轮20-1、20-2、20-3、20-4中相应的一个耦接并与控制器40耦接。探测器12配置以探测相应机动车车轮的垂直位置（即沿垂直或通过车轮中心延伸的“y”-轴333的车轮运动分量）以及与车轮可相对其运动的参考位置相关的垂直位置。在一实施例中，参考位置为位于机动车底盘22上的位置。在一实施例中，通过微计算机30从传感器12连续接收代表车轮位置y的信号以通过以下方式处理。

在图1所示的实施例中，悬架系统10还包括可操作地耦接至传感器12的微计算机30，其配置以根据控制程序处理指示车轮位置的信号，以产生用于控制可操作地耦接至各车轮的可调阻尼机构的阻尼水平的控制信号。计算机30配置以确定车轮在其与路面相互作用时的垂直速率。在一实施例中，车轮垂直速率通过求车轮位置在预定时间段的时间导数（dy/dt）确定。在另一实施例中，车轮的垂直速率通过结合例如由加速计所提供的数值确定，该加速计配置以测量车轮在垂直方向的速率变化率。计算机30可以包括用于存储阻尼水平控制程序以及任何操作悬架系统所需的额外数据和程序的存储器。计算机30被合并入或可操作地耦接于悬架控制器40。

如有需要，一个或多个公知滤波器32（如带通滤波器）可以可操作地耦接至传感器12以通过公知方式过滤来自传感器信号的噪音成分。另外，预处理电路34可以在需要时可操作地耦接至传感器12，以将从传感器12接收的信号转换至适合计算机30处理的形式。如有需要，微计算机30产生的控制信号可以传输至驱动电路或后处理器36以转换至可调阻尼机构18所响应的形式。驱动电路可以配置以将接收的控制信号处理至适合操作例如液压驱动气缸、由电磁阀或电磁激励比例作用阀驱动的气缸、包含磁流变流体的气缸、或其他任何合适类型的主动气缸或减震器的形式。

计时元件50也可以合并入或可操作地耦接至控制器40。计时器50通过以下方式使用，以测量机动车车轮在其落入路面洼地时其垂直位置变化期间不同时间段的时长。

如有需要，传感器12和主动阻尼机构之间的接口所需的任何元件（如计算机30、滤波器32等）可以并入可操作地耦接至阻尼机构并配置以为阻尼机构产生控制信号的悬架控制器。如前所述，控制器通过接收传感器信号并向主动阻尼机构18产生适当的控制命令来控制阻尼水平调节器。

参考图1和2，悬架系统10包括可操作地耦接至机动车簧下质量和簧上质量之间各机动车车轮的可独立操作的主动阻尼机构18。耦接至各车轮的阻尼机构18可独立于耦接至其他车轮的阻尼机构18操作。

图2示出了可由控制器40控制以执行本文所述阻尼力控制程序实施例的可调阻尼机构的一详细结构。参考图1和2，每个阻尼机构18-1、18-2、18-3和18-4包括配备在机动车簧下质量和簧上质量之间的相关减震器。每个减震器包括液压气缸12，该气缸被活塞11细分为上液压油腔和下液压油腔并支承于机动车簧下质量上。活塞11的活塞杆13由机动车簧上质量承载。液压气缸12的上液压油腔和下液压油腔通过可变节流孔14相互连接。通过操作相关步进电机15控制可变节流孔14的开口尺寸以控制减震器的阻尼力。在图2所示的实施例中，在各可调阻尼机构18处，驱动步进电机15以控制相关可变节流孔14的尺寸从而控制可调阻尼机构18中减震器所提供的阻尼力。因此，在该实施例中，驱动电路36响应接收自计算机30的控制信号驱动每个步进电机15。液压气缸12的下液压油腔与配备用以吸收下液压油缸中由活塞杆14的运动导致的体积变化的相关气压弹簧单元16连接。

如前所述，根据本发明实施例的可调阻尼机构18可以包括例如液压驱动气缸、由电磁阀或电磁激励比例作用阀驱动的气缸、包含磁流变流体的气缸或者其他任何合适类型的气缸或减震器，以取代利用步进电机控制减震器的阻尼力的单元。然而，每个可调阻尼机构18可以是任何可被本文所述的方法和组件控制以调整应用于相关车轮的阻尼力并能够作出提供本文所述阻尼水平的变化所需的动态响应的已知类型。

