CN107379910B - 油气悬挂液压系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气悬挂液压系统，包括油气弹簧和液压控制元件，所述的油气弹簧包括蓄能器、节流阀等；所述的液压控制元件包括背压阀、液压泵、过滤器以及油箱等。本发明根据油气悬挂系统的非线性、变刚度、变阻尼等特点，将单向阀、节流阀、二位二通电比例阀置于悬架缸外部，通过控制流过二位二通电比例阀的电流来改变阀芯的位置，进而改变阀口通流面积，从而使得阻尼的大小根据路面不平度适时调整，使车辆的平顺性、操纵稳定性得到提高，达到最佳匹配，易于实现油气悬架的半主动控制，同时通过控制二位二通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀的启闭，可以实现调整车姿、车辆闭锁等功能，提高整车的通过性，满足刚性作业和柔性行驶的不同要求。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，涉及油气悬架技术，具体涉及一种用于越野车等车辆的油气悬挂液压系统。
背景技术
悬挂(悬架)是现代车辆的重要总成之一，是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称。它的功能是把路面作用于车轮上的垂直反力(支撑力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架(或承载式车身)上，以保证车辆的正常行驶。
油气悬架具有良好的非线性阻尼特性，结构简单，性能可靠，目前已经被载重车辆、工程车辆及一些军用车辆普遍采用。油气悬架系统结构主要包括液压缸、蓄能器以及节流孔和单向阀，油气悬架以惰性气体作为其弹性介质，靠液压油的不可压缩性来传递力，在油缸与蓄能器的连接油路中设置节流孔与单向阀，其代替了通常悬架系统的减振器元件，使油气悬架集弹性元件和减振器功能于一体，具有传统悬架的基本性能，同时具有车辆所需要的非线性特性，形成了独立的悬架系统。利用油液经过小孔的节流损失衰减振动能量，从而实现悬架的衰减振动、缓和路面冲击的基本作用。另外，安装有油气悬架的车辆可以实现最小离地间隙不随载荷的变化而变化，而且在一定程度上可以减小车身的俯仰角振动和侧倾振动，油气悬架具有较大的压缩刚度，避免了非悬架部分对车体的撞击，提高了车辆的行驶平顺性。因此，良好的油气悬架的非线性刚度特性和阻尼特性能够使车辆具有良好的行驶平顺性及越野性能，这是传统的被动悬架难以实现的。油气悬挂与其它悬挂形式相比虽然具有明显的优越性，但仍旧属于传统的被动悬挂范畴，其阻尼参数一经选定，便无法再进行更改，从车辆的舒适性和操纵稳定性来看，只能针对不同路况采取某种折中方案，限制了系统性能的充分发挥，使得现有的油气悬挂存在以下问题：
①动行程小。在路面状况恶劣条件下，由于油气悬架缸的阻尼参数已选定好，无法更改，从而导致车辆质心和驾驶员处的振动加速度较大，限制了越野速度的提高。②在车辆俯仰振动时，阻尼力明显不足，当车辆受到一个或多个冲击时，或者由于路面不平度的激励时，将会在某种速度下出现俯仰共振的危险工况。此时，较高的加速度作用于驾驶员和车内乘员。这种阻尼力不足的悬挂系统不但造成乘员乘坐环境恶劣，而且会导致车载设备和行动部件过早损坏。③冲击负荷过大。车轮运动至行程终点时，油气悬架缸不能充分减轻冲击负荷。④可靠性低。液压减振器或者摩擦式减振器的使用寿命都比较短，通常因为过热、漏油或者机械磨损而引起损坏或失效，但是这种失效并没有引起人们足够的重视，导致车体俯仰振动更加趋向恶化。
发明内容
