CN105946498A

CN105946498A - 天棚惯容悬架系统的模拟实现系统及惯容装置和控制方法

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Publication number: CN105946498A
Application number: CN201610300526.0A
Authority: CN
Inventors: 张孝良; 黄振兴; 聂佳梅; 何海; 陈龙
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: CN105946498B

Abstract

本发明涉及一种天棚惯容悬架系统的模拟实现系统及惯容装置和控制方法，天棚惯容悬架系统的模拟实现系统由簧载质量、弹簧、减振器、非簧载质量、轮胎等效弹簧、连续可调惯容装置、驱动机构和ECU组成；惯容装置包括液压缸、惯容调节阀和液体；本发明基于连续可调惯容装置提供一种天棚惯容控制方法，以半主动的方式模拟实现天棚惯容，其控制效果相当于增大了簧载质量，降低了车身偏频，提高了车辆在空载时的平顺性，使车辆具有更好的空、满载适应能力。

Description

天棚惯容悬架系统的模拟实现系统及惯容装置和控制方法

技术领域

本发明涉及一种天棚惯容控制悬架系统和控制方法及其适用于该控制悬架系统中的惯容装置，属于天棚惯容控制悬架系统技术领域。

背景技术

车辆在空、满载时簧载质量变化较大，尤其是载货汽车。车辆满载时簧载质量大，车身偏频低，具有较好的平顺性；空载时簧载质量小，车身偏频高，平顺性较差。为了使车辆在空、满载时都具有较好的平顺性，需要保持空、满载时的车身偏频基本不变。

由于车身偏频与簧载质量和弹簧刚度有关，因此，改变车身偏频的方法有两种，一种是改变弹簧刚度，另一种是用“附加质量”的方法虚拟改变簧载质量。

改变弹簧刚度，可以采用合适的非线性弹簧。目前汽车悬架中使用的非线性弹性特性较为理想的弹性元件主要是空气弹簧，它利用气体的可压缩性来改变刚度。装有空气弹簧的车辆在空、满载的情况下车身高度基本保持不变，车身偏频变化不大，可以在一定程度上提高车辆的平顺性。空气弹簧虽然能够保持车辆空、满载时的车身偏频基本不变，但研究表明，空载工况下空气弹簧车辆的平顺性还是要明显低于满载工况。

利用“附加质量”的方法虚拟增加簧载质量也可以降低车身偏频。目前一种结构较为简单的方法是在传统悬架的簧载质量与非簧载质量之间增加一个惯容器，形成一种弹簧-阻尼-惯容器三元件并联结构的悬架。中国专利200910103050.1公开了一种具有运动转换螺旋飞轮的车辆悬架，这种悬架实际上就是一种弹簧-阻尼-惯容器三元件并联的车辆悬架，中国专利201020565333.6公开了一种惯性质量蓄能式直升机机身反共振隔振装置，该装置也是一种弹簧-阻尼-惯容器三元件并联的悬架。上述的三元件并联悬架利用惯容器在簧载质量上虚拟增加“附加质量”，达到降低车身偏频和加速度低频峰值的目的，但这也同时也增加了非簧载质量，导致车身加速度的高频峰值严重恶化。而且，由于惯容器的惯容是恒定不变的，因此，它并不能适应空、满载等工况的变化。

天棚惯容的思想是设想将惯容器装在惯性参考系与簧载质量之间，它会产生一个与簧载质量加速度方向相反的惯性力，力的大小等于天棚惯容系数与簧载质量加速度的乘积。与弹簧-阻尼-惯容器三元件并联的车辆悬架控制簧载质量和非簧载质量的相对加速度不同，天棚惯容直接控制簧载质量的绝对加速度，而与车轮的绝对加速度无关。因此，天棚惯容可以有效抵消一部分簧载质量的加速度，从而减小簧载质量的加速度，提高车辆的平顺性。事实上，天棚惯容相当于只增加了车辆的簧载质量，而不会增加非簧载质量，这有利于降低车身偏频，提高车辆的平顺性，但同时又不会使非簧载质量的振动状况恶化。然而，天棚惯容要求惯容器必须与惯性参考系相连，但在车辆悬架系统中，惯容器不可能与惯性参考系相连，这使得天棚惯容不能被真实地实现。

发明内容

本发明的目的是：第一，提供一种天棚惯容控制悬架系统及其控制方法，以半主动的方式模拟实现天棚惯容，模拟增大簧上质量，达到降低车身偏频、提高空载时平顺性的目的，使车辆具有更好的空、满载适应能力。第二，提供一种应用于上述天棚惯容控制悬架系统的连续可调惯容装置，克服惯容器装置提供的惯容恒定不变的缺点，克服有级可调惯容装置不能连续调节惯容的缺点。

