CN105501021A - 一种汽车底盘高度调控装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车的底盘高度调控装置及其控制方法，该装置包括新型空气供给系统和电子控制系统。其中新型空气供给系统包括过滤器、空气压缩机、干燥器、储气罐、气阀模块组及连接各部件的气体管道，其中空气压缩机用于气体加压；干燥器用于吸收气体中的水分；储气罐用于储存气源；气阀模块组内由四路三位三通电磁阀组成，用于调控空气弹簧内的空气量。电子控制系统由电源、传感器组、电子控制单元(ECU)和继电器组成。ECU是基于传感器信号确定汽车底盘高度偏差量，并应用模糊控制算法求解出空气弹簧所需气体改变量，通过继电器控制气阀模块组的三位三通电磁阀对空气弹簧内的气体量进行调控，实现汽车底盘高度调节的精确化和快速化。

Description

一种汽车底盘高度调控装置及其控制方法

技术领域

本发明属于汽车领域，涉及一种车载电子装置，特别涉及一种汽车底盘高度调控装置及其控制方法。

背景技术

与被动悬架相比，电子控制空气悬架(ElectronicallyControlledAirSuspension，简称ECAS)能降低高速时的底盘高度从而使风阻系数减小，改善油耗提高经济性，能升高低速时的底盘高度而改善通过性，且轮胎动载荷小可以降低路面破坏和提高抓地性能；而与主动悬架相比，其具有结构简单、能耗低和容易实现。在欧美日等汽车发达国家，ECAS已经广泛应用于高级客车、重型货车、中型货车、挂车、特种车辆(隔振要求高的仪表车、救护车等)和豪华乘用车；而我国交通部早在2010年制定《营运客车类型划分及等级评定》中规定高级客车必须配置空气悬架。可以预见的是，随着空气悬架在我国客车上的成功应用，必会走上电子化、智能化的轨道上来，并将会广泛应用于高级客车、重型卡车和高档轿车等各类车型上来。因此，对于我国汽车业界而言，ECAS不仅具有广阔的应用前景，更重要的是可以较快提升国产汽车的档次、技术水平和市场竞争力，对我国汽车技术、经济和社会发展具有重要的现实意义和深远影响。

尽管ECAS目前达到了最初的设计目的，但仍然存在不少问题需要解决，其性能和功能还可以进一步完善，尤其是在我国汽车工业，对于ECAS的研究和应用还有很长的路要走，其中ECAS底盘高度动态调控在瓶颈问题，这严重影响和制约ECAS汽车的发展。反复采用“采集高度位移信号→计算充/放气时间→驱动电磁阀→再采集高度位移信号→再计算充/放气时间→驱动电磁阀”方法来调控底盘高度。这种方法以高度位移为控制的观测量，优点是为一直接量，中间不需要转换计算等环节；缺点是汽车行驶中由于底盘存在垂向振动惯性，高度位移传感器采样的信号可能是一“伪”高度，不能代表底盘高度偏差的真实值。因此，以此“伪”高度信号来进行调控空气弹簧的充排气过程，必然会导致出现“不足调整”或“过度调整”现象，难以实现精确调控。

如何实现ECAS底盘高度的精确调节，已引起科技工作人员的注意。汽车底盘高度调控涉及空气动力学、工程热力学和车辆动力学，管内的气流为非均匀非定常流动且非常复杂，尤其是在汽车动态行驶中，充放气时间难以建立精确的数学模型，导致空气弹簧“过充”或“过放”从而使底盘高度难以精确调整到位，出现多次调整使系统振荡。

基于前期的研究发现及文献报道可知，空气弹簧高度会随弹簧内气体量的变化而变化。现有模型难以精确描述电磁阀开启时间，但采用空气流量传感器可以采集流入/流出空气弹簧内气体量，如能计算出从底盘高度Ⅰ调整到高度Ⅱ时空气弹簧内气体所需改变量，就能以气体量代替位移量来调控底盘高度。因为气体量不像位移量那样，采样时会受到ECAS底盘垂向振动的影响，所以可以实现底盘高度的精确切换。而如何把ECAS底盘高度调节问题转变为空气弹簧内气体量的调控问题，这是本发明所需要解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种汽车底盘高度调控装置，包括过滤器、空气压缩机、干燥器和储气罐，其特征在于：所述过滤器、空气压缩机、干燥器和储气罐首尾通过气体管道相连；所述储气罐出气口通过气体管道与气阀模块组的进气口连接，双向流量计一端与气阀模块组连接另一端与空气弹簧连接，空气弹簧通过导向机构设置在前车桥、后车桥与底盘之间，车轮设置在空气弹簧下方；所述空气压缩机、气阀模块组、双向流量计和空气弹簧通过电子控制系统进行控制；所述电子控制系统包括电源、传感器组、加速度传感器、电子控制单元和执行机构。调控时若向空气弹簧充入气体，空气弹簧轴向伸长，促使底盘升高；相反，若给空气弹簧放气，内腔气压减低，在重力作用下空气弹簧轴向缩短，底盘下降。

