CN109109604A - 一种空气弹簧容积调节机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空气弹簧的容积调节机构及其控制方法，空气弹簧的容积调节机构包括固定渐开型面板、旋转渐开型面板、中心转轴、主动齿轮、从动齿轮、驱动电机，驱动电机依次带动齿轮组、旋转中心轴、旋转渐开型面板做顺时针或逆时针旋转运动，即可改变空气弹簧的工作容积，达到改变空气弹簧的刚度的目的。并基于多智能体的协同控制策略，系统智能体根据工况选择与其对应的目标函数,并通过人工智能鱼群算法优化出当前各空气弹簧所需的最佳容积，各悬架子智能体协同配合并控制各电机转动角度，控制各个悬架在工作过程中空气弹簧处于最佳容积，以适应车辆各种行驶工况，达到改善悬架系统综合性能的目的。

Description

一种空气弹簧容积调节机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架系统弹性元件技术，具体涉及一种空气弹簧容积调节机 构及其控制方法。

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，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。由于车辆工况和道路环境复 杂，能够主动调节功能的空气弹簧比普通空气弹簧更能适应整车性能要求，如何 开发能主动控制的空气弹簧结构及其控制方法受到广大工程技术人员的广泛关 注。

目前，比较常见的方法是通过改变空气弹簧工作容积来调控空气弹簧的力学 特性，譬如专利号CN103244597B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。

然而，实际的路面不平度对车轮的激励是随机激励，并且还有车载、车速、 行驶方向等因素的改变，有级调节并不能够精确的适应各种工况，只有无级调节 才能更好地适应各种工况。譬如专利CN102261416B提出一种附加气室的无级调 节机构，然而现有的无级调节机构因在车辆行驶过程中易受纵向力而导致附加气 室的容积波动，所以一般只能使用管路将主气室与附加气室相连，不能根据安装 的需求来合理分配车辆的安装空间。

为了综合考虑调节性能和安装空间，就需要设计一种能够根据实际安装需求 的附加气室的无级调节机构。

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，包括附加气室和安装于附 加气室底端的下底座，所述附加气室内设有固定渐开型面板、旋转渐开型面板和 旋转中心轴，旋转中心轴沿附加气室的中轴线方向竖直设立，旋转渐开型面板的 内侧边沿旋转中心轴竖直安装，固定渐开型面板固定竖直安装于附加气室外筒壁 的内表面，且与附加气室下底座上表面垂直安装，同时与旋转中心轴竖直紧密相 切，固定渐开型面板与旋转渐开型面板相互嵌套，并将附加气室内腔区分为工作 空间和非工作空间；所述下底座的内腔中设有与旋转中心轴相连的驱动电机，驱 动电机驱动旋转中心轴做顺时针或逆时针转动，进而带动旋转渐开型面板做顺时 针或逆时针转动，最终改变空气弹簧的工作容积。

其中，附加气室中的旋转渐开型面板在旋转过程中受空气阻力作用较小，方 便调节空气弹簧容积；同时因附加气室内旋转渐开型面板和固定渐开型面板竖直 安装，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。

进一步的，附加气室的顶端覆盖有上盖板，上盖板上开设有连通孔，连通孔 连接主气室和附加气室中的工作空间；所述附加气室外壁上开设有贯通孔，贯通 孔连接附加气室非工作空间与大气(内贴合的时候贯通孔的位置也能满足大气与 附加气室非工作区间连同。

进一步的，所述下底座内腔中还包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮与驱动 电机的输出轴相连，主动齿轮与从动齿轮相啮合，从动齿轮与旋转中心轴的底端 相连，旋转中心轴的底端穿出附加气室内腔并延伸至下底座内腔中。

进一步的，所述固定渐开型面板和旋转渐开型面板的最大半径相同，且两个 渐开面板的中心渐开线起点均是旋转中心轴的圆心，两者都是采用金属刚性材质。

进一步的，所述旋转中心轴的初始位置为旋转渐开型面板外表面与固定渐开 型面板内表面贴合，设定旋转中心轴初始转角为0，令此时空气弹簧的附加气室 容积V为0；旋转渐开型面板的末位置为旋转渐开型面板内表面与固定渐开型面 板外表面贴合，此时旋转中心轴的转角最大为340°，且空气弹簧的附加气室容 积V达到最大；

