CN109515105A - 轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法 - Google Patents

Abstract

一种轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其中带多层附加气室的空气悬架系统包括前悬架系统和后悬架系统两组共四个带多层附加气室的空气弹簧；每组空气弹簧包含一个主气室和一个附加气室两个气室，主气室为膜式柔性橡胶气囊结构，附加气室为刚性多层结构；主气室和附加气室之间用气体管道连结，气体管道上设置一个孔径可调的节流阻尼孔；通过对节流阻尼孔的孔径以及多层附加气室中开关阀开闭状态组合的控制，可实现空气弹簧刚度和阻尼的改变，中央控制器通过计算不同工况下所需的最佳附加气室开关阀开闭状态组合和节流阻尼孔孔径来进行车辆悬架动力学控制，包括车身高度控制、平顺性控制、侧倾控制和俯仰控制。

Description

轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法

技术领域

本发明主要涉及空气悬架控制领域，特指一种轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，以节能环保为主题的各种新型车辆成为汽车行业的一个热门领域，基于轮毂电机驱动的电动汽车就作为一类有代表性的新能源车辆而受到广泛关注，由于其分布式的动力结构和节能的动力来源，大大降低了车辆能耗。然而，由于其驱动系统安装在轮毂处，不仅占用了大量空间还使得簧下质量大幅增加，导致了车辆平顺性变差，具体表现为车辆受到路面不平冲击时，其抗俯仰、抗侧倾特性较其他同级别的车辆更差。抗俯仰、抗侧倾特性不仅影响到车辆的舒适性，严重时甚至会影响到行车安全，特别是抗侧倾特性差的车辆行车过程中更容易发生侧翻事故，造成难以挽回的人员伤害。

空气弹簧作为一种以气体为介质的弹性元件，因其具有较为理想的非线性特性，常作为缓冲元件安装到车辆悬架系统中，即空气悬架。然而，普通空气悬架也具有结构单一，难以实现悬架性能的控制等局限性。悬架的控制是指悬架的特性如刚度特性、阻尼特性能够根据不同的实际情况进行调整，使悬架能够更加适应实际工况，以获得更加优异的悬架性能。能够通过控制实现悬架刚度及阻尼调节的悬架也称为半主动悬架。综上，为了提高轮毂驱动电动汽车的性能，可以提出一种能够实现性能控制的空气悬架系统，并提出控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对轮毂驱动电动汽车平顺性、抗俯仰、抗侧倾特性等方面存在的缺陷，提出一种可靠性高、适用性强，且能有效改善车辆抗俯仰、抗侧倾特性及平顺性的带多层附加气室空气悬架系统并给出控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架系统，主要包括前悬架系统和后悬架系统两组共四个带多层附加气室的空气弹簧。每个空气弹簧包含一个主气室和一个附加气室，其中主气室为膜式柔性橡胶气囊结构，属于弹簧的承载部件，其下端活塞接受来自地面传到轮胎的力作用，上端弹簧盖板支撑着车身质量；而附加气室为刚性多层结构，由多层空腔组成；主气室和附加气室之间用气体管道相联结，气体管道上设置一个孔径可调的节流阻尼孔，其本质上是一个内径可调的高精度电磁阀；每个空气弹簧的控制器能同时对节流阻尼孔和开关阀进行独立控制；每个空气弹簧安装有测量活塞位移的传感器，位移传感器与中央控制器相连；中央控制器分别与每个空气弹簧的控制器连接。

所述空气悬架系统中每个空气弹簧位于气体管道上的节流阻尼孔的内径是可改变的，通过控制器可以实现其内径的高精度连续调节。节流阻尼孔对流过气体有限制作用，使得所述空气弹簧具有空气阻尼特性。节流阻尼孔的内径调节由控制器的电信号控制，通过调整节流阻尼孔的内径大小可以改变弹簧阻尼特性。

所述空气悬架系统中空气弹簧的刚性多层附加气室由多层空腔组成，不同空腔之间通过开关阀串联连接。每个开关阀的开闭都由控制器独立控制，当两层空腔之间的开关阀处于开启状态时，两空腔之间相互连通，空腔容积视为一个整体；通过不同开关阀开闭状态的组合，可以获得不同的附加气室容积。

