CN112566802B - 识别车辆悬架系统中的性能退化 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于估计在主动或半主动悬架系统中的车辆减震器的阻尼特性的方法，该主动或半主动悬架系统包括：‑多个可调节的阻尼减震器；‑传感器，其用于检测在车辆的车身和皆与减震器相关的每个车轮之间的相对加速度或相对运动以及车身的加速度和运动；以及‑电子处理和控制单元，其布置成发出减震器的控制阀的驱动信号，以实现减震器的预定阻尼特性。减震器的阻尼特性通过以下方式估计：提供参考模型，其表明在道路严重性指数RSI和减震器的控制阀的平均驱动电流之间的标称关系，道路严重性指数RSI与在路段上行驶时由车辆的车轮所经历的垂直加速度值相关；获取至少车辆的前轮相对于车辆的车身的各自相对加速度或速度数据；从所述车辆的前轮相对于车辆的车身的相对加速度或速度数据出发，确定道路严重性指数的值；获取代表每个减震器的控制阀的平均驱动电流的值；将平均驱动电流的获取值与根据参考模型所确定的随道路严重性指数的变化的标称驱动电流的期望值进行比较；以及如果相应的平均驱动电流的获取值与标称平均驱动电流的期望值不一致，则确定减震器的退化情况。

Description

识别车辆悬架系统中的性能退化
本发明总体上涉及车辆的主动或半主动悬架系统，更具体地说，涉及主动或半主动悬架系统的减震器的性能退化的估计。
当前，可调节阻尼减震器越来越多地被使用，特别是在汽车领域，例如取决于路面状况、车辆的运行状况以及驾驶员所需的舒适度设置，可调节阻尼减震器能够在电子控制单元的控制下改变其阻尼特性，从而改变车辆的悬架系统的行为。
车辆车身的垂直运动，更一般地说是车辆的垂直动态，受到路面状况和受到驾驶员施加的操纵(例如转向、加速、制动和换挡操纵)的影响。
半主动悬架系统通常包括：
-可调节阻尼减震器，其类型为包括装有阻尼流体(油)的压力室，活塞可在该压力室内滑动，活塞的位置定义下压力室和上压力室；旁路室，其通过孔与上压力室连通用于流体通过；以及控制阀，通常是电磁阀，其布置成控制阻尼流体在压力室和旁路室之间通过；
-一组传感器，其布置在车辆的前轴和后轴上，适于检测车辆车身和车轮轮毂之间的相对加速度或相对运动以及车身的加速度和运动；以及
-电子处理和控制单元，其适于接收和解释由传感器发出的表明车辆动态的信号，并布置成发出系统减震器的控制阀的驱动信号，以跟踪减震器所需的阻尼特性，以符合预定的安全条件或驾驶设置。
悬架系统的控制逻辑是模块化的，从而根据检测到的路面状况、车辆的横向动态、用户设定的阻尼特性模型和/或所需的阻尼特性模型，按照考虑保持车辆在安全情况下运行而预定的优先规则，依据众多预定的控制策略之一进行控制。
减震器的阻尼特性由控制单元通过发出减震器的控制电磁阀的致动器装置的驱动电流电信号来调节，其大小通常根据已知的脉冲宽度调制(PWM)技术进行调节。对于每个单独的减震器来说，阀的驱动电流的这种调节允许随车轮组件和车辆车身之间的相对行驶速度(F/v)变化地连续调节阻尼力特性。被动悬架系统中，阻尼特性(F/v)由减震器的机械和物理参数以及阻尼流体的粘度特性确定，并由单一的确定的曲线表示，减震器的工作点位于在该曲线上；相对于被动悬架系统，半主动悬架系统定义了属于不同阻尼曲线(F/v)的工作点云，其覆盖了介于最小阻尼特性(对应于悬架的振荡模式的可感知的欠阻尼行为)和最大阻尼特性(对应于悬架的振荡模式的可感知的过阻尼行为)之间的工作区域，依赖于减震器的机械和物理参数以及阻尼流体的粘度特性的中间安全阻尼曲线位于其中，并且一旦控制电磁阀运行发生异常，系统在其上自动设置所谓的故障安全曲线。
在减震器的使用寿命期间，期望监测由于例如控制电磁阀、垫圈和油封件等部件的老化或者调节阻尼特性的电子电路(诸如电磁阀的激励或驱动电路)的操作中的交替导致其性能的任何退化。