空气弹簧的附加气室容积V与旋转渐开型面板转过的角度θ之间的关系：

上述公式中，h为附加气室的高度，R₁为附加气室内壁半径，R₂为旋转中心 轴半径；

其中，旋转中心轴所旋转的角度θ与主动齿轮所旋转的角度δ满足以下关系：

其中，Z₂为主动轮齿数，Z₁为从动轮齿数。

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)建立含上述空气弹簧的七自由度悬架车辆系统动力学模型及四轮路面 模型，并转化成状态空间表征，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相 同工况下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；

(2)悬架的控制目标是在特定工况下使车辆具有良好的操纵稳定性和行驶 平顺性，操纵稳定性以轮胎动载荷、车身侧倾角二者加权和为函数J₁，行驶平顺 性以悬架动挠度、车身加速度、车身俯仰角加速度三者加权和为函数J₂，汽车的 综合性能目标函数为J＝q₁J₁+q₂J₂；

其中，q_i为权系数，i＝1,2，且q₁+q₂＝1；

(3)构建空气弹簧悬架控制策略：基于多智能体的协同控制原理将汽车前、 后、左及右四个空气悬架简化成子智能体拓扑结构，并在系统智能体的指导下进 行协同配合，其中系统智能体根据路面激励、转向盘转角、汽车行驶速度等输入 量判断工况类型，并通过层次分析法决定步骤(2)中函数J₁，J₂及目标函数J 的加权系数，从而确定目标函数J，然后通过人工智能鱼群算法计算出各子智能 体所需空气弹簧最佳容积，即在人工智能鱼群优化算法中，优化变量为附加气室 容积V，对应初始化鱼群，目标函数为J，对应人工鱼的当前位置的食物浓度， 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；然后将最 佳容积的值分别输送给对应悬架子智能体，每个悬架子智能体采用闭环PID控制策略，各悬架子智能体的控制目标是控制驱动电机带动旋转渐开面板转过一定 的角度，使空气弹簧的容积达到当前最优值，首先各悬架子智能体将空气弹簧现 容积与最佳容积比较，并决定空气弹簧附加气室的容积是否需要调节，若需要调 节，则将容积转换为主动齿轮需要旋转的角度，然后将其设定为闭环PID控制 中的输入值，从而控制驱动电机旋转并使其达到目标旋转角度，最终使空气弹簧 的容积达到最佳；

(4)将车辆技术参数、步骤(1)的车辆系统模型、步骤(2)的目标函数和步骤 (3)的控制策略，应用C语言编写成控制程序，软件调试成功后下载到悬架控制 器存储器中；

(5)汽车启动行驶后，空气悬架控制器实时采集汽车行驶速度、载荷、悬 架动行程、轮胎及车身的垂向加速度信号，然后应用步骤(4)控制程序进行实时 控制驱动电机，使得空气弹簧具有最佳容积，在不牺牲操纵稳定性条件下提高汽 车舒适性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在附加气室参与工作的旋转渐开型面板，使得在旋转过程中受空 气阻力为0，更容易调节附加气室容积；同时在旋转过程中是线性改变附加气室 容积，使得空气弹簧容积变化量无级可调，从而避免了有级调节在改变附加气室 容积时空气弹簧的性能突变；

2、在悬架控制器的调控下，本发明的空气弹簧工作容积能跟随整车性能要 求进行变化，基于多智能体和鱼群算法的结合，实现车辆在多工况下的实时调节， 充分发挥了空气弹簧的优势，实现汽车平顺性和操纵稳定性的最优协调。