本发明中，控制器可以对过空气弹簧进行两个方面的调节，分别为：改变节流阻尼孔的内径，以及改变开关阀的开闭状态组合。首先，所述空气弹簧的主气室是承载部件，弹簧的拉伸与压缩导致主气室内部气压发生变化，主气室内部气压的变化会导致主气室和附加气室间产生气压差，在气压差的驱动下空气弹簧内的气体通过气体管道及节流阻尼孔在主气室和附加气室之间流动，当气体通过细小的节流阻尼孔时，节流阻尼孔对流过的气体有限制作用，从而使得弹簧有了明显的空气阻尼特性；且在一定孔径范围内，节流阻尼孔内径越小，对气体限制作用越大，弹簧阻尼特性越明显；通过控制器可以精准改变节流阻尼孔的内径，即可实现弹簧的空气阻尼控制，且由于孔径的改变也对内部空气的压缩性产生一定影响，故也能在一定程度上改变弹簧刚度特性。其次，所述空气弹簧的多层附加气室虽不是承载部件，但其内部所存储的空气依然能通过气体管道和节流阻尼孔进入到主气室内参与弹簧的拉伸与压缩运动；故带多层附加气室的空气弹簧参与工作的空气量不仅包括主气室内部的空气还包括多层附加气室内的空气；在主气室基本参数不变的情况下，参与压缩的气体体积越大则弹簧的刚度越小；通过控制器改变开关阀开闭状态组合，可以改变附加气室内参与工作的空腔层数，即改变了参与工作的气体量，进而改变弹簧的刚度。故控制器通过对节流阻尼孔内径及开关阀开闭状态组合的协同控制，可实现空气弹簧刚度及阻尼特性的精准调节。

所述空气悬架系统中，控制器可以实现节流阻尼孔内径的调节，而各个控制器的调节指令则是从中央控制器处获得的。每个空气弹簧的控制器在一般情况下会使节流阻尼孔内径保持在特定的范围之内，但在特殊需求下，控制器能实现节流阻尼孔的完全关闭，此时空气弹簧便转为普通被动空气弹簧进行工作；特别地，当各控制器或中央控制器失效时，节流阻尼孔将会自动完全关闭，这样可使弹簧性能不会出现大幅度摄动，保证了悬架控制失效时的安全性。

所述空气悬架系统中，每个空气弹簧安装有测量活塞位移的传感器，在车辆运行过程中传感器将采集的信号实时传递给中央控制器，中央控制器对各个传感器的信号进行分析处理，即可获得车辆状态信息。以车辆状态信息作为依据，中央控制器可对悬架进行动力学控制，包括车身高度控制、平顺性控制、侧倾控制和俯仰控制。

控制方法如下：

中央控制器进行悬架动力学控制时，首先要进行车辆行驶工况识别，判断车辆分别处于静止、直线行驶、转弯行驶、制动和加速工况中的哪个工况，根据工况的不同选择所对应的控制策略；不同控制策略下，悬架所需的刚度和阻尼不同，为实现所需刚度和阻尼的精准调节，中央控制器需计算出每个空气悬架的附加气室开关阀开闭状态组合和节流阻尼孔孔径，再将计算结果发送至每个空气弹簧的控制器；最后，再由每个空气弹簧的控制器完成开关阀和节流阻尼孔的控制；

当车身处于静止状态时，中央控制器根据悬架静挠度对悬架四个弹簧的刚度进行调整，获得理想的车身高度；弹簧的刚度决定弹簧的软硬程度，在相同车身质量的情况下，越软的弹簧，越容易被压缩，导致车身质心偏离理想高度，通过调整附加气室开关阀初始开闭状态组合来进行弹簧的初始静态刚度调整，使弹簧软硬程度适中，进而可获得较为理想的车身高度；

当车身处于直线行驶工况时，中央控制器对各个位移传感器的信息进行综合分析，即可获得车身的垂直加速度，再以此作为依据，通过同时调整附加气室的开关阀的开闭状态组合，以及节流阻尼孔的孔径大小，实现悬架刚度和阻尼的控制，从而改善车身受力情况，以获得最佳的平顺性；

当车身处于转弯行驶工况时，中央控制器对左侧和右侧位移传感器信息进行分析比较，即可获得车身的侧倾角，再以此作为依据，通过调整左右两侧空气弹簧的附加气室的开关阀开闭状态组合，使左右两侧空气弹簧的附加气室容积不同，从而改变左右两侧车轮悬架的刚度，左右两侧车轮悬架刚度的改变会使车身左右两侧受力情况不同，由此产生一个力矩，该力矩方向会趋向减小侧倾角的方向，从而获得理想的侧倾状态；

