CN108412943B

CN108412943B - 一种阻尼可变汽车悬架减震器及其控制方法

Info

Publication number: CN108412943B
Application number: CN201810261392.5A
Authority: CN
Inventors: 李明杰; 李冬冬; 杨明; 王德发; 邱溪媛
Original assignee: Liaoning Mechatronics College
Current assignee: Liaoning Mechatronics College
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: CN108412943A

Abstract

本发明公开一种阻尼可变汽车悬架减震器，包括：工作缸，其内部设置有可流动阻尼液；活塞杆，其设置在所述工作缸内且能够沿所述工作缸轴向运动；活塞，其设置在所述活塞杆上，所述活塞外周面与所述工作缸内壁面之间设置有阻尼通道，用于所述阻尼液的流通；凹槽，其沿所述活塞中部周向设置，所述凹槽底部周向缠绕有励磁线圈；弹簧，其套设在所述工作缸外部。本发明所述的阻尼可变汽车悬架减震器，在车辆行驶过程中，减震器的阻尼可变，提高驾驶舒适性和平稳性。本发明还提供一种阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，在车辆行驶过程中，根据汽车的重量和弹簧的压缩量对阻尼器的阻尼大小进行控制，提高驾驶舒适性和平稳性。

Description

一种阻尼可变汽车悬架减震器及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车减震技术领域，更具体的是，本发明涉及一种阻尼可变汽车悬架减震器及其控制方法。

背景技术

减震器是产生阻尼力的主要元件，其作用是迅速衰减汽车的振动，改善汽车的行驶平顺性，增强车轮和地面的附着力。另外，减震器能够降低车身部分的动载荷，延长汽车的使用寿命。

汽车悬架系统中弹性元件的作用是使车辆在行驶时由于不平路面产生的震动得到缓冲，减少车身的加速度从而减少有关零件的动负荷和动应力。如果只有弹性元件，则汽车在受到一次冲击后振动会持续下去。但汽车是在连续不平的路面上行驶的，由于连续不平产生的连续冲击必然使汽车振动加剧，甚至发生共振，反而使车身的动负荷增加。所以悬架中的阻尼必须与弹性元件特性相匹配，避免弹簧反复运动，抑制弹簧的持续跳跃，提高驾驶舒适性和稳定性，提高零件的使用寿命。

传统汽车采用的普通阻尼器由于阻尼系数恒定，不能随汽车行驶路面的好坏以及汽车载重的不同而改变，使得汽车载重过大时显得“较软”，载重过小时显得“较硬”；亦或是车辆震动较大时显得“较软”，振动较小时显示的“较硬”，使得零件使用寿命降低，用时也降低了驾驶舒适性和稳定性。

发明内容

本发明一个目的是设计开发了一种阻尼可变汽车悬架减震器，在车辆行驶过程中，减震器的阻尼可变，提高驾驶舒适性和平稳性。

本发明另一个目的是设计开发了一种阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，在车辆行驶过程中，根据汽车的重量和弹簧的压缩量对阻尼器的阻尼大小进行控制，提高驾驶舒适性和平稳性。