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明变化容积最大值示意图；

图3为本发明变化容积中间值示意图；

图4为本发明变化容积最小值示意图；

图5为本发明含容积调节机构的空气弹簧结构示意图；

图6为本发明基于多智能体人工智能鱼群优化的空气悬架协调控制示意图；

图7为本发明系统智能体中人工智能鱼群优化最佳容积的详细示意图；

图8为本发明用于空气弹簧整车控制示意图。

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所示，本发明的一种空气弹簧容积调节机构，包括附加气室和安装于 附加气室底端的下底座，附加气室内设有固定渐开型面板、旋转渐开型面板和旋 转中心轴，旋转中心轴沿附加气室的中轴线方向竖直设立，旋转渐开型面板的内 侧边沿旋转中心轴竖直安装，固定渐开型面板固定竖直安装于附加气室外筒壁的 内表面，且与附加气室下底座上表面垂直安装，同时与旋转中心轴竖直紧密相切， 固定渐开型面板与旋转渐开型面板相互嵌套，并将附加气室内腔区分为工作空间 和非工作空间；下底座的内腔中设有与旋转中心轴相连的驱动电机，驱动电机驱 动旋转中心轴做顺时针或逆时针转动，进而带动旋转渐开型面板做顺时针或逆时 针转动，最终改变空气弹簧的工作容积。其中，附加气室中的旋转渐开型面板在 旋转过程中受空气阻力作用较小，方便调节空气弹簧容积；同时因附加气室内旋 转渐开型面板和固定渐开型面板竖直安装，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。

如图4和图5所示，附加气室上盖板7与附加气室罐体10紧密相合并使附 加气室上盖板10上的连通孔8在旋转渐开型面板1外表面与固定渐开型面板2 内表面贴合时能够连通附加气室工作容积11与主气室，且此时附加气室提供的 工作空间为最小值，只有主气室和附加气室预留的微小空间参与工作。如图2 和图5所示，附加气室罐体10上的贯通孔9在旋转渐开型面板1内表面与固定 渐开型面板2外表面贴合时将附加气室非工作容积12与大气连通，且此时附加 气室提供的工作空间为最大值，主气室和附加气室全部空间参与工作。

如图1和图3所示，当驱动电机6启动旋转带动主齿轮转动5，与主动齿轮 5啮合的从动齿轮4也旋转，能够带动旋转中心轴3，从而带动旋转渐开型面板 1旋转，当位于附加气室下底座13内腔中的驱动电机6带动主动齿轮5旋转一 定的角度的时候，附加气室容积变化量V为：

其中，V为附加气室容积的变化量，Z₂为主动齿轮5齿数，Z₁为从动齿轮4 齿数，δ为主动齿轮5所旋转的角度，h为附加气室罐体10的高度，R₁为附加气 室内壁半径，R₂为旋转中心轴3半径。

如图6和图7所示，本发明还公开了一种空气弹簧的容积调节机构控制方法， 具体包括以下步骤：

(1)建立含上述空气弹簧的七自由度悬架车辆系统动力学模型及四轮路面 模型，并转化成状态空间表征，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相 同工况下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；

(2)悬架的控制目标是在特定工况下使车辆具有良好的操纵稳定性和行驶 平顺性，操纵稳定性以轮胎动载荷、车身侧倾角二者加权为目标函数J₁，行驶平 顺性以悬架动挠度、车身加速度、车身俯仰角加速度三者加权为目标函数J₂，汽 车的综合性能以操纵稳定性和行驶平顺性加权为目标函数为J＝q₁·J₁+q₂·J₂；

其中，q_i(i＝1,2)为权系数；

层次分析法计算出目标函数的权系数过程如下：

层次分析法是一种多目标决策方法，将多目标函数转换为单目标运算，从而 简化优化运算。首先在总体性能优化过程中确定操纵稳定性和行驶平顺性之间的 相对重要性，根据实际工况，通过下表选取参数。

表1指标m与指标n比较值

上表是指标m与指标n比较值的对应表，取e_mn为指标m与指标n的比较 值，根据表1可以确定e_mn的值，若两个指标的重要性介于两种重要性之间，则 e_mn可取：2,4,6,8。