当车身处于制动或加速工况时，中央控制器对前悬架系统和后悬架系统的位移传感器信息进行分析比较，即可获得车身的俯仰角，再以此作为依据，通过调整前后悬架空气弹簧的附加气室开关阀的开闭状态组合，使前后悬架空气弹簧的附加气室容积不同，从而改变前后悬架系统的刚度，前后悬架刚度的改变会使车身前后受力情况不同，由此产生一个力矩，该力矩方向会趋向减小俯仰角的方向，从而获得理想的俯仰状态。

本发明的有益效果是：1、所述悬架系统采用的是带多层附加气室的空气弹簧悬架系统，由于节流阻尼孔的引入，使得弹簧具有明显的空气阻尼特性；由于多层附加气室的引入，使得弹簧在主气室基本参数不变的条件下，有更多气体参与弹簧拉伸与压缩，进一步降低悬架平衡位置处的刚度，使悬架具有更加理想的非线性特性；故即使在系统没有运用控制策略的情况下，其平顺性依然优于传统螺旋弹簧悬架和普通空气悬架；2、控制器通过调整附加气室的开关阀的开闭状态组合以及节流阻尼孔的孔径大小可以对弹簧刚度和阻尼进行精准调节，且各个弹簧的刚度阻尼调节均可以独立进行，车辆在行驶时，中央控制器根据车身状态信息对各个弹簧的附加气室开关阀开闭状态组合及节流阻尼孔孔径进行不同调节，可使车辆获得更优异的平顺性、抗侧倾特性及抗俯仰特性；车辆在静止时，中央控制器能根据悬架静挠度调整附加气室开关阀初始开闭状态组合，可获得理想的车身高度；3、本发明中，中央控制器及各个控制器信号的收集与传递均采用电信号，相比于一般的液压控制系统，其沿程损耗和控制延迟均会大幅减小；4、当空气悬架系统控制失效时，节流阻尼孔将会自动完全关闭，这样可使弹簧性能不会出现大幅度摄动，保证了悬架控制失效时的安全性。

附图说明

图1为本发明带多层附加气室的轮毂驱动电动汽车空气悬架系统示意图。

图2为本发明中单个带多层附加气室空气弹簧结构示意图。

图3为本发明中空气悬架控制方法流程图。

图例说明：

1、前悬架系统；2、后悬架系统；3、中央控制器；4、位移传感器；5、弹簧盖板；6、主气室；7、可调节流阻尼孔；8、气体管道；9、活塞；10、控制器；11、多层附加气室；12、开关阀。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

图1和图2示出了一种轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室空气悬架系统，图3示出了所述悬架系统控制方法流程图。本实施例中，提供了一种毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架系统，其中多层附加气室层数优选为三层。所述空气悬架系统主要包括前悬架系统1和后悬架系统2两组共四个带多层附加气室的空气弹簧。每个空气弹簧包含一个主气室6和一个附加气室11，其中主气室6为膜式柔性橡胶气囊结构，属于弹簧的承载部件，其下端活塞9接受来自地面传到轮胎的力作用，上端弹簧盖板5支撑着车身质量；而附加气室11为刚性多层结构，由多层空腔组成；主气室6和附加气室11之间用气体管道8相联结，气体管道8上设置一个孔径可调的节流阻尼孔7，其本质上是一个内径可调的高精度电磁阀；每个空气弹簧的控制器10能同时对节流阻尼孔7和开关阀12进行独立控制；每个空气弹簧安装有测量活塞9位移的传感器4，位移传感器4与中央控制器3相连；中央控制器3分别与每个空气弹簧的控制器10连接。

所述空气悬架系统中每个空气弹簧位于气体管道8上的节流阻尼孔7的内径是可改变的，通过控制器10可以实现其内径的高精度连续调节。节流阻尼孔7对流过气体有限制作用，使得所述空气弹簧具有空气阻尼特性。节流阻尼孔7的内径调节由控制器10的电信号控制，通过调整节流阻尼孔7的内径大小可以改变弹簧阻尼特性。

所述空气悬架系统中空气弹簧的刚性多层附加气室11由多层空腔组成，不同空腔之间通过开关阀12串联连接。每个开关阀12的开闭都由控制器10独立控制，当两层空腔之间的开关阀12处于开启状态时，两空腔之间相互连通，空腔容积视为一个整体；通过不同开关阀12开闭状态的组合，可以获得不同的附加气室容积。