本发明提供的技术方案为：

一种阻尼可变汽车悬架减震器，包括：

工作缸，其内部设置有可流动阻尼液；

活塞杆，其设置在所述工作缸内且能够沿所述工作缸轴向运动；

活塞，其设置在所述活塞杆上，所述活塞外周面与所述工作缸内壁面之间设置有阻尼通道，用于所述阻尼液的流通；

凹槽，其沿所述活塞中部周向设置，所述凹槽底部周向缠绕有励磁线圈；

弹簧，其套设在所述工作缸外部。

优选的是，还包括：

第一连杆，其一端连接车桥，另一端连接所述工作缸底部；

第二连杆，其一端连接汽车悬架，另一端连接所述活塞杆。

优选的是，所述阻尼液为磁流变液。

优选的是，还包括：

温度传感器，其设置在所述工作缸外壁面上，用于检测工作缸外壁面的温度；

重量传感器，其设置在所述车桥上，用于检测汽车重量；

红外传感器，其设置在所述弹簧两端，用于检测弹簧的长度；

控制器，其与所述温度传感器、重量传感器、红外传感器和励磁线圈连接，用于接收所述温度传感器、重量传感器和红外传感器的检测数据并控制所述励磁线圈工作。

相应地，本发明还提供一种阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，包括：

当时，其中，x₀为弹簧的初始长度，x为红外传感器检测的弹簧的长度，Δx_l为弹簧的极限压缩量；

控制器控制励磁线圈中通过的交变电流的大小为：

其中，I为励磁线圈中通过的交变电流的大小，r为励磁线圈的半径，μ₀为真空磁导率，μ为阻尼液的磁导率，χ为阻尼液的磁化率，R为热力学常数， T为工作缸外壁面的开氏温度，π为圆周率，k为弹簧的劲度系数，M为汽车重量，g为重力加速度，D₀为工作缸的内径，d为阻尼通道的宽度，η₀为阻尼液在没有外加磁场时的粘度，V为阻尼液的摩尔体积。

优选的是，所述交变电流的频率为50Hz。

优选的是，所述控制器还包括模糊控制器，当时：

将弹簧的初始长度x₀和红外传感器检测的弹簧的长度x的差值Δx与汽车的重量M输入模糊控制器，所述弹簧长度的差值Δx和汽车的重量M分为7个等级；

模糊控制器输出励磁线圈中通过的交变电流I的大小，输出分为7个等级；

所述弹簧长度的差值Δx的模糊论域为[0,1]，其量化因子为0.1；所述汽车的重量M的模糊论域为[2,3]，量化因子为600；输出励磁线圈中通过的交变电流I的大小的模糊论域为[0,1]，量化因子为15；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，还包括模糊PID控制器：

输入弹簧的长度差值与弹簧极限压缩量的比值和弹簧的理想长度差值与弹簧极限压缩量的比值的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行励磁线圈中通过的交变电流的大小的误差补偿控制。

优选的是，

所述弹簧的长度差值与弹簧极限压缩量的比值和弹簧的理想长度差值与弹簧极限压缩量的比值的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1.2；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1.5；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为 [-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS， PM，PB}。

优选的是，所述交变电流的频率为50Hz。

本发明所述的有益效果为：

(1)本发明所述的阻尼可变汽车悬架减震器，在车辆行驶过程中，减震器的阻尼可变，提高驾驶舒适性和平稳性，也提高了零件的使用寿命。

(2)本发明所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，在车辆行驶过程中，当弹簧的压缩量低于设定阈值时，根据汽车重量和弹簧的压缩量基于模糊PID控制方法对阻尼器中的励磁线圈的电流的大小进行控制；当弹簧的压缩量高于设定阈值时，根据经验公式对阻尼器中的励磁线圈的电流的大小进行控制；对阻尼器中的励磁线圈的电流的大小进行控制，使得产生的磁场强度大小可控，减震器中的阻尼液即磁流变液的粘度根据磁场的不同而改变，产生的阻尼系数也不同，因此，根据车辆载重和弹簧受到的压力可以对减震器的阻尼大小进行控制，提高驾驶舒适性和平稳性。

附图说明

图1为本发明所述阻尼可变汽车悬架减震器的安装示意图。

图2为本发明所述阻尼可变汽车悬架减震器的结构示意图。

图3是本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。

图4是本发明所述的模糊控制器的输入弹簧长度的差值Δx的隶属度函数图。

图5是本发明所述的模糊控制器的输入汽车的重量M的隶属度函数图。

图6是本发明所述的模糊控制器的输出励磁线圈中通过的交变电流I的大小的隶属度函数图。

图7是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图8是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图9是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图10是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数图。

