CN109083964B - 一种空气弹簧容积调节机构及其应用和控制方法 - Google Patents

一种空气弹簧容积调节机构及其应用和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种空气弹簧容积调节机构及其应用和控制方法，附加气室内设置有固定螺旋面板和带有旋转轴的旋转螺旋面板，固定旋转面板固定安装于附加气室内的外筒壁的内表面上，带有旋转轴的旋转螺旋面板沿附加气室的中轴线方向竖直设立；旋转轴的底端延伸至下底座的内腔中，并由下底座的内腔中的驱动电机驱动旋转；旋转螺旋面板随着旋转轴的转动而旋转。本发明通过驱动旋转螺旋面板做顺时针或逆时针旋转运动，来改变空气弹簧的工作容积，进而改变空气弹簧的刚度。上层控制器输出所需附加气室的容积，下层控制器控制电机转动的角度，控制悬架在工作过程中附加气室处于最佳容积，以适应车辆各种行驶工况，改善悬架系统综合性能。

Description

一种空气弹簧容积调节机构及其应用和控制方法
技术领域
本发明属于车辆悬架技术，具体涉及一种空气弹簧容积调节机构及其应用和控制方法。
背景技术
空气弹簧是利用密封空气的气压和可压缩性实现静态承载和动态回弹的作用，具有缓和冲击、减小振动的功能。在电控空气悬架上应用较多的是普通的空气弹簧，普通的空气弹簧设计制造完成后，在使用过程中，其各方面性能几乎没有多大的改变，以致不能够很好的应对车辆在使用过程中所处的各种工况。空气弹簧力学性能与初始气压、有效面积、容积及其变化率等有关。若要得到性能更优的空气弹簧，现阶段的研究成果主要围绕空气弹簧的容积展开，譬如专利(授权公众号：CN103244597B)以及专利(授权公众号：CN103307188B)提出了空气弹簧外置若干附加气室，不同的附加气室与空气弹簧主气室通过通断组合实现不同的空气弹簧实际工作体积，以此实现刚度的多级调节，其中比较成熟的方案是软、中、硬三级可调，也已在实车中采用。
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，提供一种空气弹簧容积调节机构及其应用和控制方法。
技术方案：本发明的一种空气弹簧容积调节机构，包括附加气室、下底座和弹簧座，附加气室安装于下底座顶端、弹簧座安装于下底座底端，其特征在于：所述附加气室内部设置有固定螺旋面板和带有旋转轴的旋转螺旋面板，固定旋转面板固定安装于附加气室外筒壁的内表面，旋转螺旋面板的旋转轴沿附加气室的中轴线方向竖直设立；旋转轴的底端延伸至下底座的内腔中，并由下底座的内腔中的驱动电机驱动旋转；旋转螺旋面板随着旋转轴的转动而旋转；
所述旋转螺旋面板与固定螺旋面板共同将附加气室内腔划分为两部分，即与主气室相通的工作空间和与外界环境相通的非工作空间。
进一步的，所述固定螺旋面板与旋转螺旋面板对应的每级面板之间的距离均相同且同心，另外固定螺旋面板与旋转螺旋面板的尺寸和面板级数可根据附加气室的实际大小而定；两者均采用金属刚性材质。同时，固定螺旋面板与旋转螺旋面板两者的相对位置在最大容积出和最小容积处刚好相反。
进一步的，所述附加气室整体呈中空圆柱形，附加气室顶部覆盖有上盖板，上盖板上开设有贯通孔(能够实现附加气室的工作空间与主气室之间的气体交换)；附加气室的外筒壁内表面上设有与固定螺旋面板相适配的螺旋凹槽，固定螺旋面板的每级面板的边缘均卡固于螺旋凹槽中。
进一步的，所述固定螺旋面板的最上层面板和最下层面板上分别设有上通孔和下通孔；所述上通孔和下通孔的直径均不超出固定螺旋面板上的端平面的范围以保证工作空间的密封性。
进一步的，所述下底座的内腔中还有设有主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮与驱动电机的输出轴相连，从动齿轮与旋转轴的底端相连，主动齿轮与从动齿轮相啮合。通过旋转轴带动旋转螺旋面板做顺时针或逆时针旋转运动，即可改变固定螺旋面板、旋转螺旋面板及附加气室外筒壁所围成的附加气室工作空间，从而改变空气弹簧的刚度。
