CN106594147B - 基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧及其控制方法，上盖板连接于橡胶气囊上封口，下底座连接于橡胶气囊下封口，凸轮气阀机构安装于橡胶气囊下封口与下底座的连接处；上盖板、橡胶气囊和阀体上表面构成空气弹簧主气室，阀体下表面与下底座内壁构成第一副气室和第二副气室，两个副气室与主气室之间分别通过设置于阀体内的两个气体通道连通；阀体内部嵌有阀座和气阀导管，阀体顶部通过凸轮轴座固定有凸轮轴，凸轮轴通过齿轮组件啮合由步进电机驱动，凸轮轴上还设有凸轮；气阀杆的一端连接有气阀，气阀杆的另一端穿过气阀导管后套有气阀弹簧然后抵于凸轮。针对本发明的调节原理提出了对应的控制方法，使得空气弹簧容积可以在大、中、小之间主动切换,具有传动稳定可靠、寿命长优点。

Description

基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧及其控制方法

技术领域

本发明属于车辆悬架系统技术，具体涉及一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧及其控制方法。

背景技术

空气弹簧是在一个密封的容器中充入压缩空气，利用气体可压缩性实现其弹性作用。与传统的螺旋弹簧和钢板弹簧相比，空气弹簧悬架具有非线性特性，可使车辆悬架频率偏频和车身高度均可以保持不变等优点。但是，结构复杂制造成本高，加上载荷、行驶环境等因素的多变使得传统空气弹簧进一步提升性能有技术瓶颈。

为了突破瓶颈，不少科研工作者和工程技术人员纷纷提出了新方案，新方案概括起来有两大类，一类是通过不断给空气弹簧进行充放气来调控其性能，其优点是结构简单、零部件少和制造成本低，可是存在能耗高、空压机和电磁阀的使用寿命短等缺点；另外一类是改变空气弹簧工作容积，譬如增加副气室，通过改变空气弹簧与副气室的通断关系可以实现工作容积变化，导致空气弹簧的性能作相应变化，其优点是控制简单、能耗低、空压机和电磁阀的寿命长，其缺点是空间大和生产成本大。

目前，容积可调式空气弹簧占据主导地位，已经引起了国内外的广泛关注，譬如专利号CN103307188A与CN103016593A均提出了一种容积可调式空气弹簧结构方案，即采用扇叶与隔板将附加气室分离成有效容积与备用容积，通过旋转扇叶改变附加气室有效容积。但是前者用窄环状通气槽连接主气室与附加气室，气压不能快速平衡且存在进气阻力等问题，而后者在旋转扇叶时会发生扇叶错位无法正确插入空心槽中。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧及其控制方法。

技术方案：本发明一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，包括上盖板、橡胶气囊、下底座和凸轮气阀机构，所述上盖板连接于橡胶气囊上封口，下底座连接于橡胶气囊下封口，凸轮气阀机构安装于橡胶气囊下封口与下底座的连接处；上盖板、橡胶气囊和凸轮气阀机构中的阀体上表面构成空气弹簧主气室，阀体下表面与下底座内壁分别构成第一副气室和第二副气室，两个副气室与主气室之间分别通过设置于阀体内的两个气体通道连通；所述凸轮气阀机构包括阀体、凸轮轴和气阀杆；阀体内部嵌有阀座和气阀导管，阀体顶部通过凸轮轴座固定有凸轮轴，凸轮轴通过齿轮组件啮合由步进电机驱动，凸轮轴上还设有凸轮；气阀杆的一端连接有气阀，气阀杆的另一端穿过气阀导管后套有气阀弹簧然后抵于凸轮；调控时，步进电机通过齿轮组件驱动凸轮轴，凸轮跟随上下运动，进而带动气阀杆的上下动作，在气阀弹簧预紧力作用下，气阀的阀门落座于阀座上，阀体的气体通道被关闭；或者克服气阀弹簧预紧力推动气阀向下运动，阀门离开阀座从而气体通道被开启。