在本发明的实施例中，计算机30设计以重复地执行图3流程图中所示的控制程序。因此，下文中将参考图3描述右侧前车轮处减弱车轮相对于车身的垂直运动的阻尼力控制。

假设已通过操作机动车的点火开关（未图示）使计算机30连接至电源（未图示），计算机30初始化图3的控制程序并反复执行该程序的处理步骤290-320。

图3示出了控制应用于机动车单个车轮20的阻尼水平的部分主动悬架系统的控制程序的实施例。应当理解，相同的控制程序可以响应各车轮所经历的路况而独立地应用于任何机动车车轮。

控制程序响应在车轮垂直位置时间变化率指示车轮可能遭遇坑洞或其他路面洼地时激活的协议而控制应用于车轮的阻尼力。在图4和5中，参数“y”表示车轮20沿垂直轴相对于预定参考位置（如底盘90上的位置）的当前位置，车轮可相对于该预定参考位置垂直运动，参数D表示应用于车轮的阻尼力水平。箭头“A”表示机动车沿路面902前行的方向。

在控制程序的框290中，参数y和D处于表示相关阻尼元件18在车轮20遭遇路坑或坑洞900之前状态的初始水平。图4还示出了在进入坑洞900之前沿路面902运动的车轮20。最初，车轮20沿道路902相对平坦的部分前行，调整悬架系统的元件以提供具有初始（即“正常”）参考值D1的阻尼水平D。初始值D1可以是在阻尼水平D可控设置范围内的任何所需值，这取决于具体悬架系统的具体特征和元件。本文所述的本发明的实施例中，初始阻尼水平D1设置以向车轮运动提供相对低的阻尼，由此提供相对“更柔和”的悬架以提高驾驶质量。另外，将车轮在其沿平坦路面前行时相对于参考位置的垂直位置y1定义为“0”值。

在图3中的框300，如图5所示，车轮20在道路902遭遇了相对洼地900，该洼地可以是或不是坑洞。由于该洼地900，道路支撑从车轮20移除并且车轮开始落入洼地。可操作地耦接至车轮的位置传感器12在车轮落入洼地时连续地探测车轮垂直位置“y”并将该位置传达至计算机30。

在如前所述的方法中，经过预定时间间隔Δt之后，新的、更低的车轮位置被计算机指派给变量y2。计算机30随后计算车轮在预定时间间隔Δt内在位置Δy1=y2-y1的时间变化率的绝对值（即计算机计算位置坐标y的时间导数（dy/dt））。所计算的车轮位置时间变化率指派给变量V，并且表示在时间Δt和车轮位置y2的车轮垂直方向的瞬时速率。为了调整应用于车轮的阻尼力，Δt值的预期范围包括小于10毫秒的值。在一特定实施例中，Δt值为2毫秒。Δt值的范围取决于所使用的悬架设计和组件的类型以及其他相关因素。然而，Δt值可以设置为任何所需值，这取决于具体应用的需要。如前所述，Δt的预定值可存储于例如计算机存储器的查找表中。通常，为了调整应用于车轮的阻尼力，理想的是时间间隔Δt尽可能地短，从而能够快速确定是否已超过阈值Th1以及，进一步地，是否需要快速连续测量车轮位置y。

在框302，将瞬时速率V的计算值与第一预定速率阈值Th1对比。如果V小于Th1，确认为“假”条件并且程序返回框290（即将阻尼水平D保持在初始参考值D1）。保持该阻尼水平直至车轮遭遇道路洼地。然而，如果V等于或超过Th1，则确认为“真”条件。将瞬时速率V满足或超过阈值Th1的事实作为车轮可能开始落入洼地900的指征。该条件的满足被认为是对车轮已遭遇潜在坑洞情形的确认，并且在确认后以非常短的时间间隔测量车轮位置“y”以监控车轮后续的向洼地中的下落（如果有）。“真”条件的出现表明刚测量的在经过时间Δt内的车轮位置变化（即车轮落入洼地运动的垂直分量的速度）足以证明可以初始化并激活计时器50以测量任何进一步的车轮位置变化期间所经过的时间。在这种情况下，程序进入框304。

