CN112172440B

CN112172440B - 一种抗轿车制动前俯的主动控制装置

Info

Publication number: CN112172440B
Application number: CN202011119505.1A
Authority: CN
Inventors: 魏道高; 张宇航; 刘帅康; 王伟; 赵文超; 黄涛生; 汪惟佳; 董玉德
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2040-10-19
Also published as: CN112172440A

Abstract

本发明涉及一种抗轿车制动前俯的主动控制装置，属于汽车技术领域。包括一对控制机构；一对控制机构为前控制机构和后控制机构，且结构相同；所述控制机构包括阻尼器、液压油缸、第一换向阀、第二换向阀、油泵和液压油箱，构成液压控制回路；阻尼器为磁流变半主动阻尼器；液压油缸为活塞式液压油缸；液压油缸的活塞杆外端和阻尼器的活塞杆外端固定连接；使用时，所述前控制机构设于车架前部和前桥壳之间，所述后控制机构设于车架后部和后桥壳之间。本发明利用制动踏板的松开和闭合来控制液压油路中的电磁阀的开关，驱动本发明装置工作，以此来保证磁流变半主动阻尼器提供阻尼力的及时性，故该抗轿车制动前俯的主动控制装置执行起来更加稳定可靠。

Description

一种抗轿车制动前俯的主动控制装置

技术领域

本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种抗轿车制动前俯主动控制装置。

技术背景

目前一些悬架设计师多是通过改变车辆的一些几何参数，或是通过改变调整纵倾中心的位置来削弱轿车的制动前俯现象。经过对轿车制动前俯量的理论分析，我们可以知道轿车的制动前俯量是和轿车的质心高度、轴距、制动力分配系数以及纵倾中心的位置有关，当质心高度、轴距、制动力分配系数等参数选定之后，悬架设计师可以通过选择纵倾中心的位置来获得预期的抗前俯效果。但为了减少车轮传到轿车车身上的冲击力，纵倾中心的选择一般不能达到理想的无前俯效果，即制动时仍有一定程度的前俯现象。一种摆臂结构、双横臂式前独立悬架及汽车，在不影响整体性能的前提下，令上、下摆臂呈非平行的位置关系以提升抗点头能力，从而改善整车的操纵稳定性。但是受到悬架结构性能、驾乘人员舒适性等因素的影响，上述发明对制动前俯的改善能力有限，更不能完全消除汽车的制动前俯现象。另一种包含摩擦式接近分离力产生装置在内的抗车辆制动前俯的装置，利用摩擦力将汽车制动前俯的能量通过热能耗散出去，来减弱汽车制动点头现象，实现汽车制动点头抑制系统和制动系统的协调控制，提高车辆的舒适性；但是该装置对摩擦力产生装置的材料性能要求较高，摩擦产生的高热量对摩擦材料的损伤较大，而且同样不能完全消除汽车的制动前俯现象。

发明内容

为了实现轿车制动减速度随机变化时能够有效主动控制，使轿车的制动前俯量理论值为零，本发明提供了一种抗轿车制动前俯的主动控制装置。

一种抗轿车制动前俯的主动控制装置包括一对控制机构；一对控制机构为前控制机构和后控制机构，且结构相同。

所述控制机构包括阻尼器1、液压油缸2、第一换向阀3、第二换向阀9、油泵5和液压油箱6，构成液压控制回路。

所述阻尼器1为磁流变半主动阻尼器。

所述液压油缸2为活塞式液压油缸。

所述液压油缸2的活塞杆外端和阻尼器1的活塞杆外端固定连接。

所述第一换向阀3为两位四通电磁换向阀，第一换向阀3的第一工作口A连通着液压油缸2的低压回油口23，第一换向阀3的第二工作口B连通着液压油缸2的高压进油口24，第一换向阀3的进油口P连通着油泵5的出油口，第一换向阀3的回油口T连通着液压油箱6。