其中，气阀导管嵌入阀体内，没有伸出其表面，跟气体通道没有关系，只是为提高阀体耐磨性，并且气阀是否设置于阀体外侧面，且尺寸形状与阀座相适配。

进一步的，所述阀体整体呈箱体结构，内部设有两个气体通道分别连通两个副气室和主气室，两个气阀杆穿过相应气阀导管后先放入气阀弹簧，然后卡固于安装在凸轮上的弹簧座，两半片锁片插入弹簧座中，在弹簧预紧力作用下，弹簧座卡住在气阀杆上。

进一步的，所述凸轮轴上设有两个凸轮和两个凸轮轴座，凸轮轴的输入端通过键安装从动齿轮，从动齿轮于主动齿轮啮合，主动齿轮连接于步进电机，步进电机安装于下底座，步进电机通过H桥电路连接于车辆的悬架控制器信号输出端；所述两个凸轮的中心距等于阀座的阀座孔中心距，凸轮的上升段型面与下降段型面是对称的，沿凸轮轴中心线看，两凸轮对称中心线互成180度夹角。

进一步的，所述下底座整体呈圆柱体，下底座的肩部与橡胶气囊下封口连接，第一副气室和第二副气室之间的容积之比为1:1.5。

本发明还公开了一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧的控制方法，具体包括以下步骤：

(1)建立空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系：

第一种：凸轮轴初始位置，第一气阀和第二气阀均关闭，空气弹簧工作容积为V；

第二种：凸轮轴顺时针转动90度，第一气阀打开且第二气阀关闭，工作容积为2V；

第三种：继续顺时针转动180度，第一气阀关闭且第二气阀打开，空气弹簧工作容积为2.5V；

实验测试工作容积分别为1V、2V和2.5V时，空气弹簧在各种气压下的外特性；

(2)建立含凸轮气阀机构调控空气弹簧的车辆系统数学模型，且用状态空间实现其中A、B、C和D为车辆参数矩阵，状态向量X为路面激励x₀、轮胎动行程x₁、车身垂向位移x₂、轮胎垂向速度和车身垂向速度而控制输出量为空气弹簧反作用力U；

(3)根据步骤(2)的车辆数学模型，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相同工况下的仿真结果与实车实验结果，以此来修正数学模型进而检验其正确性；

(4)悬架控制目标是在车辆满足操纵稳定性条件下具有良好的行驶平顺性，因此应尽可能地减小车身垂向加速度和轮胎动行程，从控制的角度讲，应使所需的控制量最小，选择车辆综合性能为目标函数，

其中，q_i(i＝1,2,3)为权系数，进而将其变为：

式中：

K_s是指空气弹簧刚度；M_b是指车辆载荷；是指车身垂向加速度；

(5)应用最优控制理论，由黎卡提方程AP+PA^T+Q-PBR^-1B^TP＝0求出矩阵P，得反馈增益矩阵K＝B^TP+N^T，得空气弹簧反作用力U＝-KX，根据步骤(1)空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系，确定车辆当前状态所需的目标工作容积，并与当前工作容积的偏差量来生成步进电机的控制指令；

(6)根据车辆技术参数、步骤(1)的空气弹簧外特性、步骤(2)的车辆系统模型、步骤(4)的目标函数和步骤(5)的最优控制律，应用计算机高级语言C语言编写成控制软件，软件调试成功后下载到悬架控制器存储器中；

(7)汽车启动行驶后，悬架控制器根据车辆行驶速度、车辆静载荷、悬架动行程和车身加速度的信号，应用步骤(6)控制软件进行计算，实时调控凸轮气阀机构，保持空气弹簧工作容积偏差量等于0，并且一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直到车辆停止发动机熄火为止。

有益效果：本发明通过利用凸轮气阀机构，使得空气弹簧的工作容积可以在V、2V和2.5V三种状态间切换，一方面为空气弹簧性能的主动调节提供了一种新解决方案，另一方面也有效地解决了电磁阀开关的通电不动作或不能关闭等问题，有效地提高了容积可调式空气弹簧的工作可靠性。本发明结构简单，使用方便，生产成本低，体积小巧，控制精确。