本发明中，控制器10可以对过空气弹簧进行两个方面的调节，分别为：改变节流阻尼孔7的内径，以及改变开关阀12的开闭状态组合。首先，所述空气弹簧的主气室6是承载部件，弹簧的拉伸与压缩导致主气室6内部气压发生变化，主气室6内部气压的变化会导致主气室6和附加气室11间产生气压差，在气压差的驱动下空气弹簧内的气体通过气体管道8及节流阻尼孔7在主气室6和附加气室11之间流动，当气体通过细小的节流阻尼孔7时，节流阻尼孔7对流过的气体有限制作用，从而使得弹簧有了明显的空气阻尼特性；且在一定孔径范围内，节流阻尼孔7内径越小，对气体限制作用越大，弹簧阻尼特性越明显；通过控制器10可以精准改变节流阻尼孔7的内径，即可实现弹簧的空气阻尼控制，且由于孔径的改变也对内部空气的压缩性产生一定影响，故也能在一定程度上改变弹簧刚度特性。其次，所述空气弹簧的多层附加气室11虽不是承载部件，但其内部所存储的空气依然能通过气体管道8和节流阻尼孔7进入到主气室6内参与弹簧的拉伸与压缩运动；故带多层附加气室的空气弹簧参与工作的空气量不仅包括主气室6内部的空气还包括多层附加气室11内的空气；在主气室6基本参数不变的情况下，参与压缩的气体体积越大则弹簧的刚度越小；通过控制器10改变开关阀12开闭状态组合，可以改变附加气室11内参与工作的空腔层数，即改变了参与工作的气体量，进而改变弹簧的刚度。故控制器10通过对节流阻尼孔内径及开关阀开闭状态组合的协同控制，可实现空气弹簧刚度及阻尼特性的精准调节。

所述空气悬架系统中，控制器10可以实现节流阻尼孔7内径的调节，而各个控制器10的调节指令则是从中央控制器3处获得的。每个空气弹簧的控制器10在一般情况下会使节流阻尼孔7内径保持在特定的范围之内，但在特殊需求下，控制器能实现节流阻尼孔7的完全关闭，此时空气弹簧便转为普通被动空气弹簧进行工作；特别地，当各控制器10或中央控制器3失效时，节流阻尼孔7将会自动完全关闭，这样可使弹簧性能不会出现大幅度摄动，保证了悬架控制失效时的安全性。

所述空气悬架系统中，每个空气弹簧安装有测量活塞9位移的传感器4，在车辆运行过程中传感器4将采集的信号实时传递给中央控制器3，中央控制器3对各个传感器信号进行分析处理，即可获得车辆状态信息。以车辆状态信息作为依据，中央控制器3可对悬架进行动力学控制，包括车身高度控制、平顺性控制、侧倾控制和俯仰控制。

控制方法如下：

中央控制器3进行悬架动力学控制时，首先要进行车辆行驶工况识别，判断车辆分别处于静止、直线行驶、转弯行驶、制动和加速工况中的哪个工况，根据工况的不同选择所对应的控制策略；不同控制策略下，悬架所需的刚度和阻尼不同，为实现所需刚度和阻尼的精准调节，中央控制器3需计算出每个空气悬架的附加气室开关阀开闭状态组合和节流阻尼孔孔径，再将计算结果发送至每个空气弹簧的控制器10；最后，再由每个空气弹簧的控制器10完成开关阀12和节流阻尼孔7的控制；

当车身处于静止状态时，中央控制器3根据悬架静挠度对悬架四个弹簧的刚度进行调整，获得理想的车身高度；弹簧的刚度决定弹簧的软硬程度，在相同车身质量的情况下，越软的弹簧，越容易被压缩，导致车身质心偏离理想高度，通过调整附加气室开关阀12初始开闭状态组合来进行弹簧的初始静态刚度调整，使弹簧软硬程度适中，进而可获得较为理想的车身高度；

当车身处于直线行驶工况时，中央控制器3对各个位移传感器4的信息进行综合分析，即可获得车身的垂直加速度，再以此作为依据，通过同时调整附加气室11的开关阀12开闭状态组合，以及节流阻尼孔7的孔径大小，实现悬架刚度和阻尼的控制，从而改善车身受力情况，以获得最佳的平顺性；