所述第二换向阀9为两位两通电磁换向阀，第二换向阀9的工作油口连通着液压油缸2的卸荷口25，第二换向阀9的回油口连通着液压油箱6。

使用时，所述前控制机构设于车架前部和前桥壳之间，所述后控制机构设于车架后部和后桥壳之间；所述第一换向阀3、第二换向阀9分别与轿车的制动踏板电连接。

进一步限定的技术方案如下：

所述油泵5出油口的管道上依次串联着调整阀4和单向阀7，所述单向阀7出口通过三通管分别连通着第一换向阀3的进油口P和第一溢流阀8的进油口。

所述第二换向阀9的工作油口通过三通管分别连通着液压油缸2的卸荷口25和第二溢流阀10的进油口。

所述前控制机构的液压油缸2的缸体固定连接车架前部，前控制机构的阻尼器1的缸体固定连接前桥壳中部。

所述后控制机构的液压油缸2的缸体固定连接车架后部，后控制机构的阻尼器1的缸体固定连接后桥壳中部。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明利用制动踏板的松开和闭合来控制液压油路中的电磁阀的开关，实现同时驱动本发明装置工作，以此来保证磁流变半主动阻尼器提供阻尼力的及时性，故该抗轿车制动前俯的主动控制装置执行起来更加稳定可靠。

2.以往传统的提高车辆抗制动纵倾性的方法并不能完全消除车辆的制动前俯现象，在制动减速度很大时，车辆制动前俯现象依然明显；本发明通过检测车辆随机变动的制动减速度来施加对应的工作电流，进而改变磁流变阻尼器的阻尼系数，使阻尼力与对应车轮的制动力、法向载荷的变化值三者在纵倾中心处所产生的力矩达到平衡，所以在制动减速度随机变化时，都能及时对车辆的制动前俯量进行控制，使前俯量理论上为零。改变了传统提高车辆抗制动纵倾性的方式，提高了车辆制动时的舒适性、稳定性和安全性。

3.本发明中的活塞缸的有杆腔一侧设置有卸荷孔，在松开制动踏板时，油路中的电磁开关关闭，油路可实现自动卸荷，使活塞缸活塞杆在回位弹簧的作用下自动回到初始位置，故该装置在回位阶段无需其他的动力装置，使控制装置的结构较为简单且具有较低的能耗。

4.本发明可以应用于包含双横臂独立悬架在内的各种悬架的轿车，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为阻尼器和液压油缸的结构示意图；

图3为阻尼器和液压油缸的剖视图；

图4为本发明机构执行时前悬架的受力分析图；

图5为磁流变半主动阻尼器流动模式与剪切模式的原理图；

图6为磁流变半主动阻尼器的阻尼系数随工作电流的变化关系。

上图中序号：阻尼器1、液压油缸2、第一换向阀3、调整阀4、油泵5、液压油箱6、单向阀7、第一溢流阀8、第二换向阀9、第二溢流阀10、阻尼器活塞杆11、活塞缸活塞杆21、回位弹簧22、低压回油口23；高压进油口24、卸荷口25。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

控制机构包括阻尼器1、液压油缸2、第一换向阀3、第二换向阀9、油泵5和液压油箱6，构成液压控制回路。

阻尼器1为磁流变半主动阻尼器，且在本实施例中其工作电流设定为0-10A。液压油缸2为活塞式液压油缸。

参见图2，液压油缸2的活塞杆外端和阻尼器1的活塞杆外端固定连接。

参见图1和图3，第一换向阀3为两位四通电磁换向阀，第一换向阀3的第一工作口A连通着液压油缸2的低压回油口23，第一换向阀3的第二工作口B连通着液压油缸2的高压进油口24，第一换向阀3的进油口P连通着油泵5的出油口，油泵5出油口的管道上依次串联着调整阀4和单向阀7，单向阀7出口通过三通管分别连通着第一换向阀3的进油口P和第一溢流阀8的进油口。第一换向阀3的回油口T连通着液压油箱6。

参见图1和图3，第二换向阀9为两位两通电磁换向阀，第二换向阀9的工作油口通过三通管分别连通着液压油缸2的卸荷口25和第二溢流阀10的进油口，第二换向阀9的回油口连通着液压油箱6。

第一换向阀3、第二换向阀9分别与轿车的制动踏板电连接。

参见图4，前控制机构的液压油缸2的缸体固定连接车架前部，前控制机构的阻尼器1的缸体固定连接前桥壳中部。后控制机构的液压油缸2的缸体固定连接车架后部，后控制机构的阻尼器1的缸体固定连接后桥壳中部。