附图说明

图1为本发明空气弹簧结构示意图；

图2为本发明的凸轮气阀机构结构图；

图3为图2中的局部示意图；

图4为本发明的凸轮轴结构图；

图5为本发明的整车安装示意图。

图中，101上盖板；102主气室；103橡胶气囊；104从动齿轮.；105主动齿轮；106步进电机；107第二副气室；108第一副气室；109下底座；110凸轮气阀机构；201A第一气阀；201B第二气阀；202阀座；203阀体；204气阀弹簧.；205气阀杆；206锁片；207弹簧座；208凸轮轴；208C键槽；208D凸轮型面轮廓；209凸轮轴座；210凸轮；401左前空气悬架；402右前空气悬架；403右后空气悬架；404左后空气悬架，405悬架控制器；406车速传感器；407车身垂向加速度传感器；408悬架挠度传感器；409气压传感器。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和图2所示，本实施例的一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，包括上盖板101、橡胶气囊103、下底座109和凸轮气阀机构110，上盖板101连接于橡胶气囊103上封口，下底座109连接于橡胶气囊103下封口，凸轮气阀机构110安装于橡胶气囊103下封口与下底座109的连接处；上盖板101、橡胶气囊103和凸轮气阀机构110中的阀体203上表面构成空气弹簧主气室102，阀体203下表面与下底座109内壁分别构成第一副气室108和第二副气室107，两个副气室与主气室102之间分别通过设置于阀体203内的两个气体通道连通；凸轮气阀机构110包括阀体203、凸轮轴208和气阀杆205；阀体203内部嵌有两个阀座202和相应气阀导管，阀体203顶部通过凸轮轴座固定有凸轮轴208，凸轮轴208通过齿轮组件啮合由步进电机106驱动，凸轮轴208上还设有两个分别于阀座相对应的凸轮210；

如图3所示，两个气阀杆205穿过相应气阀导管后先放入气阀弹簧204，然后卡固于安装在凸轮210上的弹簧座207，两半片锁片206插入弹簧座207中，在弹簧预紧力作用下，弹簧座207卡住在气阀杆205上，即两个气阀杆205的一端分别连接于相应的气阀，气阀杆205的另一端抵于凸轮210。

调控时，步进电机106通过齿轮组件驱动凸轮轴208，凸轮210跟随上下运动，进而带动气阀杆205的上下动作：凸轮210的凸轮型面轮廓208D中的上升型面顶压气阀杆205，克服气阀弹簧204预紧力推动气阀向下运动，两个气阀的阀门离开相应的阀座202，主气室102与两个副气室连通；在气阀弹簧204预紧力作用下，气阀杆205由凸轮210的下降型面回到基圆，两个气阀的阀门落座于相应阀座202，主气室102与两个副气室的气体通道切断。

其中，下底座109整体呈圆柱体，下底座109的肩部与橡胶气囊103下封口连接，第一副气室108和第二副气室107之间的容积之比为1:1.5。上述阀体203整体呈箱体结构，内部设有两个气体通道分别连通两个副气室和主气室102，两个气阀杆205分别穿过相应气体通道(呈L型)。

如图4所示，凸轮轴208上设有两个凸轮210和两个凸轮轴座209，凸轮轴208输入端设有键槽208C，通过键安装从动齿轮104，从动齿轮104于主动齿轮105啮合，主动齿轮105连接于步进电机106，步进电机106安装于下底座109，步进电机106通过H桥电路连接于控制器信号输出端；所述两个凸轮210的中心距等于阀座202孔中心距，凸轮210的上升段型面与下降段型面是对称的，沿凸轮轴208中心线看，两凸轮210对称中心线互成180度夹角。

如图5所示，左前空气悬架104、左后空气悬架404、右前空气悬架402和右后空气悬架403安装于车辆的前后车桥的对应位置上，传感器组件连接于悬架控制器的信号输入端，而悬架控制器405的控制指令则通过信号输出端经H桥电路连接各悬架的步进电机106，上述传感器组件包括车速传感器406、车身垂向加速度传感器407、悬架动挠度传感器408和气压传感器409。