为达到上述目的，本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种天棚惯容悬架系统的模拟实现系统，包括簧载质量、弹簧、减振器、非簧载质量、轮胎等效弹簧、连续可调惯容装置、驱动机构和ECU；所述弹簧、所述减振器和所述连续可调惯容装置设置在簧载质量与非簧载质量之间；所述簧载质量和所述非簧载质量上分别设有加速度传感器，所述加速度传感器与所述ECU连接，所述ECU通过驱动机构与所述连续可调惯容装置连接。

本发明还提供了一种天棚惯容悬架系统的模拟实现系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在天棚惯容悬架系统中优化天棚惯容系数b_sky的值；

步骤2：通过加速度传感器分别获取非簧载质量加速度簧载质量加速度并传送给ECU；

步骤3：ECU根据获取的值，按下式计算连续可调惯容装置动态惯容系数b的大小；

b = \{\begin{matrix} b_{\min} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) \leq 0, b \leq 0 \\ \frac{b_{s k y} \cdot {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2}}{{\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) > 0, 0 < b < b_{\max} \\ b_{\max} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) > 0, b &GreaterEqual; b_{\max} \end{matrix}

式中：b_max和b_min分别为可调惯容装置的最大和最小惯容系数。

步骤4：ECU按照动态惯容系数b的大小控制驱动机构驱动与调节连续可调惯容装置，从而连续调节惯容模拟实现天棚惯容。

上述方案中，一种连续可调惯容装置，包括液压缸和惯容调节阀，所述液压缸包括缸筒和活塞，所述活塞将所述缸筒分成左右两个腔；所述惯容调节阀包括阀体和阀芯，所述阀芯将所述阀体分为左右两个腔，所述惯容调节阀内还设有螺旋通道，所述螺旋通道将阀体左右两个腔连通，并且所述螺旋通道的长度会随着所述阀体和所述阀芯相对位移的变化而变化；所述缸筒左右两个腔的筒壁上各设有一个开口B，所述阀体左右两个腔的阀壁上各设有一个开口A，所述缸筒上的两个开口B与所述阀体上的两个开口A通过管路连接在一起。

进一步地，所述缸筒上的两个开口B相对所述活塞为常开；所述阀体上的两个开口A相对所述阀芯为常开。

进一步地，所述阀体具有两个直径不同的内圆面，分别为大内圆面和小内圆面，所述阀芯的外表面与阀体的小内圆面相配合将阀体分为左右两个腔，阀芯的外表面上设有螺旋槽，被小内圆面包围的螺旋槽形成螺旋通道将阀体的左右两个腔连通。

优选的，上述方案中的螺旋槽为定螺距螺旋槽或变螺距螺旋槽。

进一步地，所述阀体还可以选用另外一种替代方案，包括具有两个直径不同的内圆面，分别为大内圆面和小内圆面，所述阀芯的外表面与阀体的小内圆面相配合将阀体分为左右两个腔，所述阀体的小内圆面上设置有螺旋槽，被阀芯的外表面包围的螺旋槽形成螺旋通道将阀体的左右两个腔连通。

优选的，所述螺旋槽仍旧可以选用定螺距螺旋槽或变螺距螺旋槽。

本发明提供的一种连续可调惯容装置具有可以连续调节惯容的特点，比惯容器和有级可调惯容器具有大得多的惯容调节范围。本发明基于连续可调惯容装置提供一种天棚惯容控制方法，以半主动的方式模拟实现天棚惯容，其控制效果相当于增大了簧载质量，降低了车身偏频，提高了车辆在空载时的平顺性，使车辆具有更好的空、满载适应能力。此外，本发明提供的天棚惯容控制方法只需要加速度传感器即可，不需速度及位移传感器，因此，可以大幅降低半主动悬架的硬件成本。