本发明的具体技术方案为在原有系统基础上，在空气供给系统增加双向流量传感器，并用其来代替高度传感器的作用，进而开发以气体质量为观测量的控制系统。以气体质量为观测量的控制系统，重点寻找底盘高度与气体压力、空气弹簧内腔容积关系，使汽车底盘高度调控问题转化成空气弹簧的气体质量调控问题。本发明以底盘高度偏差和气体弹簧初始气体压力为输入向量，以空气弹簧内气体质量的变化量为输出向量，重构空气悬架模型，修正数学模型以考虑环境温度和大气压力变化。

进一步的，所述传感器组包括空气弹簧气压传感器、大气压力传感器、环境温度传感器、双向流量传感器、储气罐压力传感器、速度传感器和加速度传感器；所述空气弹簧气压传感器、大气压力传感器、环境温度传感器、双向流量传感器、储气罐压力传感器、速度传感器和加速度传感器相互之间电连接；空气弹簧气压传感器用于采集空气弹簧气压信号；大气压力传感器用于采集大气压力信号；环境温度传感器用于采集大气温度信号；双向流量传感器用于采集流入/流出空气弹簧内的气体量；储气罐压力传感器用于采集储气罐的气压信号；速度传感器用于采集汽车行驶速度信号；加速度传感器用于采集汽车行驶加速度信号。

进一步的，所述执行机构包括空气压缩机继电器、左前继电器、左后继电器、右前继电器和右后继电器。

进一步的，所述气阀模块组由四路三位三通电磁阀分别为左前三位三通电磁阀、左后三位三通电磁阀、右前三位三通电磁阀和右后三位三通电磁阀组成；四路三位三通电磁阀的P端接口均通过进气总管与储气罐出气口相通，四路三位三通电磁阀的O端通过过滤器与外部环境相通，四路三位三通电磁阀的A端与双向流量计连接。

一种车底盘高度调控装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步：汽车钥匙插入点火开关并转向ON位置，底盘高度控制系统的电路与车载蓄电池接通，传感器进行信号采集；

第二步：通过储气罐给定的参考气压数值P_ref与传感器采集到的气压数值P之偏差来控制空压机继电器工作状态，如果偏差大于0.1bar则空压继电器闭合空压机电路，空压机启动工作直到气压偏差小于0.1bar为止；如果气压平偏差小于0.1bar则进入第三步；

第三步：汽车停止状态的底盘参考高度为高度Ⅰ，电子控制单元根据空气弹簧气体压力、双向流量计等的信号和空气弹簧模型，计算出底盘高度Ⅰ所对应的空气理论质量与空气弹簧内实际空气质量之偏差，并以该偏差进行调控，若为正值，则气阀模块组对空气弹簧进行充气直到偏差恢复零值为止；若为负值，向气阀模块组对空气弹簧进行放气直到为偏差恢复零值为止；若为零，则不进行调控，维持现状；

第四步：汽车行驶后，速度传感器对汽车行驶速度进行采集，判断车速是否不大于20km/h，如果车速不大于20km/h则电子控制单元不进行调控其底盘高度仍为Ⅰ，如果车速大于20km/h且小于60km/h，则电子控制单元计算出底盘高度Ⅰ降到底盘高度Ⅱ时空气弹簧所需放出的气体量A，并控制空气弹簧放气直至流过双向流量计的气体量等于上述气体量A为止；若车速大于60km/h，则电子控制单元计算出底盘高度Ⅱ降到底盘高度Ⅲ时空气所需放出的气体量B，并控制空气弹簧放气直至流过双向流量计的气体量等于上述气体量B为止；

第五步：汽车行驶后开始降速准备停止，通过速度传感器对汽车行驶速度采集的数据，首先判断车速降至60km/h时，电子控制单元计算出底盘高度Ⅲ上升到底盘高度Ⅱ时空气所需充入的气体量C，并直至充入空气弹簧的气体量等于上述气体量C为止，然后判断车速从60km/h降至20km/h时，电子控制单元计算出底盘高度Ⅱ上升到底盘高度Ⅰ时空气所需充入的气体量C，并直至充入空气弹簧的气体量等于上述气体量C为止，最后判断车速恢复20km/h以下时，电子控制单元停止计算，空气弹簧停止气体充入，汽车正常降速直至停止。