根据表1确定两个指标间的比较值e_mn，并构造判断矩阵E，如表2所示。

表2综合性能的判断矩阵

计算权系数及检验权系数是否合理步骤如下：

1)计算判断矩阵E行元素的乘向量X，其中

2)计算乘向量X的2次方根向量H，其中

3)计算向量H的正则向量β，其中向量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

矩阵阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											RI	0	0	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45	1.49

另一致性比率计算公式如下：

式中，由于涉及2个指标，故n＝2时，经查表的RI＝0，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，最终确定目标函数中操纵稳定性和行驶 平顺性的权系数q₁和q₂。

然后再分别确定操纵稳定性各指标和行驶平顺性各指标的权系数，且对应的 判断矩阵如下：

表4操纵稳定性指标判断矩阵

表5平顺性指标判断矩阵

然后用计算总目标函数各性能指标的权系数的方法，计算出操纵稳定性和行驶平顺性对应各指标的权系数，最终确定目标函数。

(3)构建空气弹簧悬架控制策略：基于多智能体的协同控制原理将汽车前、 后、左及右四个空气悬架简化成子智能体拓扑结构，并在系统智能体的指导下进 行协同配合，其中系统智能体根据路面激励、转向盘转角、汽车行驶速度等输入 量判断工况类型，并通过层次分析法决定步骤(2)中函数J₁，J₂及目标函数J 的加权系数，从而确定目标函数J，然后通过人工智能鱼群算法计算出各子智能 体所需空气弹簧最佳容积，即在人工智能鱼群优化算法中，优化变量为附加气室 容积V，对应着初始化鱼群，目标函数为J，对应着人工鱼的当前位置的食物浓 度，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；然后 将最佳容积的值分别输送给对应悬架子智能体，每个悬架子智能体采用闭环PID控制策略，各悬架子智能体的控制目标是控制驱动电机带动旋转渐开面板转过一 定的角度，使空气弹簧的容积达到当前最佳值，首先各悬架子智能体将空气弹簧 现容积与最佳容积比较，并决定空气弹簧附加气室的容积是否需要调节，若需要 调节，则将容积转换为主动齿轮需要旋转的角度，然后将其设定为闭环PID控 制中的输入值，从而控制驱动电机旋转并使其达到目标旋转角度，最终使空气弹 簧的容积达到最佳；

(4)根据车辆技术参数、步骤(1)的车辆系统模型、步骤(2)的目标函 数和步骤(3)的控制策略，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11存储器中；

(5)如图8所示，将上述空气弹簧分别安装于车辆左前悬架、右前悬架、左 后悬架和右后悬架上，并将其步进电机6控制线连接悬架控制器的信号输出端， 而其信号输入端通过信号线分别与车速传感器16a、车身加速度传感器16b、转向 盘转角传感器16c、车身倾角传感器16d、轮胎动载荷传感器16e、悬架动挠度传 感器16f相连。汽车启动行驶后，悬架控制器15根据车辆行驶速度、车辆静载荷、 悬架动行程、轮胎动载荷、和车身加速度的信号，应用步骤(4)控制软件进行计 算，实时调控步进电机6正转或者反转，带动旋转渐开型面板1转动，使得附加气 室的容积达到最佳，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。

Claims (6)

1.一种空气弹簧容积调节机构，包括附加气室和安装于附加气室底端的下底座，其特征在于：所述附加气室内设有固定渐开型面板、旋转渐开型面板和旋转中心轴，旋转中心轴沿附加气室的中轴线方向竖直设立，旋转渐开型面板的内侧边沿旋转中心轴竖直安装，固定渐开型面板固定竖直安装于附加气室外筒壁的内表面，且与下底座上表面垂直安装，同时与旋转中心轴竖直紧密相切，固定渐开型面板与旋转渐开型面板相互嵌套，并将附加气室内腔区分为工作空间和非工作空间；所述下底座的内腔中设有与旋转中心轴相连的驱动电机，驱动电机驱动旋转中心轴做顺时针或逆时针转动，进而带动旋转渐开型面板做顺时针或逆时针转动，最终改变空气弹簧的工作容积。