附图说明

图1为天棚惯容悬架系统。

图2为天棚惯容悬架系统的半主动模拟实现系统。

图3为连续可调惯容装置示意图。

图4为外螺旋式惯容调节阀示意图。

图5为内螺旋式惯容调节阀示意图。

图6为直线电机式驱动机构示意图。

图7为旋转电机式驱动机构示意图。

图8为车身加速度均方根值对比图。

图9为悬架动行程均方根值对比图。

图10为轮胎动载荷均方根值对比图。

图中，1-天棚惯容 2-簧载质量 3-弹簧 4-减振器 5-非簧载质量 6-轮胎等效弹簧7-加速度传感器 8-连续可调惯容装置 9-驱动机构 10-ECU 11-缸筒 12-开口B 13-活塞14-活塞杆B 15-液压管 16-液压缸 17-惯容调节阀 18-开口A 19-阀体 20-螺旋槽21-阀芯 22-活塞杆A 23-阀体大内圆面 24-阀体小内圆面 25-液体 26-直线电机磁芯27-直线电机 28-轴承29-轴承座 30-水平轨道 31-阀体底座 32-丝杆 33-底座 34-联轴器 35-电机座 36-旋转电机

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是天棚惯容悬架系统，包括天棚惯容1、簧载质量2、弹簧3、减振器4、非簧载质量5和轮胎等效弹簧6。所述弹簧3和减振器4设置在簧载质量2与非簧载质量5之间；所述天棚惯容1设置在惯性参考系和簧载质量2之间。所述天棚惯容1会产生一个与簧载质量加速度方向相反的惯性力，力的大小等于天棚惯容系数与簧载质量加速度的乘积，因此，天棚惯容可以有效抵消一部分簧载质量的加速度，从而减小簧载质量的加速度，提高车辆的平顺性。

图2是天棚惯容悬架系统的半主动模拟实现系统，包括簧载质量2、弹簧3、减振器4、非簧载质量5、轮胎等效弹簧6、加速度传感器7、连续可调惯容装置8、驱动机构9和ECU10。所述弹簧3、减振器4和连续可调惯容装置8设置在簧载质量2与非簧载质量5之间。两个所述的加速度传感器7分别设置在簧载质量2和非簧载质量5上，采集簧载质量和非簧载质量的加速度信号并传至ECU10，ECU10根据天棚惯容控制方法，控制驱动机构9驱动连续可调惯容装置8，从而连续调节惯容模拟实现天棚惯容。

设天棚惯容1的惯容系数为b_sky，两个加速度传感器7采集到的簧载质量和非簧载质量加速度信号分别为和则一种天棚惯容控制方法包括以下步骤：

步骤1：在天棚惯容悬架系统中优化b_sky的值；

步骤2：获取非簧载质量加速度簧载质量加速度

步骤3：ECU10根据获取的信号，按下式计算连续可调惯容装置(8)动态惯容系数b的大小；

b = \{\begin{matrix} b_{\min} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) \leq 0, b \leq 0 \\ \frac{b_{s k y} \cdot {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2}}{{\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) > 0, 0 < b < b_{\max} \\ b_{\max} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) > 0, b &GreaterEqual; b_{\max} \end{matrix}

步骤4：ECU(10)按照动态惯容系数b的大小控制驱动机构(9)驱动和调节连续可调惯容装置(8)，模拟实现天棚惯容。

图3是所述连续可调惯容装置，包括液压缸16、惯容调节阀17和液体25，所述液压缸16和惯容调节阀17中充满液体。所述液压缸16包括缸筒11和活塞13，所述缸筒11和活塞13分别作为第一和第二两个独立可移动的端点，在使用时可以连接到一个系统中用来控制机械力，所述缸筒11两端的筒壁上各设有一个开口B12，所述开口B12的设置原则是不能被活塞所覆盖(即，缸筒11上的两个开口B12相对所述活塞13为常开)。图3所示的实施例中，液压缸16的活塞杆B14采用了双出活塞杆的形式，但并不限于此，也可以采用单活塞杆和浮动活塞的形式或双缸筒的形式，或者是只要能够驱动液体流动的其它的类似形式都是可以的。

图4是惯容调节阀的实施例一，包括阀体19、阀芯21及螺旋通道，所述阀体19具有两个直径不同的内圆面，分别为大内圆面23和小内圆面24，所述阀芯21的外表面与阀体19的小内圆面24相配合将阀体19分为左右两个腔，阀芯21的外表面上设有螺旋槽20，被阀体小内圆面24包围的螺旋槽形成螺旋通道将阀体的左右两个腔连通；所述阀体19两端各设置一个开口A18，使得液压缸16的液体25可以经阀体19的一个开口A18流进，再经过螺旋通道从阀体19的另一开口A18流出，所述开口A18的设置原则是不能被阀芯21所覆盖(即，所述阀体19上的两个开口A18相对所述阀芯21为常开)；所述阀体19上的两个开口A18，通过两根液压管15分别与所述缸筒11上的两个开口12相连通；所述阀体19和阀芯21分别作为第一和第二两个独立可移动的端点，在使用时可以通过连续调节和控制这两个端点的相对位移，来连续调节和控制螺旋通道的长度及通道中液体的质量，从而实现对惯容的连续调节与控制。