技术方案：

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明以空气弹簧气体量作为调控底盘高度的观测量，可以消除传统底盘高度动态调控方法出现空气弹簧“过充”和“过放”问题。

2)本发明的新型空气供给系统是在传统空气供给系统基础上改进设计的，继承了大部分零部件，使得在成本少许增加的情况下性能得到良好改善。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制系统组成图；

图3为本发明的气阀模块组结构图；

图4为本发明的控制流程图；

图5为本发明的主程序流程图；

图6为本发明横向平面的车架升降示意图。

101、过滤器，102、空气压缩机，103、干燥器，104、储气罐，105、气阀模块组，106、双向流量计，107、簧上载荷，108、空气弹簧，109、簧下载荷，110、车轮，111、电子控制装置；

201、电子控制单元，202、空气弹簧气压传感器，203、大气压力传感器，204、环境温度传感器，205、双向流量传感器，206、储气罐压力传感器，207、速度传感器，208、加速度传感器，209、电源；

210、继电器，210A，空气压缩机继电器，210B，左前继电器，210C、左后继电器，210D、右前继电器，210E、右后继电器；

105A、左前三位三通电磁阀，105B、左后三位三通电磁阀，105C、右前三位三通电磁阀，105D、右后三位三通电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1为本发明的空气供应系统结构图。根据空气流过行程来看，空气供应系统依次由过滤器101、空气压缩机102，干燥器103，储气罐104，气阀模块组105，双向流量计106及空气弹簧108组成。其中空气压缩机102、气阀模块组105、双向流量计106和空气弹簧108都由电子控制装置111进行控制。其中空气弹簧108分为左前空气弹簧、左后空气弹簧、右前空气弹簧和右后空气弹簧。为了防止杂质进入系统中，空气压缩机102进气口前设置过滤器101；为了吸收压缩后的气体水分，空气压缩机102出气口设置干燥器103；干燥后的空气存放于储气罐104内，储气罐104空气通过气阀模块组105分配成四路歧管，可以分别向左前空气弹簧、左后空气弹簧、右前空气弹簧及右后空气弹簧进行充气，在气阀模块组与空气弹簧之间安装了双向流量计，用于采集流入/流出空气弹簧内的空气量信号。

图2为本发明的控制系统组成图，由电子控制单元(ECU)201、环境温度传感器204、大气压力传感器203、储气罐气压传感器206、空气弹簧气压传感器202、加速度传感器和继电器210即执行机构(空气压缩机继电器210A、左前继电器210B、左后继电器210C、右前继电器210D、右后继电器210E)、速度传感器207及蓄电池209组成。其中，电子控制单元(ECU)201可以根据传感器组信号，进行比较、计算及判断，再对执行机构发送控制指令；执行机构由四路电磁阀和一个继电器组成，电磁阀根据控制信号对空气弹簧进行充放气以实现底盘高度的调节，继电器则对空气压缩机进行控制以维持储气罐气体稳定；蓄电池为整个控制系统提供动力。

为了能单独控制车辆左前、左后、右前及右后的空气弹簧内气体量，该气阀模块组105由四路三位三通电磁阀，分别为左前四路三位三通电磁阀105A、左后四路三位三通电磁阀105B、右前四路三位三通电磁阀105C及右后四路三位三通电磁阀105D组成。四路三位三通电磁阀的P端接口均通过进气总管与储气罐104出气口相通，各自的O端口接过滤器101通外部环境相通，各自的A端口与相对应的空气弹簧108相接。工作时，ECU可以通过继电器210控制三位三通电磁阀的阀芯位置，譬如阀芯左移时可以使P端口与A端口相通对空气弹簧进行充气，而阀芯右移时O端口与A端口相通对空气弹簧108进行放气；继电器210断电时电磁阀的阀芯恢复中间位置，关闭A端口与P端口或O端口的通路。

储气罐104气压和空气弹簧108内气体量为本发明的两个控制对象。其中，储气罐104的气压控制过程是：储气罐104气压与参考气压之差小于负0.1bar时，空压机继电器210A通电空气压缩机102工作直到该差值大于正0.1bar时，空压机继电器210A断电空气压缩机102停止；而空气弹簧108内的气体量控制过程是：根据速度传感器207信号确定底盘目标高度，并与当前底盘高度进行比较，若两者相等，则保持不变；否则，利用采集到的空气弹簧气压传感器202、大气压力传感器203、环境温度传感器204等信号，应用模糊算法计算出控制量进行控制左前继电器210B、左后继电器210C、右前继电器210D和右后继电器210E，使得流过左前双向流量计、左后双向流量计、右前双向流量计及右后双向流量计的空气量等于控制量以实现底盘由当前高度调整到目标高度。