上述气阀隔离了副气室与主气室102间的气体通道，旋转凸轮轴208使得凸轮210上升段型面推动气阀杆205沿气阀导管内往下运动，气阀201离开阀座202并不断增大阀门开度直到最大开度最大为止，这样通过气体通道副气室与主气室102连通，随着凸轮轴继续转动使得气阀杆205与凸轮下降段型面接触，气阀不断关小阀门开度直到落座，使得气体通道关闭，阀门隔离副气室与主气室102。凸轮轴208的转动是通过一对齿轮副由步进电机106驱动，而步进电机106的停止、转动及转动角度是由悬架控制器通过H桥电路来控制。

上述基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧的控制方法，具体包括如下步骤：

(1)构建空气弹簧刚度与工作体积的函数关系，第一种：第一气阀201A和第二气阀201B均关闭，弹簧工作容积为V；第二种：第一气阀201A打开且第二气阀201B关闭，弹簧工作容积为2V；第三种：第一气阀201A关闭且第二气阀201B打开，弹簧工作容积为2.5V；实验测试工作容积分别为1V、2V和2.5V时空气弹簧在各种气压下的力学特性。

(2)建立含凸轮气阀机构调控空气弹簧悬架车辆系统数学模型，并转化状态空间实现其中A、B、C、D为车辆参数矩阵；状态向量X为路面激励x₀、轮胎动行程x₁、车身垂向位移x₂、轮胎垂向速度车身垂向速度而控制输出量为空气弹簧反作用力U。

(3)利用步骤(2)建立的状态空间方程，用MATLAB/Simulink搭建车辆平顺性仿真模型，并比较在相同工况下实车实验结果与仿真结果，以此来修正车辆系统数学模型进而检验其正确性。

(4)悬架控制目标是在车辆满足操纵稳定性条件下具有良好的行驶平顺性，因此应尽可能地减小车身垂向加速度和轮胎动行程；从控制的角度讲，应使所需的控制量最小，选择车辆综合性能为目标函数，q_i(i＝1,2,3)为权系数，进而将其变为

(5)应用最优控制理论，由黎卡提方程AP+PA^T+Q-PBR^-1B^TP＝0求出P，最优控制反馈增益矩阵K＝B^TP+N^T，得空气弹簧反作用力U＝-KX，根据步骤(1)空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系，确定车辆当前状态所需的目标工作容积，并与当前工作容积的偏差量来生成步进电机106的控制指令。

(6)根据步骤(1)的空气弹簧刚度与工作容积的关系、步骤(2)的数学模型、步骤(4)的性能指标和步骤(5)的最优控制律，应用计算机高级语言C语言开发控制程序，并调试成功后的程序烧录到悬架控制器405存储器中。

(7)车辆启动行驶后，悬架控制器405根据车辆行驶速度、静载荷、悬架动行程和车身垂向加速度等信号，应用步骤(5)编写的控制程序，生成悬架步进电机106的控制指令，通过H桥电路来调控步进电机106的转动角度，使得空气弹簧的工作容积满足空气弹簧刚度的要求，直到车辆停车熄火为止。

Claims (4)

1.一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，其特征在于：包括上盖板、橡胶气囊、下底座和凸轮气阀机构，所述上盖板连接于橡胶气囊上封口，下底座连接于橡胶气囊下封口，凸轮气阀机构安装于橡胶气囊下封口与下底座的连接处；上盖板、橡胶气囊和凸轮气阀机构中的阀体上表面构成空气弹簧主气室，阀体下表面与下底座内壁分别构成第一副气室和第二副气室，两个副气室与主气室之间分别通过设置于阀体内的两个气体通道连通；

所述凸轮气阀机构包括阀体、凸轮轴和气阀杆；阀体内部嵌有阀座和气阀导管，阀体顶部通过凸轮轴座固定有凸轮轴，凸轮轴通过齿轮组件啮合由步进电机驱动，凸轮轴上还设有凸轮；气阀杆的一端连接有气阀，气阀杆的另一端穿过气阀导管后套有气阀弹簧然后抵于凸轮；