针对传统油气悬架缸的节流孔和单向阀在油气悬架缸结构中，其阻尼参数一经选定，便无法再进行更改的缺陷，本发明在油气悬挂系统中引入了液压传动与控制技术，以克服所述的缺陷。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种油气悬挂液压系统，包括油气弹簧和液压控制元件，所述的油气弹簧包括蓄能器、节流阀、单向阀、二位二通电比例阀、悬架缸；所述的液压控制元件包括第一溢流阀、二位二通电磁换向阀、三位四通电磁换向阀、第二溢流阀、背压阀、液压泵、过滤器以及油箱；
所述的悬架缸的缸筒安装在汽车车轮与车桥之间，悬架缸的活塞杆连接在车架上，油箱设置在汽车内部，所述的液压泵安装在油箱上，过滤器位于液压泵和油箱之间；所述的液压泵通过三位四通电磁换向阀与悬架缸连接，其中，三位四通电磁换向阀的A口连接所述的悬架缸的无杆腔，B口封闭，T口连接所述的背压阀的进油口，P口连接所述的第一溢流阀的进油口，背压阀和第一溢流阀的出油口均连接所述的油箱；
所述的蓄能器依次通过二位二通电比例阀、二位二通电磁换向阀与悬架缸连接，其中：所述的节流阀和单向阀串联后并联在二位二通电比例阀的A2口和P2口上，二位二通电比例阀的A2口连接所述的蓄能器，P2口连接二位二通电磁换向阀的A1口，二位二通电磁换向阀的P1口与悬架缸的无杆腔连接；所述的第二溢流阀的进油口与所述的A1口连接，第二溢流阀的出油口连接所述的油箱。
进一步地，所述的三位四通电磁换向阀的上电磁铁通电、下电磁铁断电时，其工作在上位，即三位四通电磁换向阀的P口与B口连接，A口与T口连接；所述的三位四通电磁换向阀的上电磁铁断电、下电磁铁通电时，其工作在下位，即P口与A口连接，B口与T口连接。
进一步地，所述的三位四通电磁换向阀采用o型中位机能。
进一步地，所述的单向阀中允许液压油流过的方向为朝向蓄能器的方向。
进一步地，所述的悬架缸上安装有位移传感器，通过位移传感器检测悬架缸的动行程，与设定的期望值比较，然后通过模糊自整定PID控制器运算，通过输出控制电压，来控制二位二通电比例阀的电流强度，从而改变其阀口节流面积大小。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
1.通过控制阀的电流强度，适时调节阀通流面积，进而阻尼大小根据路面不平度适时调整，改善了车辆的振动环境，易于实现车身高度及车身姿态的调节。
2.油气悬挂系统还可以实现悬挂闭锁。液压闭锁可使弹性悬架变成刚性悬架，在车辆爬坡和紧急制动时有利于防止横向侧滑，提高车辆的通过性，具有大的车轮动行程和车体距地高。
3.非线性弹簧特性，此特点使得车轮动行程范围内的刚性系数得到优化。在大部分动行程范围内用小的刚性系数，得到令人满意的乘坐舒适性；在动行程接近结束时，刚性系数迅速增加，避免悬挂装置撞击限制器。
4.改善了减振器的散热条件，增大散热面积，提高散热功率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为模糊自整定PID控制算法的流程示意图；
图中标号代表：1-1左蓄能器，2-1左节流阀，3-1左单向阀，4-1左二位二通电比例阀，5-1第二左溢流阀，6-1左二位二通电磁换向阀，7-1左悬架缸，8-1左三位四通电磁换向阀，9-1第一左溢流阀，10-1左背压阀，11液压泵，12过滤器，13油箱，14-1左车轮，1-2右蓄能器，2-2右节流阀，3-2右单向阀，4-2右二位二通电比例阀，5-2第二右溢流阀，6-2右二位二通电磁换向阀，7-2右悬架缸，8-2右三位四通电磁换向阀，9-2第一右溢流阀，10-2右背压阀，14-2右车轮。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种油气悬挂液压系统，包括油气弹簧和液压控制元件，所述的油气弹簧包括蓄能器、节流阀、单向阀、二位二通电比例阀、悬架缸；所述的液压控制元件包括第一溢流阀、二位二通电磁换向阀、三位四通电磁换向阀、第二溢流阀、背压阀、液压泵11、过滤器12以及油箱13；油气弹簧和液压控制元件中，除了悬架缸之外的其余部件均设置在汽车内部，部件之间通过液压油管实现连接。