如图5所示本发明的控制方法如下：汽车钥匙插入点火开关并转向ON位置，底盘高度控制系统的电路与车载蓄电池接通，传感器进行信号采集。

首先，进入储气罐气压调控阶段：电子控制单元根据储气罐给定参考气压P_ref与实测气压P之差进行调控空压机继电器：若大于0.1bar空压机继电器闭合空压机电路，空压机启动工作直到储气罐气压满足要求为止，否则空压机不启动工作。

然后，进入汽车行驶前的底盘高度静态调控阶段：汽车停止状态往往会发生货物装卸或乘员增减，使得汽车载荷变化，导致汽车底盘高度随之改变，此阶段的底盘参考高度为高度Ⅰ，电子控制单元根据空气弹簧气体压力、双向流量计等的信号和空气弹簧模型，计算出底盘高度Ⅰ所对应的空气理论质量与空气弹簧内空气实际质量之差，并以该差值进行调控，若为正值，则气阀模块组对空气弹簧进行充气直到为零值；若为负值，向气阀模块组对空气弹簧进行放气直到为零值；若为零，则不进行调控，维持现状。

最后，在汽车行驶后，进入底盘高度动态调控阶段：汽车行驶后，底盘高度根据车辆工况(主要以车速信号来表征)进行调节，若车速不超过20km/h，ECU不发送指令底盘高度稳定在高度Ⅰ；若车速大于20km/h且小于60km/h，此工况时底盘的目标高度为高度Ⅱ，ECU利用采集的信号计算出从高度Ⅰ降到高度Ⅱ时空气弹簧所需放出的气体量，并控制继电器驱动气阀模块组的电磁阀打开，直到流过双向流量计的气体量等于计算量为止，则继电器断电电磁阀关闭；若车速大于60km/h，此工况时底盘的目标高度为高度Ⅲ，ECU计算出底盘从高度Ⅱ降到高度Ⅲ时空气弹簧所需释放的气体量，并控制继电器驱动气阀模块组的电磁阀打开，直到流过双向流量计的气体量等于计算量为止，则继电器断电电磁阀关闭。相反，汽车高速行驶时路况变差进行减速，速度减小到低于60km/h时，此工况时底盘的目标高度为高度Ⅱ，ECU利用采集的信号计算出从高度Ⅲ上升到高度Ⅱ时空气弹簧所需补充的气体量，并控制继电器驱动气阀模块组的电磁阀打开，直到流过双向流量计的气体量等于计算量为止，则继电器断电电磁阀关闭；若车速继续降低且低于20km/h，此工况时底盘的目标高度为高度Ⅰ，ECU利用采集的信号计算出从高度Ⅱ上升到高度Ⅰ时空气弹簧所需补充的气体量，并控制继电器驱动气阀模块组的电磁阀打开，直到流过双向流量计的气体量等于该数量为止。

图6为从底盘高度Ⅱ调控到高度Ⅰ时本发明方法与传统方法的对比图。从图中可以看出，本发明的调控方法更稳定，而且效果更好，能够一直保持高度在目标高度值。

Claims (9)

1.一种汽车底盘高度调控装置，包括过滤器、空气压缩机、干燥器和储气罐，其特征在于：所述过滤器、空气压缩机、干燥器和储气罐首尾通过气体管道相连；所述储气罐出气口通过气体管道与气阀模块组的进气口连接，双向流量计一端与气阀模块组连接，而其另一端与空气弹簧连接，空气弹簧通过导向机构设置在前车桥、后车桥与底盘之间，车轮设置在空气弹簧下方；所述空气压缩机、气阀模块组、双向流量计和空气弹簧通过电子控制系统进行控制；所述电子控制系统包括电源、传感器组、电子控制单元和执行机构。

2.根据权利要求1所述的一种汽车底盘高度调控装置，其特征在于：所述传感器组包括空气弹簧气压传感器、大气压力传感器、环境温度传感器、双向流量传感器、储气罐压力传感器、速度传感器和加速度传感器；所述空气弹簧气压传感器、大气压力传感器、环境温度传感器、双向流量传感器、储气罐压力传感器、速度传感器和加速度传感器相互之间电连接；空气弹簧气压传感器用于采集空气弹簧气压信号；大气压力传感器用于采集大气压力信号；环境温度传感器用于采集大气温度信号；双向流量传感器用于采集流入/流出空气弹簧内的气体量；储气罐压力传感器用于采集储气罐的气压信号；速度传感器用于采集汽车行驶速度信号；加速度传感器用于采集汽车行驶加速度信号。