进一步的，所述附加气室与下底座的连接处开设有联通孔(能够实现附加气室的非工作空间与外界的压强平衡)，下底座的侧壁上开设有通气孔和通气管路。
进一步的，所述旋转螺旋面板上表面与固定螺旋面板下表面相贴合时，此时为最小容积Vmin＝0；而其下表面与固定螺旋面板上表面相贴合时，此时为最大容积Vmax；
最小容积时作为旋转螺旋面板旋转轴的初始位置，容积V与旋转螺旋面板旋转轴转过的角度α满足如下关系：
Figure BDA0001784729310000021
其中vmax为附加气室最大容积值；αmax为旋转螺旋面板的旋转轴可转过的最大角度；α为旋转螺旋面板旋转轴相对初始位置转过角度。
本发明还公开了一种空气弹簧容积调节机构的应用，所述空气弹簧安装于车轴上，且连通车身和车轴，空气弹簧内的驱动电机由车载电源供电，并通过信号线与控制器相连，控制器的输入信号由传感器组件采集；其中旋转螺旋面板的旋转轴设置在初始位置，并设定附加气室容积为0时为初始位置，旋转轴的底端上设有两个角度传感器，即两个角度传感器均安装于附加气室下底座的内腔中，角度传感器实时检测旋转轴所处的角度。
本发明还公开了一种空气弹簧容积调节机构的控制方法，依次包括以下步骤：
(1)建立路面模型以及含空气弹簧容积调节机构的1/4车辆悬架系统动力学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立1/4车辆悬架系统仿真模型，比较仿真结果与实车实验结果，来验证所建立的动力学模型的准确性与有效性或修正该模型；
(2)采用去单位化和层次分析法，将车身垂向加速度、轮胎动载荷以及悬架动挠度三个目标优化问题转换成单目标优化问题；构建包含车身垂向加速度、轮胎动载荷以及悬架动挠度三者加权之和为目标函数J：
Figure BDA0001784729310000031
其中α，β，γ为加权系数，α+β+γ＝1；
Figure BDA0001784729310000032
为簧上质量垂向加速度均方根值；
Figure BDA0001784729310000033
为轮胎动载荷均方根值；
Figure BDA0001784729310000034
悬架动挠度均方根值；m为1/4悬架簧上质量与簧下质量之和；g为重力加速度；f为悬架最大静挠度；
(3)基于退火免疫Backstepping分层控制策略，车身的上层控制器输出所需附加气室的容积，车身的下层控制器控制电机转动的角度，以此匹配最佳容积的附加气室；
其中，上层控制器采用退火免疫混合算法，在人工免疫算法中嵌入模拟退火算法：设计变量为附加气室容积V，目标函数为J，约束条件为悬架偏频、轮胎动载荷以及悬架动挠度这三者的取值范围；路面激励、车速等价于抗原，附加气室的容积等价于初始抗体种群，免疫算法中目标函数J等价于算法中的亲和度，模拟退火算法中目标函数J等价于内能；人工免疫算法通过计算初始附加气室容积值的亲和度、激励度以及免疫操作之后得到初步优化的附加气室容积值，作为模拟退火算法的初始解集，模拟退火算法通过设置初始温度等操作并计算目标函数J的增量，采用Metropolis准则对所得到的附加气室容积进一步寻优直至满足终止条件，最终得到附加气室容积的期望值；
下层控制器采用Backstepping控制策略：上层控制器输出期望附加气室的容积，下层控制器的控制目标是控制驱动电机带动旋转螺旋面板转过一定的角度，使附加气室的容积达到期望的值；
通过容积V与旋转螺旋面板旋转轴转过的角度α满足的关系将容积的期望值转换为旋转螺旋面板旋转轴所在的角度期望值；
设计下层控制器时，首先定义误差变量，再选取合适的Lyapunov函数，并引入合适的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到驱动电机控制电压控制率，其中，第一个误差变量为：旋转螺旋面板旋转轴的当前角度值与期望角度值的差值；