图11是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供一种阻尼可变汽车悬架减震器，包括：工作缸110，其内部设置有可流动阻尼液120；活塞杆130，其设置在所述工作缸内110且能够沿所述工作缸110轴向运动；活塞140，其设置在所述活塞杆 130上，所述活塞140外周面与所述工作缸110内壁面之间设置有阻尼通道 150，用于所述阻尼液120的流通；凹槽141，其沿所述活塞140中部周向设置，所述凹槽141底部周向缠绕有励磁线圈142；弹簧160，其套设在所述工作缸110外部。当然还包括：第一连杆170，其一端连接车桥171，另一端连接所述工作缸110底部；第二连杆180，其一端连接汽车悬架181，另一端连接所述活塞杆130。

本发明中，所述阻尼液为磁流变液，当磁场强度变大时，所述磁流变液的粘液也变大。

本发明中，还包括：温度传感器，其设置在所述工作缸110外壁面上，用于检测工作缸110外壁面的温度；重量传感器，其设置在所述车桥171上，用于检测汽车重量；红外传感器，其设置在所述弹簧160两端，用于检测弹簧160的长度；控制器，其与所述温度传感器、重量传感器、红外传感器和励磁线圈142连接，用于接收所述温度传感器、重量传感器和红外传感器的检测数据并控制所述励磁线圈142工作，主要控制励磁线圈中通过的交变电流的大小和频率。

工作原理：

汽车行驶过程中，由于路面激励振动，活塞和工作缸发生相对运动，由于震动强度不同，弹簧受到的压力也不同，红外传感器检测弹簧的实时长度，并根据弹簧的劲度系数以及初始长度即可得到弹簧此时的压力。控制器接收到弹簧的压力变化，进而控制励磁线圈中通过的交变电流的大小，当压力较大时，控制器控制励磁线圈中通过的交变电流的大一些，进而磁场也强一些。在外加磁场的作用下，磁流变液体中的磁极化分子沿磁场方向定向移动，使粒子首尾相接，形成链状或者网状，从而改变磁流变液体的流动特性。当外加磁场强时，磁流变液体的流动性变弱(即粘度变大)，磁流变液体在阻尼通道中流动能力变弱，更好的转移弹簧受到的压力，维持汽车行驶稳定性和舒适性。

本发明所述的阻尼可变汽车悬架减震器，在车辆行驶过程中，减震器的阻尼可变，提高驾驶舒适性和平稳性，也提高了零件的使用寿命。

本发明还提供一种阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，包括：

(1)当时，其中，x₀为弹簧的初始长度(m)，x为红外传感器检测的弹簧的长度(m)，Δx_l为弹簧的极限压缩量(m)；

控制器根据经验控制励磁线圈中通过的交变电流的大小为：

其中，I为励磁线圈中通过的交变电流的大小(A)，r为励磁线圈的半径即励磁线圈绕凹槽底部周向缠绕的半径(m)，μ为阻尼液的磁导率(H/m)， μ₀为真空磁导率(H/m)，χ为阻尼液的磁化率，R为热力学常数(J·mol^-1·K^-1)， T为工作缸外壁面的开氏温度(K)，π为圆周率，k为弹簧的劲度系数(N/m)， M为汽车重量(kg)，g为重力加速度(m·s^-2)，D₀为工作缸的内径(m)， d为阻尼通道的宽度(m)，η₀为阻尼液在没有外加磁场时的粘度(Pa·s)， V为阻尼液的摩尔体积(L/mol)。

所述交变电流的频率为50Hz。

(2)当时，本实施例中的控制器包括模糊控制器和模糊PID 控制器，控制方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：将弹簧的初始长度x₀和红外传感器检测的弹簧的长度x的差值 Δx(m)、汽车的重量M(kg)和励磁线圈中通过的交变电流I(A)的大小进行模糊处理；在无控时，弹簧长度的差值Δx的模糊论域为[0,1]，其量化因子为0.1；所述汽车的重量M的模糊论域为[2,3]，量化因子为600；输出励磁线圈中通过的交变电流I的大小的模糊论域为[0,1]，量化因子为15；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述弹簧长度的差值Δx和汽车的重量M分为7个等级；输出励磁线圈中通过的交变电流I的大小，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB， NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：