本文所述的控制程序所用的预定速率阈值可以存储于，例如，计算机存储器中的查找表中。可通过计算和/或以实验反复确定各车轮构造和相关的主动悬架系统构造的预定速率阈值，并随后存储于计算机存储器中。以最小化对驾驶的有害影响并且最大化在实际的坑洞事件发生时及早探测到该事件的可能性为目的选择预定速率阈值。该值通常介于0.2米/秒至5米/秒之间。影响该值范围的因素包括悬架调校、机动车速度、机动车轮胎特点以及其他因素。不同速率阈值的范围可以基于从坑洞和无坑洞驾驶事件收集的数据。使用这种数据安排或“调校”悬架系统有利于快速探测实际的坑洞，并有助于最小化由于坑洞事件“假阳性”探测而引起的阻尼增加所导致的驾驶的消极影响。

在框304中，一旦确定了车轮可能遭遇坑洞事件，计时器设置为初始值T=0，并随后允许增加。

框305、306和308所形成的回路或子程序用于将在连续时间点上的车轮瞬时速率V与另一预定速率阈值Th2对比，直至（1）计时器数值T超过预定第一时间阈值T1，或者（2）车轮的瞬时速率V超过预定速率阈值Th2。在连续时间点上的瞬时速率仍旧通过求车轮垂直位置y的时间导数（dy/dt）计算，其中dt为任何两个连续时间点之间所经过的时间，其中车轮位置y在该时间测量，dy为车轮在时间dt期间下落的额外垂直距离。本文所述的实施例中，T1值的范围为0.001至0.100毫秒。时间阈值T1一般大于Δt值。T1的时间长度应足以根据在时间阈值T1内穿过速率阈值来从传感器噪音中区分实际的坑洞事件。时间阈值T1的范围可以基于从坑洞和无坑洞事件收集的数据。使用这种数据安排或“调校”悬架系统有利于快速探测实际的坑洞，并有助于最小化因坑洞事件的“假阳性”探测引起的阻尼增加导致的对驾驶的消极影响。

在框305中，将计时器在初始化后的读数T与第一预定时间阈值T1对比。如果计时器读数T大于T1值（即如果计时器重新初始化后所经过的时间大于T1），确认为“真”条件并且将阻尼水平D维持在参考值D1。如果计时器重新初始化后所经过的时间小于T1，则确认为“假”条件并且程序进行到框306，在该框中重新计算车轮瞬时速率V=Δy/T（即dy/dt）。

在框306中，将重新计算的瞬时车轮速率V的值与第二预定阈值Th2对比。如果新的车轮速率V超过Th2，确认为“真”条件并且确定在经过时间T内的车轮位置的变化（Δy）（即车轮落入洼地的新的瞬时速率）足以证明可以提高阻尼水平D。由此，程序进入框310。然而，如果瞬时车轮速率V等于或小于Th2，则确认为“假”条件，程序进入框308，在该框中经过额外预定时间间隔Δt（即在T已经增加Δt后）后重新计算瞬时车轮速率V。程序随后返回框305以确定计时器初始化后所经过的总时间T是否大于时间阈值T1，如果T大于T1，控制程序返回框290。

在如前所述的方法中，在计时器数值T未超过阈值T1，并且瞬时车轮速率V未超过速率阈值Th2时重复回路305-306-308。如果计时器数值T超过第一计时器阈值T1而车轮速率未超过速率阈值Th2，确认为“假”条件并确定车轮未运动或未在经过时间段T1期间以足够证明可以提高阻尼水平D的速率运动。阻尼水平由此返回初始参考值D1。然而，如果在框306中车轮速率V在计时器数值T超过第一计时器阈值T1之前超过速率阈值Th2，则确认为“真”条件并且程序进入框310，在该框中阻尼水平D被增加预定量ΔD，达到更高值D2。用另一种方式说，在经过每个时间间隔Δt后，重新计算瞬时车轮速率V，并且将计时器读数T和瞬时车轮速率V与相应阈值对比以确定是否需要修正阻尼水平D。将阻尼水平的逐渐提高执行为在初始和新阻尼水平之间延伸的“斜坡”或“斜面”。如果瞬时车轮速率V在T1限定的时间段内超过了阈值Th2，则确认为“真”条件并且在框310中提高阻尼水平。然而，如果瞬时车轮速率V在T1限定的时间段内保持等于或低于第一阈值Th2，阻尼水平D由此返回初始参考值D1。