(4)将步骤(1)所建立的含空气弹簧容积调节机构的1/4车辆悬架系统动力学模型、车辆的参数以及上述基于退火免疫Backstepping分层控制策略所设计出的控制算法转换成C语言并编写成控制软件，调试成功后下载到悬架控制器存储器中。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明在改变附加气室容积的过程中，使得空气弹簧内部的气压变化比较平缓，是线性地改变附加气室内部的容积，避免了有级调节在改变附加气室容积时空气弹簧的性能的突变；
2、本发明容积调节机构选用螺旋面板的结构形式，使得旋转轴旋转过程中所受到的阻力较小，方便调节空气弹簧容积；同时附加气室内部压力波动对旋转轴保持在特定的位置影响小；此外，结构简单，不易发生故障，有效可靠的实现了容积的连续可调。
3、本发明不局限在车辆悬架系统上，对于在机械设备、轨道车辆均适用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中固定螺旋面板的结构示意图；
图3为本发明带有旋转轴的旋转螺旋面板的结构示意图；
图4为本发明中附加气室处于任意容积状态示意图；
图5为本发明中固定螺旋面板与附加气室外筒壁局部剖视图；
图6为本发明中附加气室最小容积Vmin＝0；
图7为本发明中附加气室最大容积Vmax时示意图；
图8为本发明控制方法流程图；
图9为含容积调节机构的1/4车辆悬架系统示意图。
图中：01-车轴弹簧座；02-附加气室下底座内腔通气管路；03-驱动电机；04-主动齿轮；05-附加气室非工作空间与附加气室下底座内腔的联通孔；06-附加气室非工作空间；07-附加气室工作空间；08-附加气室外筒壁；09-附加气室上盖板贯通孔；10-附加气室上盖板；11-旋转螺旋面板；1101-带有旋转轴螺旋面板的旋转轴；12-固定螺旋面板；13-附加气室下底座；14-从动齿轮；15-固定螺旋面板上通孔；16-固定螺旋面板下通孔；17-车身；18-含容积调节机构的空气弹簧；19-传感器组；20-控制器；21-信号线；22-车轴；23-车轮。
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、图4和图5所示，本发明的一种空气弹簧容积调节机构，包括固定螺旋面板12、带有旋转轴1101的旋转螺旋面板11、传动齿轮组及驱动电机03，固定螺旋面板12和带有旋转轴1101的旋转螺旋面板11均安装于附加气室内部，固定螺旋面板12固定安装于附加气室内的外筒壁08的内表面，带有旋转轴的旋转螺旋面板11沿附加气室的中轴线方向竖直设立；旋转轴的底端延伸至下底座13的内腔中，并由下底座13的内腔中的驱动电机03驱动旋转；旋转螺旋面板11随着旋转轴的转动而旋转；所述旋转螺旋面板11与固定螺旋面板12共同将附加气室内腔划分为两部分，即与主气室相通的工作空间07和与外界环境相通的非工作空间06。
附加气室安装于下底座13顶端、弹簧座01安装于下底座13底端。
如图2和图3所示，所述固定螺旋面板12与带有旋转轴1101的旋转螺旋面板11每级面板之间的距离都相同且同心，两者均采用金属刚性材质。
如图6和图7所示，所述旋转螺旋面板11上表面与固定螺旋面板12下表面相贴合时，此时为最小容积Vmin＝0；而其下表面与固定螺旋面板12上表面相贴合时，此时为最大容积Vmax；
最小容积时作为旋转螺旋面板11旋转轴的初始位置，容积V与旋转螺旋面板11旋转轴转过的角度α满足如下关系：
Figure BDA0001784729310000051
其中Vmax为附加气室最大容积值；αmax为旋转螺旋面板11的旋转轴可转过的最大角度；α为旋转螺旋面板11旋转轴相对初始位置转过角度。
如图2所示，固定螺旋面板12的最上层面板和最下层面板上分别设有上通孔15和下通孔16；所述上通孔15和下通孔16的直径均不超出固定螺旋面板12上端平面的范围以保证工作空间07的密封性。
附加气室整体呈中空圆柱形，附加气室顶部覆盖有上盖板10，上盖板10上开设有贯通孔09(能够连接空气弹簧18的主气室和附加气室)；附加气室的外筒壁08的内表面上设有与固定螺旋面板12相适配的螺旋凹槽，其中，附加气室的外筒壁08与下底座13之间过盈配合；固定螺旋面板12与外筒壁08内表面上的螺旋凹槽也过盈配合，这样既能够增强附加气室的气密性，同时也为固定螺旋面板12提供一定的支撑，增强整个结构的强度。