对于图3所示的连续可调惯容装置，设S₁是活塞13的有效横截面积，A₁是阀芯21的有效横截面积，ρ是液体25的密度，D是阀芯21的直径，d是活塞杆A直径，r_h是螺旋槽20的半径，P是螺旋槽20的螺距，w是阀芯21的宽度，x是两个端点(阀体19和阀芯21)的相对位移，则可调惯容系数B(x)为

B (x) = {(\frac{S_{1}}{A_{1}})}^{2} \frac{π ρ {(D^{2} - d^{2})}^{2} \sqrt{P^{2} + {(π D)}^{2}}}{8 \Pr_{h}^{2}} (\frac{w}{2} - x)

由上式可知，可调惯容系数B(x)与两个端点(阀体19和阀芯21)相对位移相关。

图5是惯容调节阀的实施例二，两个实施例的不同之处在于，实施例一中所述的螺旋槽20设在了阀芯21外表面上，而实施例二所述的螺旋槽20设在了缸筒小内圆面24上。

对于实施例一和二，所述的螺旋槽20的截面形状设计成半圆形是为了便于加工，其截面形状并不限于半圆形，也可以根据需要设计成其它形状，而且螺旋槽20可以设计成定螺距的，也可以是变螺距的。

图4和5所示的装置中，惯容调节阀17的活塞杆A22采用了双出活塞杆的形式，但并不限于此，也可以采用单活塞杆和浮动活塞的形式或双缸筒的形式等。

图6是连续可调惯容装置的驱动机构的实施例一，所述惯容调节阀17的阀体19与直线电机27的机身固定安装在一起，直线电机磁芯26带动惯容调节阀17的活塞杆A22直线运动，使阀芯21相对于阀体19运动，从而调节与控制惯容调节阀17的惯容系数大小。

图7是连续可调惯容装置驱动机构的实施例二。底座33上固定安装有水平轨道30，两个轴承座29和一个电机座35。阀体底座31内装有与丝杆32配合的螺母，并且安装在水平轨道30上，可以沿水平轨道30滑动。丝杆32两端均装有轴承并分别固定在两个轴承座29上。电机座35上固定安装有旋转电机36，其中电机通过联轴器34连接丝杆32。惯容调节阀17的阀体19被固定安装在阀体底座31上，活塞杆A22的左右两端分别被固定在左右两个轴承座上。旋转电机36通过联轴器34带动丝杆32旋转，丝杆32通过螺母带动阀体底座31水平移动，使阀芯21相对于阀体19运动，从而调节与控制惯容调节阀17的惯容系数大小。

为了比较分析半主动天棚惯容控制悬架的控制效果，采用振幅为0.1m，频率为0～100Hz的正弦波作为路面速度输入。半主动天棚惯容控制悬架均为空载，即簧载质量m₂＝500kg，采用天棚惯容控制方法模拟将簧载质量分别增加500kg和1000kg，即b_sky分别等于500kg、1000kg。传统悬架空载时，簧载质量m₂＝500kg，传统悬架满载时，簧载质量m₂＝1500kg。半主动天棚惯容控制悬架和传统悬架的弹簧刚度k、阻尼系数c、非簧载质量m₁、轮胎刚度k_t均相等。图8～10是半主动天棚惯容控制悬架与空、满载的传统悬架的均方根值对比图。

从图8可以看出，空载时车身偏频为1.99Hz，满载时车身偏频为1.19Hz，可见，传统悬架空、满载时车身偏频变化较大，同时，空载时车身加速度均方根值的低频峰值比满载时高47.0％，说明传统悬架空载时平顺性较差。对于空载工况时的半主动天棚惯容控制悬架，天棚惯容b_sky为500kg时，其车身偏频为1.58Hz，车身加速度低频峰值较传统悬架空载时减小了53.4％，车身加速度高频峰值较传统悬架空载时减小了12.3％；天棚惯容b_sky为1000kg时，车身偏频为1.26Hz，车身加速度低频峰值较传统悬架空载时减小了69.3％，车身加速度高频峰值较传统悬架空载时减小了7.5％。可见，对于半主动天棚惯容控制悬架，车身偏频的空、满载变化较小，并且其车身加速度均方根值的低频峰值要明显低于空载时的传统悬架对应的均方根值，说明天棚惯容控制方法能有效提高空载时的平顺性。由图9可知，半主动天棚惯容控制悬架动行程均方根值的峰值大于空载时的传统悬架，且小于满载时的传统悬架，说明在不撞击限位块的前提下半主动天棚惯容控制悬架比传统悬架有更高的悬架工作空间的利用率。从图10可以看出，半主动天棚惯容控制悬架的轮胎动载荷均方根值的低频峰值要低于满载时的传统悬架，但高频峰值比空载时的传统悬架略有恶化。