本发明的使用操作过程详细说明如下：

当驾驶员踩下制动踏板开始制动时，第一换向阀3和第二换向阀9同时开启，此时第一换向阀3左位接通、第二换向阀9右位接通，液压泵5与液压油缸2的高压进油孔24之间的管路接通，液压油缸2的卸荷孔25与液压油箱6之间的管路断开，进而在液压油的作用下使液压油缸2的活塞杆21向左移动，与此同时，检测此时的制动减速度，阻尼器1获得一个合适的工作电流，使阻尼器1的阻尼系数与当下制动减速度相匹配，阻尼器1给轿车的车轮一个向左的阻尼力，来补偿车轮所需的在纵倾中心处的逆时针力矩。反之，当驾驶员松开制动踏板时，第一换向阀3和第二换向阀9同时关闭，此时第一换向阀3右位接通、第二换向阀9左位接通，液压泵5与液压油缸2的高压进油孔24之间的管路断开，液压油缸2的高压进油孔24与油箱之间的管路接通，液压油缸2的卸荷孔25与液压油箱6之间的管路接通，故此时液压油缸2的无杆腔与有杆腔的压力相等，液压油缸2的活塞杆21在回位弹簧22的作用下回到初始位置，为下一次制动做好准备。

参见图4，前悬架的受力情况分析说明如下：轿车在制动的过程中，轿车的质心上作用有惯性力，在惯性力的作用下前后轮上的负荷发生转移，此时轿车出现制动前俯现象，由前车轮绕前纵倾中心的力矩平衡关系式应满足：

(K₁Δf₁-ΔG)d₁+(F_B1+F_阻尼)e₁＝0 (1)

式中：

F_j＝mj， (2)

F_B1＝βF_B＝βF_j,

F_阻尼＝c_vv_液压,

且另Δf₁＝0代入可得：

其中v_液压可以根据实际需要调定为一固定值，在此只需研究c_v与j的关系，在此以某国产车型为例并设定各参数值如下：

h＝552mm,L＝2750mm,β＝0.64,m＝1710kg,d₁/e₁＝7.5,v_液压＝5mm/s

可得：

c_v＝2.96×10⁵j (4)

综上分析，当磁流变半主动阻尼器的可调阻尼系数与制动减速度之间满足式(4)的关系，就可以控制车辆的制动前俯量，使其理论上为零，达到抗制动前俯的目的。

上述公式(1)-(4)中的字母说明如下：

K₁表示前悬架弹簧刚度；

Δf₁表示车辆制动时引起的前弹簧压缩变形量；

ΔG表示制动时前后轮负荷增减量；

d₁表示前纵倾中心到前轴的距离；

F_B1表示前轮所受到的地面制动力；

F_阻尼表示磁流变半主动阻尼器产生的阻尼力；

e₁表示磁流变半主动阻尼器与纵倾中心的高度差和纵倾中心的离地高度；

F_j表示制动时车辆的惯性力；

h表示车辆质心高度；

L表示车辆轴距；

m表示轿车质量；

j表示制动减速度；

c_v表示磁流变半主动阻尼器的可调阻尼系数；

v_液压表示液压缸活塞缸运动速度；

β表示制动力系数；

参见图5，本发明采用的磁流变半主动阻尼器的工作模式为流动模式与剪切模式混合的工作模式。所产生的总的阻尼力为流动模式与剪切模式下的阻尼力之和，表示如下：

选定阻尼器1的工作缸外径40mm，工作缸内径30mm，活塞杆直径取工作缸直径的0.35倍，得活塞杆直径为：d＝10.5mm，取整得d＝12mm，得如下参数：活塞有效面积A_p为0.0005024m²，阻尼通道长度l取0.02m，阻尼通道宽度h＝0.001m，平板宽度b＝0.088m，磁场线圈匝数N＝60。此外剪切屈服上应力τ_y和粘度系数η随磁场强度变化而变化，因此τ_y和η和励磁电流的大小有关。τ_y和η随电流的变化关系可表示为：

通过查阅文献得出上面τ_y与η随电流的变化关系式中的拟合系数如下：

A₁＝2.446、A₂＝3.986、A₃＝24.247

B₁＝0.771×10^-4、B₂＝3.179×10^-4、B₃＝6.702×10^-4

上述公式(5)-(6)中的字母说明如下：

F_阻尼表示磁流变半主动阻尼器所产生的总的阻尼力；

F₁表示流动模式下的阻尼力；

F₂表示剪切模式下的阻尼力；

l表示阻尼的通道长度；

b表示平板宽度；

h表示阻尼通道高度，即活塞与缸体间的阻尼通道间隙；

A_p表示活塞的有效面积；

η表示磁流变液体的零场粘度；

ν表示活塞与缸体的相对速度；

τ_y表示剪切屈服应力；

参见图6，因为轿车的制动减速度一般都在0-8m/s²进行随机变化，由式(4)可知若使在任意制动减速度下都能达到理想效果，可调阻尼系数的变化范围应在0-2.36×10⁶内进行变动，但由于磁流变液在零磁场下也表现出一定的粘度和阻尼即仍具有一定的阻尼系数。根据该阻尼器的仿真图形可知，该阻尼器的阻尼系数调节下限为0.5×10⁶，带入式(4)得：