下底座13的内腔中还有设有主动齿轮04和从动齿轮14，主动齿轮04与驱动电机03的输出轴相连，从动齿轮14与旋转轴的底端相连，主动齿轮04与从动齿轮14相啮合。所述附加气室与下底座13的连接处开设有联通孔05，下底座13的侧壁上开设有通气孔02和通气管路(用于与外界大气联通)。
当位于下底座13内腔中的驱动电机03转过一定的角度的时候，附加气室容积V为：
Figure BDA0001784729310000061
其中Z2为主动齿轮04的齿数，Z1为从动齿轮14的齿数，Vmax为附加气室最大容积值；αmax为旋转螺旋面板11的旋转轴1101可转过的最大角度；β为驱动电机03输出轴转过的角度。
如图9所示，本发明还公开了一种空气弹簧容积调节机构的应用，空气弹簧18安装于车轴22上，且连通车身17和车轴22，空气弹簧18内的驱动电机03由车载电源供电，并通过信号线21与控制器20相连，控制器20的输入信号由传感器组19件采集；其中旋转螺旋面板11的旋转轴设置在初始位置，并设定附加气室容积为0时为初始位置，旋转轴上设有两个角度传感器，角度传感器实时检测旋转轴所处的角度。为了增加系统的稳定性和故障诊断能力，角度传感器部分采用冗余设计，安装两个角度传感器，均安装于附加气室下底座13的内腔中。两个传感器相互监测，保证其中一个传感器出故障时系统能够及时检测到。
本发明还公开了一种空气弹簧容积调节机构的控制方法，依次包括以下步骤：
(1)建立路面模型以及含空气弹簧18容积调节机构的1/4车辆悬架系统动力学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立1/4车辆悬架系统仿真模型，比较仿真结果与实车实验结果，来验证所建立的动力学模型的准确性与有效性或修正该模型；
(2)采用去单位化和层次分析法，将车身17垂向加速度、轮胎动载荷以及悬架动挠度三个目标优化问题转换成单目标优化问题；构建包含车身17垂向加速度、轮胎动载荷以及悬架动挠度三者加权之和为目标函数J：
Figure BDA0001784729310000071
其中α，β，γ为加权系数，α+β+γ＝1；
Figure BDA0001784729310000072
为簧上质量垂向加速度均方根值；
Figure BDA0001784729310000073
为轮胎动载荷均方根值；
Figure BDA0001784729310000074
悬架动挠度均方根值；g为重力加速度；m为1/4悬架簧上质量与簧下质量之和；f为悬架最大静挠度；
例如：上述层次分析法计算出各加权系数过程如下：
在综合性能优化过程中，确定车身17垂向加速度、轮胎动载荷以及悬架动挠度三个目标之间的相对重要性，通过下表选取参数。
表1指标m与指标n比较值
Figure BDA0001784729310000075
上表是指标m与指标n比较值的对应表，取emn为指标m与指标n的比较值，根据表1可以确定emn的值，若两个指标的重要性介于两种重要性之间，则emn可取：2,4,6,8。
根据表1确定两个指标间的比较值emn，并构造判断矩阵E，如表2所示。
表2悬架性指标判断矩阵
Figure BDA0001784729310000076
计算权系数步骤如下：
1)计算判断矩阵E行元素的乘向量X，其中
Figure BDA0001784729310000077
2)计算乘向量X的2次方根向量H，其中
Figure BDA0001784729310000078
3)计算向量H的正则向量β，其中
Figure BDA0001784729310000081
向量β即为各评价指标对应的加权系数；
4)检验判断矩阵一致性。
表3平均随机一致性指标RI标准值
Figure BDA0001784729310000082
另一致性比率计算公式如下：
Figure BDA0001784729310000083