本实施例中，设置了两套液压系统，即油气弹簧和液压控制元件均设置一对，分别作用于同一个车桥两侧的车轮。所述的一对液压控制元件共用一个油箱13、过滤器12和液压泵11。两套液压系统并联设置，在结构上对称，为便于说明，记左液压系统中的各部件分别为左蓄能器1-1、左节流阀2-1、左单向阀3-1、左二位二通电比例阀4-1、左悬架缸7-1、第一左溢流阀9-1、左二位二通电磁换向阀6-1、左三位四通电磁换向阀8-1、第二左溢流阀5-1、左背压阀10-1；记右液压系统中的各部件分别为右蓄能器1-2、右节流阀2-2、右单向阀3-2、右二位二通电比例阀4-2、右悬架缸7-2、第一右溢流阀9-2、右二位二通电磁换向阀4-2、右三位四通电磁换向阀8-2、第二右溢流阀5-2、右背压阀10-2；以下以左液压系统为例展开说明，右液压系统对应于右车轮14-2，其结构、工作过程与左液压系统相同，不再赘述。
该油气悬挂液压系统以油液作为传力介质，而以气体(一般是惰性气体“氮”)作为弹性介质，可以看作是液力减振器和空气弹簧的组合部件。
所述的左悬架缸7-1的缸筒安装在汽车车轮与车桥之间，左悬架缸7-1的活塞杆连接在车架上，从而与车轮相连。油箱13设置在汽车内部，所述的液压泵11安装在油箱13上，过滤器12位于液压泵11和油箱13之间，过滤器12用于过滤油液中的杂质，防止污染系统；液压泵11在工作时抽取油箱13中的油液提供给左液压系统和右液压系统。
所述的液压泵11通过左三位四通电磁换向阀8-1与左悬架缸7-1连接，其中，左三位四通电磁换向阀8-1的A口连接所述的左悬架缸7-1的无杆腔，B口封闭，T口连接所述的左背压阀10-1的进油口，P口连接所述的第一左溢流阀9-1的进油口，左背压阀10-1和第一溢左流阀的出油口均连接所述的油箱13；当左液压系统的压力超过阈值时，第一左溢流阀9-1打开，使得油液流回到油箱13中，起到卸荷、保护系统，限制负载最高压力的作用。
当左三位四通电磁换向阀8-1的上电磁铁通电，下电磁铁断电时，其工作在上位，即左三位四通电磁换向阀8-1的P口与B口连接，A口与T口连接；当左三位四通电磁换向阀8-1的下电磁铁通电，上电磁铁断电时，其工作在下位，即左三位四通电磁换向阀8-1的P口与A口连接，B口与T口连接。
图1中左三位四通电磁换向阀8-1、右三位四通电磁换向阀都采用o型中位机能，其初始状态，即关闭状态，没有油液从三位四通电磁换向阀流到悬架缸。
所述的左蓄能器1-1依次通过左二位二通电比例阀4-1、左二位二通电磁换向阀6-1与左悬架缸7-1连接，其中：所述的左节流阀2-1和左单向阀3-1串联后并联在左二位二通电比例阀4-1的A2口和P2口上，左二位二通电比例阀4-1的A2口连接所述的左蓄能器1-1，P2口连接左二位二通电磁换向阀6-1的A1口，左二位二通电磁换向阀6-1的P1口与左悬架缸7-1的无杆腔连接；所述的第二左溢流阀5-1的进油口与所述的A1口连接，第二左溢流阀5-1的出油口连接所述的油箱13。说明：二位二通电比例阀和二位二通电磁换向阀其原本的接口也是A口和P口，本方案中为了与三位四通电磁换向阀的A口和P口区分，重新进行了命名，即将二位二通电磁换向阀的A口和P口记为A1口和P1口。二位二通电比例阀A口和P口记为A2口和P2口。