可知在该液压油的供给流量下，制动减速度大于1.69m/s²时都可以对磁流变半主动阻尼器的可调阻尼系数进行有效控制，达到理想的控制目标。

例如轿车在5m/s²下突然进行紧急制动，带入式(4)得：

c_v＝2.96×10⁵j＝1.48×10⁶ (8)

由图6可见，此时阻尼器的工作电流为3.5A。

在实际执行时，轿车通过加速度传感器测得此时刻的制动减速度为5m/s²，磁流变阻尼器的工作电流为3.5A，此时阻尼器提供的阻尼力F_阻尼为：

F_阻尼＝c_vv_液压＝7.4×10³N (9)

该制动减速度下轿车前轮的法向载荷变化值ΔG与制动力F_B1为：

F_B1＝βF_B＝βF_j＝βmj＝5472N (11)

阻尼力F_阻尼、法向载荷的变化值ΔG、制动力F_B1三者在纵倾中心处所产生的力矩分别为：

M_ΔG＝-ΔGd₁＝-7.5ΔGe₁＝-12.9×10³e₁ (12)

可知此时：

阻尼力F_阻尼、法向载荷的变化值ΔG、制动力F_B1三者在纵倾中心处所产生的力矩达到平衡，故此时前俯量为零，满足抗车辆制动前俯的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抗轿车制动前俯的主动控制装置，其特征在于：包括一对控制机构；一对控制机构为前控制机构和后控制机构，且结构相同；

所述控制机构包括阻尼器(1)、液压油缸(2)、第一换向阀(3)、第二换向阀(9)、油泵(5)和液压油箱(6)，构成液压控制回路；

所述阻尼器(1)为磁流变半主动阻尼器；

所述液压油缸(2)为活塞式液压油缸；

所述液压油缸(2)的活塞杆外端和阻尼器(1)的活塞杆外端固定连接；

所述第一换向阀(3)为两位四通电磁换向阀，第一换向阀(3)的第一工作口A连通着液压油缸(2)的低压回油口(23)，第一换向阀(3)的第二工作口B连通着液压油缸(2)的高压进油口(24)，第一换向阀(3)的进油口P连通着油泵(5)的出油口，第一换向阀(3)的回油口T连通着液压油箱(6)；

所述第二换向阀(9)为两位两通电磁换向阀，第二换向阀(9)的工作油口连通着液压油缸(2)的卸荷口(25)，第二换向阀(9)的回油口连通着液压油箱(6)；

使用时，所述前控制机构设于车架前部和前桥壳之间，所述后控制机构设于车架后部和后桥壳之间；所述第一换向阀(3)、第二换向阀(9)分别与轿车的制动踏板电连接。

2.根据权利要求1所述的一种抗轿车制动前俯的主动控制装置，其特征在于：所述油泵(5)出油口的管道上依次串联着调整阀(4)和单向阀(7)，所述单向阀(7)出口通过三通管分别连通着第一换向阀(3)的进油口P和第一溢流阀(8)的进油口。

3.根据权利要求1所述的一种抗轿车制动前俯的主动控制装置，其特征在于：所述第二换向阀(9)的工作油口通过三通管分别连通着液压油缸(2)的卸荷口(25)和第二溢流阀(10)的进油口。

4.根据权利要求1所述的一种抗轿车制动前俯的主动控制装置，其特征在于：所述前控制机构的液压油缸(2)的缸体固定连接车架前部，前控制机构的阻尼器(1)的缸体固定连接前桥壳中部。

5.根据权利要求1所述的一种抗轿车制动前俯的主动控制装置，其特征在于：所述后控制机构的液压油缸(2)的缸体固定连接车架后部，后控制机构的阻尼器(1)的缸体固定连接后桥壳中部。