式中，由于涉及3个指标，故n＝3时，经查表的RI＝0.58，最后计算得出CR与对应的RI相比较，判断是否通过一致性检验，若符合则进行下一步，若不符合，则重新选择指标之间的相对重要性，最终确定目标函数J中加权系数α，β，γ；
(3)基于退火免疫Backstepping分层控制策略，上层控制器20输出所需附加气室的容积，下层控制器20控制电机转动的角度，以此匹配最佳容积的附加气室；
其中，上层控制器20采用退火免疫混合算法，在人工免疫算法中嵌入模拟退火算法：设计变量为附加气室容积V，目标函数为J，约束条件为悬架偏频、轮胎动载荷以及悬架动挠度这三者的取值范围；路面激励、车速等价于抗原，附加气室的容积等价于初始抗体种群，免疫算法中目标函数J等价于算法中的亲和度，模拟退火算法中目标函数J等价于内能；人工免疫算法通过计算初始附加气室容积值的亲和度、激励度以及免疫操作之后得到初步优化的附加气室容积值，作为模拟退火算法的初始解集，模拟退火算法通过设置初始温度等操作并计算目标函数J的增量，采用Metropolis准则对所得到的附加气室容积进一步寻优直至满足终止条件，最终得到附加气室容积的期望值；
下层控制器20采用Backstepping控制策略：上层控制器20输出期望附加气室的容积，下层控制器20的控制目标是控制驱动电机03带动旋转螺旋面板11转过一定的角度，使附加气室的容积达到期望的值；
通过容积V与旋转螺旋面板11的旋转轴1101转过的角度α满足的关系将容积的期望值转换为旋转螺旋面板11旋转轴1101所在的角度期望值；
设计下层控制器20时，首先定义误差变量，再选取合适的Lyapunov函数，并引入合适的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到驱动电机03控制电压控制率，其中，第一个误差变量为：旋转螺旋面板11的旋转轴1101的当前角度值与期望角度值的差值；
(4)将步骤(1)所建立的含空气弹簧18容积调节机构的1/4车辆悬架系统动力学模型、车辆的参数以及上述基于退火免疫Backstepping分层控制策略所设计出的控制算法转换成C语言并编写成控制软件，调试成功后下载到悬架控制器20存储器中。
在空气悬架工作过程中，传感器组19件采集旋转螺旋面板11和旋转轴1101的位置信号、空气弹簧18主气室内部的气压、车辆行驶速度、悬架的动挠度等信号。根据这些信号，控制器20算出该工况下附加气室容积的期望值，并将该期望值转换成驱动电机03的控制信号，控制驱动电机03正转或者反转，以此达到附加气室的期望容积。一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直至车辆熄火为止。
通过上述实施例可以看出，本发明中的空气弹簧在实际工作过程中，能够根据路面对车轮的随机激励、车速的不同、装载情况的改变等因素，来实现无级调节，最终能更好地适应各种各样的工作情况，并且附加气室可以通过管路实现与空气弹簧主气室的相连，即附加气室和主气室可以分开用通气管道连接，提高了空气弹簧控制自由度。

Claims (3)

1.一种空气弹簧容积调节机构，其特征在于：包括附加气室、下底座和弹簧座，附加气室安装于下底座顶端、弹簧座安装于下底座底端，所述附加气室内部设置有固定螺旋面板和带有旋转轴的旋转螺旋面板，固定旋转面板固定安装于附加气室外筒壁的内表面，旋转螺旋面板的旋转轴沿附加气室的中轴线方向竖直设立；旋转轴的底端延伸至下底座的内腔中，并由下底座的内腔中的驱动电机驱动旋转；旋转螺旋面板随着旋转轴的转动而旋转；
所述旋转螺旋面板与固定螺旋面板共同将附加气室内腔划分为两部分，即与主气室相通的工作空间和与外界环境相通的非工作空间；
所述固定螺旋面板与旋转螺旋面板同心；
附加气室上覆盖有上盖板，上盖板上开设有贯通孔；
所述下底座的内腔中还有设有主动齿轮和从动齿轮；
所述附加气室与下底座的连接处开设有联通孔；
所述旋转螺旋面板上表面与固定螺旋面板下表面相贴合时，为最小容积Vmin＝0；而其下表面与固定螺旋面板上表面相贴合时，为最大容积Vmax；