左二位二通电磁换向阀6-1初始状态为关闭状态，当汽车，例如装载机、越野车等车辆高速行驶时，通过驾驶员操作使得左二位二通电磁换向阀6-1打开，左三位四通电磁换向阀8-1关闭，路面的上下起伏作用在左车轮14-1上，带动左悬架缸7-1的活塞在左悬架缸7-1内上下运动；当装载机、越野车低速作业时，通过驾驶员操作使得左二位二通电磁换向阀6-1和左三位四通电磁换向阀8-1关闭，油气悬挂系统处于闭锁状态，提高装载机、越野车等车辆负载作业时的稳定性和安全性；当该车辆需要改变姿态时，通过驾驶员操作使得左二位二通电磁换向阀6-1关闭，左三位四通电磁换向阀8-1开启，通过调节车辆的高度，改善车辆的通过性能和行驶性能。所述第二左溢流阀5-1的作用是限制左蓄能器1-1的最高压力，保护系统。所述左单向阀3-1与左节流阀2-1串联，用于保证油液只能从左节流阀2-1进口进入，从左节流阀2-1出口流出，即左单向阀3-1中允许液压油流过的方向为朝向左蓄能器1-1的方向。然后两者共同与左二位二通电比例阀4-1并联，左二位二通电比例阀4-1的初始状态为关闭状态。
所述的左悬架缸7-1上安装有位移传感器，通过位移传感器检测左悬架缸7-1的动行程，与设定的期望值比较，然后通过模糊自整定PID控制器运算，通过输出控制电压，来控制二位二通电比例阀的电流强度，从而改变其阀口节流面积大小，以达到调节悬架缸阻尼的目的，这样阻尼可以根据路况进行变化，衰减震动。左蓄能器1-1内高压氮气起到气体弹簧的作用，减轻了车辆对地面的冲击。
如图2所示，该油气悬挂液压系统采用模糊PID控制算法，模糊PID控制器是以误差e和误差变化率ec作为控制器的输入，模糊控制器的输出为PID控制器的比例因子、积分因子和微分因子的调整系数，控制器根据系统的误差和误差变化率的情况而采用不同的参数进行计算实现PID的3个参数的自整定。
本实施例中，选用悬架缸的动行程和动行程的变化率作为模糊控制器的输入，根据模糊规则得出PID的三个参数kp、ki、kd的增量Δkp、Δki、Δkd，从而实现对PID控制器三个参数kp、ki、kd的在线调整，从而调整控制电压的输出，以控制通过二位二通电比例阀的电流，进而改变其阀口通流面积，从而使得阻尼值根据控制算法而变化，实现最佳匹配，从而实现油气悬挂系统的半主动控制。
本发明的工作过程如下：
当装载机、越野车等车辆高速行驶时，通过驾驶员操作使得左二位二通电磁换向阀6-1处于上位，即开启状态，左三位四通电磁换向阀8-1处于中位，即关闭状态，路面的上下起伏作用在左车轮14-1上，带动左悬架缸7-1的活塞在左悬架缸7-1内上下运动。当左车轮14-1向上运动时，此时左二位二通电比例阀4-1处于上位，即关闭状态，带动活塞杆向上运动，使得活塞压缩油液通过左节流阀2-1和左单向阀3-1，进入左蓄能器1-1，油液通过左节流阀2-1和左单向阀3-1时，此时由左节流阀2-1和左单向阀3-1共同产生阻尼力，消耗了一部分能量，同时左蓄能器1-1中气体被压缩储存了能量。
随后，当左车轮14-1要向下运动时，左蓄能器1-1储存的能量释放，此时左二位二通电比例阀4-1处于下位，即开启状态。油液通过左二位二通电比例阀4-1，进入左悬挂缸，推动左悬架缸7-1的活塞及左车轮14-1向下运动，此时通过控制左二位二通电比例阀4-1的电流强度来调整阀口节流面积，从而使得阻尼值根据模糊PID控制算法而变化，实现最优匹配，衰减车辆的振动，提高车辆的行驶平顺性；
当装载机、越野车低速行驶时，通过驾驶员操作使得左二位二通电磁换向阀6-1处于下位和左三位四通电磁换向阀8-1处于中位，即都处于关闭状态，油气悬挂系统处于闭锁状态，提高装载机、越野车等车辆负载作业时的稳定性和安全性；
当车辆以某一速度在不平路面上行驶时，通过位移传感器检测悬架缸的动行程，与其期望值进行比较，然后经过模糊自整定PID控制器的运算，通过输出控制电压，以控制通过左二位二通电比例阀4-1的电流，进而来改变其阀口节流面积大小，从而使得系统的阻尼值根据路况变化，从而实现油气悬挂系统的半主动控制；
当该车辆需要改变姿态时，通过驾驶员的操作使得左二位二通电磁换向阀6-1处于下位，即关闭状态，左三位四通电磁换向阀8-1处于开启状态。当左三位四通电磁换向阀8-1下位开启时，油液在液压泵11压力作用下进入左悬架缸7-1，将车辆顶起，车体上升；左三位四通电磁换向阀8-1上位开启时，左悬架缸7-1油液在车自重状态下经左背压阀10-1被压入油箱13，车体下降，从而实现了车身高度调节，改善了车辆的通过性能和行驶性能。驾驶员具体根据实际情况，操作车辆调整车辆姿态。