3.根据权利要求1所述的一种汽车底盘高度调控装置，其特征在于：所述执行机构包括空气压缩机继电器、左前继电器、左后继电器、右前继电器和右后继电器。

4.根据权利要求1所述的一种汽车底盘高度调控装置，其特征在于：所述气阀模块组由四路三位三通电磁阀分别为左前三位三通电磁阀、左后三位三通电磁阀、右前三位三通电磁阀和右后三位三通电磁阀组成；四路三位三通电磁阀的P端接口均通过进气总管与储气罐出气口相通，四路三位三通电磁阀的O端通过过滤器与外部环境相通，四路三位三通电磁阀的A端与双向流量计连接。

5.一种如权利要求1至4之一所述的汽车底盘高度调控装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：汽车钥匙插入点火开关并转向ON位置，底盘高度控制系统的电路与车载蓄电池接通，传感器进行信号采集；

第二步：对储气罐气压进行控制，保证气罐参考气压数值P_ref与传感器采集到的气压数值P之差小于0.1bar；

第三步：对于汽车行驶前的底盘高度进行静态调控，使得底盘目标高度所对应的空气理论质量与空气弹簧内空气实际质量之差为零；

第四步：汽车行驶后，对于加速过程中的汽车底盘高度进行动态调控，在加速过程中根据不同的车速通过控制继电器驱动气阀模块组的电磁阀打开使得空气弹簧放出一定的气体量，保持行进中的汽车底盘恢复至目标高度；

第五步：汽车准备减速停止时，对于减速过程中的汽车底盘高度进行动态调控，在减速过程中根据不同的车速通过空气弹簧充入一定的气体量，保持行进中的汽车底盘恢复至目标高度，直至汽车降速停止。

6.根据权利要求5所述一种汽车底盘高度控制方法，其特征在于：所述步骤二中对储气罐气压进行控制的具体步骤如下：通过储气罐给定的参考气压数值P_ref与传感器采集到的气压数值P之差来对空压机继电器进行控制，如果气压之差大于0.1bar则空压继电器闭合空压机电路，空压机启动工作直到气压之差小于0.1bar为止。

7.根据权利要求5所述一种汽车底盘高度控制方法，其特征在于：所述步骤三中对于汽车行驶前的底盘高度进行静态调控的具体步骤如下：汽车停止状态的底盘参考高度为高度Ⅰ，电子控制单元根据空气弹簧气体压力、双向流量计等的信号和空气弹簧模型，计算出底盘高度Ⅰ所对应的空气理论质量与空气弹簧内空气实际质量之差，并以该差进行调控，若为正值，则气阀模块组对空气弹簧进行充气直到为零值；若为负值，向气阀模块组对空气弹簧进行放气直到为零值；若为零，则不进行调控，维持现状。

8.根据权利要求5至7之一所述一种汽车底盘高度控制方法，其特征在于：所述步骤四中对于加速过程中的汽车底盘高度进行动态调控的具体步骤如下：汽车行驶后，速度传感器对汽车行驶速度进行采集，判断车速是否不大于20km/h，如果车速不大于20km/h则电子控制单元不进行调控其底盘高度仍为Ⅰ，如果车速大于20km/h且小于60km/h，则电子控制单元计算出底盘高度Ⅰ降到底盘高度Ⅱ时空气弹簧所需放出的气体量A，并控制空气弹簧放气直至流过双向流量计的气体量等于上述气体量A为止；若车速大于60km/h，则电子控制单元计算出底盘高度Ⅱ降到底盘高度Ⅲ时空气所需放出的气体量B，并控制空气弹簧放气直至流过双向流量计的气体量等于上述气体量B为止。

9.根据权利要求8所述一种汽车底盘高度控制方法，其特征在于：所述步骤五中对于减速中的汽车底盘高度进行动态调控的具体步骤如下：汽车行驶后开始降速准备停止，通过速度传感器对汽车行驶速度采集的数据，首先判断车速降至60km/h时，电子控制单元计算出底盘高度Ⅲ上升到底盘高度Ⅱ时空气所需充入的气体量C，并直至充入空气弹簧的气体量等于上述气体量C为止，然后判断车速从60km/h降至20km/h时，电子控制单元计算出底盘高度Ⅱ上升到底盘高度Ⅰ时空气所需充入的气体量C，并直至充入空气弹簧的气体量等于上述气体量C为止，最后判断车速恢复20km/h以下时，电子控制单元停止计算，空气弹簧停止气体充入，汽车正常降速直至停止。