最小容积时作为旋转螺旋面板旋转轴的初始位置，容积V与旋转螺旋面板旋转轴转过的角度α满足如下关系：
Figure 1
其中vmax为附加气室最大容积值；αmax为旋转螺旋面板的旋转轴可转过的最大角度；α为旋转螺旋面板的旋转轴相对初始位置转过角度。
2.一种如权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构的应用，其特征在于：所述空气弹簧安装于车轴上，且连通车身和车轴，空气弹簧内的驱动电机由车载电源供电，并通过信号线与控制器相连，控制器的输入信号由传感器组件采集；其中旋转螺旋面板的旋转轴设置在初始位置，并设定附加气室容积为0时为初始位置，旋转轴的底端上设有两个角度传感器，即两个角度传感器均安装于下底座的内腔，每个角度传感器均实时检测旋转轴所处的角度。
3.一种如权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构的控制方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)建立路面模型以及含空气弹簧容积调节机构的1/4车辆悬架系统动力学模型，并在MATLAB/Simulink软件中建立1/4车辆悬架系统仿真模型，比较仿真结果与实车实验结果，来验证所建立的动力学模型的准确性与有效性或修正该模型；
(2)采用去单位化和层次分析法，将车身垂向加速度、轮胎动载荷以及悬架动挠度三个目标优化问题转换成单目标优化问题；构建包含车身垂向加速度均方根值、轮胎动载荷均方根值以及悬架动挠度均方根值三者加权之和为目标函数J：
Figure 964439DEST_PATH_IMAGE004
其中α，β，γ为加权系数，α+β+γ＝1；
Figure 337652DEST_PATH_IMAGE006
为簧上质量垂向加速度均方根值；
Figure 201702DEST_PATH_IMAGE008
为轮胎动载荷均方根值；
Figure 560615DEST_PATH_IMAGE010
悬架动挠度均方根值；m为1/4悬架簧上质量与簧下质量之和；g为重力加速度；f为悬架最大静挠度；
(3)基于退火免疫Backstepping分层控制策略，车身的上层控制器输出所需附加气室的容积，车身的下层控制器控制电机转动的角度，以此匹配最佳容积的附加气室；
其中，上层控制器采用退火免疫混合算法，在人工免疫算法中嵌入模拟退火算法：设计变量为附加气室容积V，目标函数为J，约束条件为悬架偏频、轮胎动载荷以及悬架动挠度这三者的取值范围；路面激励、车速等价于抗原，附加气室的容积等价于初始抗体种群，免疫算法中目标函数J等价于算法中的亲和度，模拟退火算法中目标函数J等价于内能；人工免疫算法通过计算初始附加气室容积值的亲和度、激励度以及免疫操作之后得到初步优化的附加气室容积值，作为模拟退火算法的初始解集，模拟退火算法通过设置初始温度操作并计算目标函数J的增量，采用Metropolis准则对所得到的附加气室容积值进一步寻优直至满足终止条件，最终得到附加气室容积的期望值；
下层控制器采用Backstepping控制策略：上层控制器输出期望附加气室的容积，下层控制器的控制目标是控制驱动电机带动旋转螺旋面板转过一定的角度，使附加气室的容积达到期望的值；
通过容积V与旋转螺旋面板旋转轴转过的角度α满足的关系将容积的期望值转换为旋转螺旋面板旋转轴所在的角度期望值；
设计下层控制器时，首先定义误差变量，再选取合适的Lyapunov函数，并引入合适的虚拟控制，直至系统实现无差跟踪，得到驱动电机控制电压控制率，其中，第一个误差变量为：旋转螺旋面板旋转轴的当前角度值与期望角度值的差值；
将步骤(1)所建立的含空气弹簧容积调节机构的1/4车辆悬架系统动力学模型、车辆的参数以及上述基于退火免疫Backstepping分层控制策略所设计出的控制算法转换成C语言并编写成控制软件，调试成功后下载到悬架控制器存储器中。
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