该油气悬挂液压系统有三个特点，第一油气悬挂液压系统具有非线性变刚度特性，当越野车等车辆在平坦路面行驶时，由于悬架动行程较小，气体弹性介质承受瞬时压力所产生的刚度也就小，能够满足一般平顺性的要求；在越野状态下，越野车辆在起伏地面行驶时，悬挂装置的弹性力呈现出非线性变化且幅值增加，因而可以吸收比较多的冲击能量，在这时候发挥出气体的单位质量储存能量比大的特点，有效地起到缓冲的作用，可以避免能量直接传递到车身上以及避免“悬挂击穿”现象的出现，从而在一定的程度上提高了车辆的越野速度，改善了越野行驶的机动性。第二非线性阻尼特性，该油气悬挂液压系统里有左二位二通电比例阀4-1、右二位二通电比例阀，与普通液压减振器相同的是油气弹簧的阻尼系数也具有非线性特征，悬挂阻尼力和阻尼比均随着车架与车桥相对速度的变化而变化。越野车等车辆装备了可调式油气悬挂液压系统之后，可以实现车体的升降，前后的俯仰和左右的倾斜，可以提高车辆的通过性。它主要是通过左三位四通电磁换向阀8-1、右三位四通电磁换向阀的开闭，通过液压泵11对左悬架缸7-1、右悬架缸的补油或排油实现上述功能，以改善车辆的野外越障能力，提高越野通过性。对于车姿调节功能通常只有在主动悬架中才能实现，而该油气悬挂液压系统也实现了车姿调节功能，这体现了该油气悬挂的优越性能。并且该油气悬挂液压系统具有闭锁功能，以实现刚性作业和柔性行驶的不同要求。油气悬挂装置闭锁时，可以使弹性悬挂变成刚性悬挂，以实现越野车等车辆的刚性作业，提高其作业效率。柔性行驶用以降低行驶时车辆的震动，减少对行动系统的冲击，提高整车使用寿命。
Claims (3)
1.一种油气悬挂液压系统，其特征在于，包括油气弹簧和液压控制元件，所述的油气弹簧包括蓄能器、节流阀、单向阀、二位二通电比例阀、悬架缸；所述的液压控制元件包括第一溢流阀、二位二通电磁换向阀、三位四通电磁换向阀、第二溢流阀、背压阀、液压泵、过滤器以及油箱；
所述的悬架缸的缸筒安装在汽车车轮与车桥之间，悬架缸的活塞杆连接在车架上，油箱设置在汽车内部，所述的液压泵安装在油箱上，过滤器位于液压泵和油箱之间；所述的液压泵通过三位四通电磁换向阀与悬架缸连接，其中，三位四通电磁换向阀的A口连接所述的悬架缸的无杆腔，B口封闭，T口连接所述的背压阀的进油口，P口连接所述的第一溢流阀的进油口，背压阀和第一溢流阀的出油口均连接所述的油箱；
所述的蓄能器依次通过二位二通电比例阀、二位二通电磁换向阀与悬架缸连接，其中：所述的节流阀和单向阀串联后并联在二位二通电比例阀的A2口和P2口上，二位二通电比例阀的A2口连接所述的蓄能器，P2口连接二位二通电磁换向阀的A1口，二位二通电磁换向阀的P1口与悬架缸的无杆腔连接；所述的第二溢流阀的进油口与所述的A1口连接，第二溢流阀的出油口连接所述的油箱；
所述的三位四通电磁换向阀的上电磁铁通电、下电磁铁断电时，其工作在上位，即三位四通电磁换向阀的P口与B口连接，A口与T口连接；所述的三位四通电磁换向阀的上电磁铁断电、下电磁铁通电时，其工作在下位，即P口与A口连接，B口与T口连接；
所述的悬架缸上安装有位移传感器，通过位移传感器检测悬架缸的动行程，与设定的期望值比较，然后通过模糊自整定PID控制器运算，通过输出控制电压，来控制二位二通电比例阀的电流强度，从而改变其阀口节流面积大小。
2.如权利要求1所述的油气悬挂液压系统，其特征在于，所述的三位四通电磁换向阀采用o型中位机能。
3.如权利要求1所述的油气悬挂液压系统，其特征在于，所述的单向阀中允许液压油流过的方向为朝向蓄能器的方向。
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