2.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述附加气室的顶端覆盖有上盖板，上盖板上开设有连通孔，连通孔连接主气室和附加气室中的工作空间；所述附加气室外壁上开设有贯通孔，贯通孔连接附加气室非工作空间与大气。

3.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述下底座内腔中还包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮与驱动电机的输出轴相连，主动齿轮与从动齿轮相啮合，从动齿轮与旋转中心轴的底端相连，旋转中心轴的底端穿出附加气室内腔并延伸至下底座内腔中。

4.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述固定渐开型面板和旋转渐开型面板的最大半径相同，且固定渐开型面板和旋转渐开型面板的中心渐开线起点均是旋转中心轴的圆心，两者都是采用金属材质。

5.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述旋转中心轴的初始位置为旋转渐开型面板外表面与固定渐开型面板内表面贴合，设定旋转中心轴初始转角为0，此时空气弹簧的附加气室容积V为0；旋转渐开型面板的末位置为旋转渐开型面板内表面与固定渐开型面板外表面贴合，此时旋转中心轴的转角最大为340°，且空气弹簧的附加气室容积变化量V达到最大；

空气弹簧附加气室容积V与旋转渐开型面板转过的角度θ之间的关系：

上述公式中，h为附加气室的高度，R₁为附加气室内壁半径，R₂为旋转中心轴半径；

其中，旋转中心轴所旋转的角度θ与主动齿轮所旋转的角度δ满足以下关系：

其中，Z₂为主动轮齿数，Z₁为从动轮齿数。

6.一种根据权利要求1至5任意一项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)建立含上述空气弹簧的七自由度悬架车辆系统动力学模型及四轮路面模型，并转化成状态空间表征，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相同工况下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；

(2)悬架的控制目标是在特定工况下使车辆具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，操纵稳定性以轮胎动载荷、车身侧倾角二者加权和为函数J₁，行驶平顺性以悬架动挠度、车身加速度、车身俯仰角加速度三者加权和为函数J₂，汽车的综合性能目标函数为J＝q₁J₁+q₂J₂；

其中，q_i为权系数，i＝1,2，且q₁+q₂＝1；

(3)构建空气弹簧悬架控制策略：基于多智能体的协同控制原理将汽车前、后、左及右四个空气悬架简化成子智能体拓扑结构，并在系统智能体的指导下进行协同配合，其中系统智能体根据路面激励、转向盘转角、汽车行驶速度等输入量判断工况类型，并通过层次分析法决定步骤(2)中函数J₁，J₂及目标函数J的加权系数，从而确定目标函数J，然后通过人工智能鱼群算法计算出各子智能体所需空气弹簧最佳容积，即在人工智能鱼群优化算法中，优化变量为附加气室容积V，对应初始化鱼群，目标函数为J，对应人工鱼的当前位置的食物浓度，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；然后将最佳容积的值分别输送给对应悬架子智能体，每个悬架子智能体采用闭环PID控制策略，各悬架子智能体的控制目标是控制驱动电机带动旋转渐开面板转过一定的角度，使空气弹簧的容积达到当前最优值，首先各悬架子智能体将空气弹簧现容积与最佳容积比较，并决定空气弹簧附加气室的容积是否需要调节，若需要调节，则将容积转换为主动齿轮需要旋转的角度，然后将其设定为闭环PID控制中的输入值，从而控制驱动电机旋转并使其达到目标旋转角度，最终使空气弹簧的容积达到最佳；

(4)将车辆技术参数、步骤(1)的车辆系统模型、步骤(2)的目标函数和步骤(3)的控制策略，应用C语言编写成控制程序，软件调试成功后下载到悬架控制器存储器中；

(5)汽车启动行驶后，空气悬架控制器实时采集汽车行驶速度、载荷、悬架动行程、轮胎及车身的垂向加速度信号，然后应用步骤(4)控制程序进行实时控制驱动电机，使得空气弹簧具有最佳容积，在不牺牲操纵稳定性条件下提高汽车舒适性。