Claims

1.一种天棚惯容悬架系统的模拟实现系统，其特征在于，包括簧载质量(2)、弹簧(3)、减振器(4)、非簧载质量(5)、轮胎等效弹簧(6)、连续可调惯容装置(8)、驱动机构(9)和ECU(10)；所述弹簧(3)、所述减振器(4)和所述连续可调惯容装置(8)设置在簧载质量(2)与非簧载质量(5)之间；所述簧载质量(2)和所述非簧载质量(5)上分别设有加速度传感器(7)，所述加速度传感器(7)与所述ECU(10)连接，所述ECU(10)通过驱动机构(9)与所述连续可调惯容装置(8)连接。

2.一种天棚惯容悬架系统的模拟实现系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在天棚惯容悬架系统中优化天棚惯容系数b_sky的值；

步骤2：通过加速度传感器(7)分别获取非簧载质量加速度簧载质量加速度并传送给ECU(10)；

步骤3：ECU(10)根据获取的值，按下式计算连续可调惯容装置(8)的动态惯容系数b的大小；

b = \{\begin{matrix} b_{\min} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) \leq 0, b \leq 0 \\ \frac{b_{s k y} \cdot {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2}}{{\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) > 0, 0 < b < b_{\max} \\ b_{\max} & {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} ({\overset{\cdot\cdot}{z}}_{2} - {\overset{\cdot\cdot}{z}}_{1}) > 0, b &GreaterEqual; b_{\max} \end{matrix}

式中：b_max和b_min分别为可调惯容装置的最大和最小惯容系数；

3.一种连续可调惯容装置，其特征在于，包括液压缸(16)和惯容调节阀(17)，所述液压缸(16)包括缸筒(11)和活塞(13)，所述活塞(13)将所述缸筒(11)分成左右两个腔；所述惯容调节阀(17)包括阀体(19)和阀芯(21)，所述阀芯(21)将所述阀体(19)分为左右两个腔，所述惯容调节阀(17)内还设有螺旋通道，所述螺旋通道将阀体(19)左右两个腔连通，并且所述螺旋通道的长度会随着所述阀体(19)和所述阀芯(21)相对位移的变化而变化；所述缸筒(11)左右两个腔的筒壁上各设有一个开口B(12)，所述阀体(19)左右两个腔的阀壁上各设有一个开口A(18)，所述缸筒(11)上的两个开口B(12)与所述阀体(19)上的两个开口A(18)通过管路连接在一起。

4.根据权利要求3所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述缸筒(11)上的两个开口B(12)相对所述活塞(13)为常开；所述阀体(19)上的两个开口A(18)相对所述阀芯(21)为常开。

5.根据权利要求3或4所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述阀体(19)具有两个直径不同的内圆面，分别为大内圆面(23)和小内圆面(24)，所述阀芯(21)的外表面与阀体(19)的小内圆面(24)相配合将阀体(19)分为左右两个腔，阀芯(21)的外表面上设有螺旋槽(20)，被小内圆面(24)包围的螺旋槽形成螺旋通道将阀体(19)的左右两个腔连通。

6.根据权利要求5所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述螺旋槽(20)为定螺距螺旋槽或变螺距螺旋槽。

7.根据权利要求6所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述螺旋槽(20)的截面形状设计成半圆形。

8.根据权利要求3或4所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述阀体(19)具有两个直径不同的内圆面，分别为大内圆面(23)和小内圆面(24)，所述阀芯(21)的外表面与阀体(19)的小内圆面(24)相配合将阀体(19)分为左右两个腔，所述阀体(19)的小内圆面(24)上设置有螺旋槽(20)，被阀芯(21)的外表面包围的螺旋槽形成螺旋通道将阀体(19)的左右两个腔连通。

9.根据权利要求8所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述螺旋槽(20)为定螺距螺旋槽或变螺距螺旋槽。

10.根据权利要求9所述的一种连续可调惯容装置，其特征在于，所述螺旋槽(20)的截面形状设计成半圆形。