当车身处于转弯行驶工况时，中央控制器3对左侧和右侧位移传感器4信息进行分析比较，即可获得车身的侧倾角，再以此作为依据，通过调整左右两侧空气弹簧的附加气室11的开关阀12开闭状态组合，使左右两侧空气弹簧的附加气室12容积不同，从而改变左右两侧车轮悬架的刚度，左右两侧车轮悬架刚度的改变会使车身左右两侧受力情况不同，由此产生一个力矩，该力矩方向会趋向减小侧倾角的方向，从而获得理想的侧倾状态；

当车身处于制动或加速工况时，中央控制器3对前悬架系统1和后悬架系统2的位移传感器4信息进行分析比较，即可获得车身的俯仰角，再以此作为依据，通过调整前后悬架空气弹簧的附加气室11的开关阀12开闭状态组合，使前后悬架空气弹簧的附加气室11容积不同，从而改变前后悬架系统的刚度，前后悬架刚度的改变会使车身前后受力情况不同，由此产生一个力矩，该力矩方向会趋向减小俯仰角的方向，从而获得理想的俯仰状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其特征在于：空气悬架系统包括前悬架系统（1）和后悬架系统（2）两组共四个带多层附加气室的空气弹簧；每组空气弹簧包含一个主气室（6）和一个附加气室（11）两个气室，主气室（6）为膜式柔性橡胶气囊结构，附加气室（11）为刚性多层结构；主气室（6）和附加气室（11）之间用气体管道（8）连结，气体管道（8）上设置一个孔径可调的节流阻尼孔（7）；每个空气弹簧的控制器（10）能同时对节流阻尼孔（7）和开关阀（12）进行独立控制；每个空气弹簧安装有测量活塞（9）位移的传感器（4），位移传感器（4）与中央控制器（3）相连；中央控制器（3）分别与每个空气弹簧的控制器（10）连接；

位于气体管道（8）上的节流阻尼孔（7）的内径能根据需要进行改变；

刚性多层附加气室（11）由多层空腔组成，不同空腔之间通过开关阀（12）串联连接；每个开关阀（12）的开闭可以控制；不同的开关阀（12）开闭状态组合，能获得不同的附加气室（11）容积；

每个空气弹簧的控制器（10）通过调节节流阻尼孔（7）的孔径，以及开关阀（12）的开闭状态组合，实现空气弹簧刚度和阻尼的改变；

在每个空气弹簧的控制器（10）的控制下，节流阻尼孔（7）可完全关闭；每个空气弹簧的控制器（10）失效时，节流阻尼孔（7）自动完全关闭；中央控制器（3）失效时，节流阻尼孔（7）自动完全关闭；

中央控制器（3）根据四个悬架上的位移传感器（4）信号进行车辆悬架动力学控制，包括车身高度控制、平顺性控制、侧倾控制和俯仰控制。

2.根据权利要求1所述的轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其特征在于：车辆静止时，中央控制器（3）根据悬架静挠度调整附加气室（11）中开关阀（12）的开闭状态组合，改变四个车轮悬架的刚度，获得理想的车身高度。

3.根据权利要求1所述的轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其特征在于：车辆直线行驶过程中，中央控制器（3）根据车身加速度，通过同时调整附加气室（11）中开关阀（12）的开闭状态组合，以及节流阻尼孔（7）的孔径大小，实现悬架刚度和阻尼的控制，获得最佳的平顺性。

4.根据权利要求1所述的轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其特征在于：车辆转弯行驶过程中，中央控制器（3）根据车身侧倾角，通过调整附加气室（11）中开关阀（12）的开闭状态组合，改变左右侧车轮悬架的刚度，获得理想的侧倾角。

5.根据权利要求1所述的轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其特征在于：车辆制动和加速时，中央控制器（3）根据车身俯仰角，通过调整附加气室（11）中开关阀（12）的开闭状态组合，改变前后车轮悬架的刚度，获得理想的俯仰倾角。

6.根据权利要求1所述的轮毂驱动电动汽车用带多层附加气室的空气悬架控制方法，其特征在于：车辆行驶过程中采用控制方法如下：

首先，进行车辆行驶工况识别，判断车辆分别处于静止、直线行驶、转弯行驶、制动和加速哪个工况；

然后，选择对应的控制策略，计算每个空气悬架的附加气室开关阀开闭状态组合和节流阻尼孔孔径，并通过中央控制器将控制参数发送至每个空气悬架的控制器；

最后，每个空气悬架的控制器完成开关阀和节流阻尼孔的控制。