调控时，步进电机通过齿轮组件驱动凸轮轴，凸轮跟随上下运动，进而带动气阀杆的上下动作，在气阀弹簧预紧力作用下，气阀的阀门落座于阀座上，阀体的气体通道被关闭；或者克服气阀弹簧预紧力推动气阀向下运动，阀门离开阀座从而气体通道被开启；

所述凸轮轴上设有两个凸轮和两个凸轮轴座，凸轮轴的输入端通过键安装从动齿轮，从动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮连接于步进电机，步进电机安装于下底座，步进电机通过H桥电路连接于车辆的悬架控制器信号输出端；所述两个凸轮的中心距等于阀座的阀座孔中心距，凸轮的上升段型面与下降段型面是对称的，沿凸轮轴中心线看，两凸轮对称中心线互成180度夹角。

2.根据权利要求1所述的基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，其特征在于：所述阀体整体呈箱体结构，内部设有两个气体通道分别连通两个副气室和主气室，两个气阀杆穿过相应气阀导管后先放入气阀弹簧，然后卡固于安装在凸轮上的弹簧座，两半片锁片插入弹簧座中，在弹簧预紧力作用下，弹簧座卡住在气阀杆上。

3.根据权利要求1所述的基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，其特征在于：所述下底座整体呈圆柱体，下底座的肩部与橡胶气囊下封口连接，第一副气室和第二副气室之间的容积之比为1:1.5。

4.一种根据权利要求1至3任意一项所述的基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)建立空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系：

第一种：凸轮轴初始位置，第一气阀和第二气阀均关闭，空气弹簧工作容积为V；

第二种：凸轮轴顺时针转动90度，第一气阀打开且第二气阀关闭，工作容积为2V；

第三种：继续顺时针转动180度，第一气阀关闭且第二气阀打开，空气弹簧工作容积为2.5V；

实验测试工作容积分别为1V、2V和2.5V时，空气弹簧在各种气压下的外特性；

(2)建立含凸轮气阀机构调控空气弹簧的车辆系统数学模型，且用状态空间实现其中A、B、C和D为车辆参数矩阵，状态向量X为路面激励x₀、轮胎动行程x₁、车身垂向位移x₂、轮胎垂向速度和车身垂向速度而控制输出量为空气弹簧反作用力U；

(3)根据步骤(2)的车辆数学模型，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相同工况下的仿真结果与实车实验结果，以此来修正数学模型进而检验其正确性；

(4)悬架控制目标是在车辆满足操纵稳定性条件下具有良好的行驶平顺性，因此应尽可能地减小车身垂向加速度和轮胎动行程，从控制的角度讲，应使所需的控制量最小，选择车辆综合性能为目标函数，

其中，q_i(i＝1,2,3)为权系数，进而将其变为：

式中：

K_s是指空气弹簧刚度；M_b是指车辆载荷；是指车身垂向加速度；

(5)应用最优控制理论，通过黎卡提方程AP+PA^T+Q-PBR^-1B^TP＝0，求出矩阵P，得反馈增益矩阵K＝B^TP+N^T，得空气弹簧反作用力U＝-KX，根据步骤(1)空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系，确定车辆当前状态所需的目标工作容积，并与当前工作容积的偏差量来生成步进电机的控制指令；

(6)根据车辆技术参数、步骤(1)的空气弹簧外特性、步骤(2)的车辆系统模型、步骤(4)的目标函数和步骤(5)的最优控制律，应用C语言编写成控制软件，软件调试成功后下载到悬架控制器存储器中；

(7)汽车启动行驶后，悬架控制器根据车辆行驶速度、车辆静载荷、悬架动行程和车身加速度的信号，应用步骤(6)控制软件进行计算，实时调控凸轮气阀机构，保持空气弹簧工作容积偏差量等于0，并且一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直到车辆停止发动机熄火为止。