(2.1)弹簧长度的差值Δx一定，汽车的重量M增大，需要减小励磁线圈中通过的交变电流I的大小；

(2.2)汽车的重量M一定，弹簧长度的差值Δx增大时，需要增大励磁线圈中通过的交变电流I的大小；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一励磁线圈中通过的交变电流的大小的模糊控制表

模糊控制器输入弹簧长度的差值Δx和汽车的重量M，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出励磁线圈中通过的交变电流I的大小，励磁线圈中通过的交变电流I的大小利用重心法解模糊化。

步骤2：模糊PID控制器

将第i个所述弹簧的长度差值与弹簧极限压缩量的比值和弹簧的理想长度差值与弹簧极限压缩量的比值的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1.2；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1.5；PID的比例系数K_p的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数K_i的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数K_d的模糊论域为 [-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM， PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图4-11。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较小，选择适当大小的K_d；

3、当偏差|e|较小时，增大K_pK_i的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入第i个所述弹簧的长度差值与弹簧极限压缩量的比值和弹簧的理想长度差值与弹簧极限压缩量的比值的偏差e、偏差变化率ec，输出PID 的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行励磁线圈中通过的交变电流I 的大小的误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对励磁线圈中通过的交变电流I的大小进行精确控制，励磁线圈中通过的交变电流I的大小为模糊控制器的输出电流和PID控制器的电流误差补偿值的加和，使励磁线圈中通过的交变电流I 的大小得以精确控制，使其偏差小于0.1％。

所述交变电流的频率仍为50Hz。

本发明所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，在车辆行驶过程中，当弹簧的压缩量低于设定阈值时，根据汽车重量和弹簧的压缩量基于模糊 PID控制方法对阻尼器中的励磁线圈的电流的大小进行控制；当弹簧的压缩量高于设定阈值时，根据经验公式对阻尼器中的励磁线圈的电流的大小进行控制；对阻尼器中的励磁线圈的电流的大小进行控制，使得产生的磁场强度大小可控，减震器中的阻尼液即磁流变液的粘度根据磁场的不同而改变，产生的阻尼系数也不同，因此，根据车辆载重和弹簧受到的压力可以对减震器的阻尼大小进行控制，提高驾驶舒适性和平稳性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，其特征在于，包括：

工作缸，其内部设置有可流动阻尼液；

弹簧，其套设在所述工作缸外部；

重量传感器，其设置在车桥上，用于检测汽车重量；

控制器，其与所述温度传感器、重量传感器、红外传感器和励磁线圈连接，用于接收所述温度传感器、重量传感器和红外传感器的检测数据并控制所述励磁线圈工作；

控制器控制励磁线圈中通过的交变电流的大小为：

其中，I为励磁线圈中通过的交变电流的大小，r为励磁线圈的半径，μ₀为真空磁导率，μ为阻尼液的磁导率，χ为阻尼液的磁化率，R为热力学常数，T为工作缸外壁面的开氏温度，π为圆周率，k为弹簧的劲度系数，M为汽车重量，g为重力加速度，D₀为工作缸的内径，d为阻尼通道的宽度，η₀为阻尼液在没有外加磁场时的粘度，V为阻尼液的摩尔体积。

2.如权利要求1所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，其特征在于，所述交变电流的频率为50Hz。

3.如权利要求2所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，其特征在于，所述控制器还包括模糊控制器，当时：

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

4.如权利要求3所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：

5.如权利要求4所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，其特征在于，

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

6.如权利要求3-5中任意一项所述的阻尼可变汽车悬架减震器的控制方法，其特征在于，所述交变电流的频率为50Hz。