框310、312和314所形成的回路用于通过在经过每个时间间隔Δt后增加预定量来逐渐提高阻尼水平，直至（1）初始化后的计时器读数T超过第二计时器阈值T2，或（2）瞬时车轮速率V超过第三速率阈值Th3。

车轮在相关时间间隔内连续超过速率阈值的例子表明对车轮的道路支撑的缺少已达到足以导致车轮连续在“y”方向上下落的深度。

阻尼水平在本文所述的控制程序执行期间所提高的量在每个步骤中可以是恒定的，或可以根据具体应用的需要确定该量。阻尼水平D所提高的量可以根据具体悬架系统设计、具体类型的阻尼可用的阻尼设置范围、用于操纵阻尼的方法以及其他相关因素确定。另外，为促进阻尼水平的逐渐提高可将阻尼水平范围划分出的级或者增量的数量可以根据具体应用的需要确定。

在框310中，阻尼水平被提高预定量ΔD，达到水平D2。瞬时车轮速率V在经过另一时间间隔Δt后（即计时器数值T在之前的瞬时速率计算所用的值的基础上增加了另一Δt后）重新进算。

在框312中，将计时器读数T与第二预定时间阈值T2对比。如果计时器读数T大于值T2（即如果计时器在框304中初始化后所经过的时间大于T2），确认为“真”条件并且阻尼水平D返回至参考值D1。然而，如果计时器初始化后所经过的时间小于T2，则确认为“假”条件，程序进入框314。

框314中，如果瞬时车轮速率V等于或小于阈值Th3，确认为“假”条件，程序返回框310，在该框中阻尼水平再次提高预定量ΔD并且瞬时车轮速率V在经过额外预定时间间隔Δt后被重新计算。程序随后返回框312以确定所经过的时间T是否大于时间阈值T2。

在前述方法中，在计时器数值T未超过第二计时器阈值T2，并且瞬时车轮速率V未超过第三速率阈值Th3时重复回路310-312-314。如果计时器数值T（从初始化后测量的）超过第二计时器阈值T2而车轮速率V未超过速率阈值Th3，确认为“假”条件并确定车轮并未进一步运动或未在经过时间段T2期间以足够证明可以进一步提高阻尼水平的速率运动。阻尼水平因此返回至初始参考值D1。

然而，如果车轮速率V在计时器数值T超过第二计时器阈值T2之前超过阈值Th3，在框316中确认为“真”条件并确定在经过时间T中的车轮位置变化（Δy）（即车轮落入洼地的垂直运动速率）足以证明可以进一步提高阻尼水平D至最大调校阻尼水平，D_MAX。

当程序进入框310-312-314所限定的回路时，阻尼水平继续阶梯式的逐步递增，所以如果并且当需要最大阻尼水平D_MAX时，阻尼水平从当前阻尼水平至D_MAX的提高将小于阻尼水平从D1至D_MAX的提高。这有助于最小化或消除由于所需液压力在相对较短的时间段内从D1发展到D_MAX的突然、巨大的变化所引起的“爆震（knocking）”或“重击（thumping）”效应，其可能是机动车乘客可觉察的。本文所述的程序还可以使系统阻尼力在第一预定值至下一更高预定值之间逐渐地提高。因此，当确定需要下一更高的预定值时，达到下一更高预定值所需的剩余提高量小于第一预定值和最高预定值之间的差量。

在框320中，阻尼水平保持在D=D_MAX直至计时器数值T所指示的经过的时间达到预定终止点TSTOP。阻尼水平随后返回至初始参考值D1。

通过响应车轮向道路洼地的连续下落逐渐地提高阻尼所施加阻尼力，本文所述的控制程序的实施例帮助最小化阻尼力提高量并尽可能长时间地延迟力的增加的执行，由此尽可能长时间地保留更低阻尼水平所提供的相对更高的驾驶质量。

利用本文所述的控制程序的实施例，阻尼力增加至D_MAX（其对驾驶质量具有最大的有害影响）的实现被理想地限制至最期望的情况（即车轮遭遇相对深的坑洞或洼地的情况）。该阻尼水平的提高限制车轮向洼地下落的深度并有助于最小化车轮在驶出孔洞时撞击坑洞的相对侧产生的震动影响。

根据本发明实施例的控制程序可以作为子程序并入设计以控制悬架系统和主动阻尼机构的附加元件和/或根据来自车轮位置传感器和其他类型传感器的输入来控制主动悬架系统的元件的更加广泛的新的或现有的控制程序。

如前所述，根据本发明的实施例的控制程序能够实现对包含连续可变或多级悬架阻尼器的机动车悬架系统的有效操作，以最大化驾驶质量并减小悬架系统的负荷。

如本文所述，本发明的一实施例包括主动机动车悬架系统，其具有可操作地耦接至机动车车轮并配置以响应控制信号控制应用于车轮的阻尼力的主动阻尼机构。控制器可操作地耦接至阻尼机构并配置以响应车轮在垂直向下方向上的速率向阻尼机构产生控制信号。

同样如本文所述，本发明的另一实施例提供了一种在主动悬架系统中控制应用于车轮的阻尼水平的方法。所述方法包括以下步骤：确定定义为在第一预定时间段车轮垂直位置变化率的速率；将速率与速率阈值对比；以及当速率大于速率阈值时，提高阻尼水平。

同样如本文所述，本发明的另一实施例提供了一种将阻尼力应用于垂直向下运动的车轮的方法。该方法包括以下步骤：测量车轮在该方向上运动的时间，测量车轮在该方向上的速率；将时间与阈值对比并将速率与另一阈值对比；以及当时间未超过阈值并且速率超过另一阈值时，将最大可用阻尼力应用于车轮。

应当理解，以上所描述的本发明的实施例仅用于说明目的。同样，此处所公开的各种结构和操作特征可以接受与本领域技术人员的能力相匹配的多种修改，该修改均未超出所附权利要求所限定的本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种主动机动车悬架系统，其特征在于，包含：

主动阻尼机构，其可操作地耦接至机动车车轮并配置以响应于控制信号控制应用于车轮的阻尼力；以及

控制器，其可操作地耦接至阻尼机构并配置以响应于垂直向下的车轮速率向阻尼机构产生控制信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含：

车轮位置传感器，其可操作地耦接至车轮和控制器并配置以探测车轮的垂直位置；

计时器，其可操作地耦接至控制器并配置以测量车轮垂直位置变化期间经过的时间段，

其中，控制器配置以通过计算车轮垂直位置在经过的时间段中的时间导数来计算速率。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，控制器配置以将速率与速率阈值对比，并根据对比结果产生阻尼机构控制信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，控制器配置以在速率与速率阈值的对比之前将计时器的测量值与计时器阈值对比。

5.一种用于在主动悬架系统中控制应用于车轮的阻尼水平的方法，其特征在于，包含以下步骤：

确定被定义为在第一预定时间段中的车轮垂直位置变化率的速率；

将速率与速率阈值对比；以及

当速率大于速率阈值时，提高阻尼水平。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在计算速率步骤之前进一步包括步骤：

初始化计时器数值至T=0；

激活计时器；

将激活后预定时间段的计时器数值T与计时器阈值对比；

当计时器数值T大于计时器阈值时，将阻尼水平设置为参考值；以及

当计时器数值T小于或等于计时器阈值时，进入计算速率的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包含以下步骤：

当速率小于或等于速率阈值时，计算被定义为在紧随第一预定时间段的另一预定时间段中的的车轮垂直位移的另一速率；

将其他预定时间段终点的计时器数值T与计时器阈值对比；以及

当计时器数值T大于计时器阈值时，将阻尼水平设置为参考值。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，提高阻尼水平的步骤包含将阻尼水平提高至最大值的步骤。

9.一种将阻尼力应用于向垂直向下方向运动的车轮的方法，其特征在于，包含以下步骤：

测量车轮在该方向上运动的时间；

测量车轮在该方向上的速率；

将时间与阈值对比并将速率与另一阈值对比；以及

当时间未超过阈值并且速率超过另一阈值时，将最大可用阻尼力应用于车轮。

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