构成减震器的零件性能相对于标称设计/校准性能或使用寿命开始时的退化导致减震器的响应(阻尼特性)的变化，或者更准确地，导致阻尼特性(F/v)和控制电磁阀的驱动电流之间的关系的变化。这实际上意味着，在相同的路面粗糙度下，电磁阀驱动电流的实际平均值与标称情况不同。
反馈型悬架系统控制模型(诸如Skyhook模型，用于半主动悬架控制系统中，以在直线运动条件下在不规则路面情况下控制车身和车轮运动)通过调节环路增益来自动补偿在减震器运行特性中的变化，但是当优先控制车辆的横向动态时，可以选择不同的模型，该模型是纯预测性类型的，因此不基于来自车辆动态行为的反馈，该模型将确定不再对应于所需阻尼特性的控制电磁阀的驱动电流的调节。
对随电磁阀驱动电流变化的减震器的阻尼特性F/v的直接测量，可以在工作台上通过使减震器在松弛和压缩状态下工作并通过测量所需的物理量(减震器力、减震器速度和控制电流)来进行。在将减震器安装到车辆上之后，该测量不再可行，因为在车辆上，减震器-车身接口上没有能够测量减震器所施加的力的测力传感器。
因此，本发明的目的是提供一种用于估计在主动或半主动悬架系统中的减震器的性能退化的方法，以使系统的控制策略实时适应于减震器的工作电流特性。
根据本发明，该目的通过一种用于估计减震器的阻尼特性的系统和方法来实现，所述系统和方法具有独立权利要求中所提及的特性。
在从属权利要求中表达了特定的实施例。
本发明的另一主题是如要求保护的一种计算机程序和一种悬挂系统。
综上所述，本发明基于以下原理：从由车载传感器(优选位于前轮轮毂处的加速度传感器)测量的垂直加速度中识别并持续更新道路严重性指数(RSI)，并在车辆运行期间，将该指数与各个减震器的控制阀的驱动力大小的代表值(例如驱动电流的代表值)进行比较，特别是与代表各个减震器(前部和后部减震器)的控制阀的平均驱动电流的值进行比较，这些值例如根据预定的过滤规则(例如一阶滤波器和在预定的时间间隔内的移动的平均值)与实际驱动电流有关。
优选地，本发明被应用于下述运行情况下，在其中车辆在具有不规则表面的道路上以直线运动移动，即以便在车轮的轮毂上产生非零加速度，并且悬架的半主动控制系统仅向减震器的电磁阀提供基于众所周知的Skyhook控制模型以反馈方式计算出的电流，目的是控制车身和车轮轮毂的垂直动态。应当注意的是，由悬架控制系统可以很容易地实时识别这种特定运行情况，该悬架控制系统包括与车载CAN总线联接的处理模块，车辆横向动态控制单元和/或车辆横向动态传感器(诸如偏航和横向加速度传感器)通过该总线进行通信。
通过与在道路严重性指数和减震器的控制阀的标称平均驱动电流(例如，其从在工作台上执行的对随控制阀的驱动电流变化的减震器的阻尼特性F/v的直接测量得到，该标称平均驱动电流随着对车辆控制逻辑的校准而变化)之间的预定标称相关性进行比较，推导出一种或多种特定减震器性能的任何退化情况。
本发明的进一步特征和优点将在下面对其实施例的详细描述中更详细地描述，通过非限制性的例子，参照附图给出，其中：
图1是主动或半主动悬架系统的控制架构的示意图，其布置成估计减震器的阻尼特性的退化；
图2是表示在减震器的标称运行情况下和退化运行情况下，减震器控制阀的驱动电流的代表值与路面严重性指数之间的关系的图；
图3是表示在多个不同的退化运行情况下，减震器控制阀的驱动电流的代表值与路面严重性指数之间的关系的图；以及
图4是根据本发明的用于估计减震器的阻尼特性退化的方法的流程图。
参照图1中的框图，示意性地示出了根据本发明的主动或半主动悬架系统的控制架构。
该系统的控制单元10包括控制策略处理模块12，其设计为随检测到的路面状况、车辆的横向动态、用户设定的阻尼特性模型和/或所需的阻尼特性模型而变化，根据为保持车辆在安全情况下运行而预定的优先规则，选择众多预定的控制策略之一。
处理模块12联接至传感器组件20、22(通常包括加速度计)，传感器组件20、22分别联接到车辆车身和至少一个车轴(优选是前轴)上的车轮轮毂，其适于检测车辆车身和车轮轮毂之间的相对加速度或相对运动。优选地，传感器组件20包括联接至车辆车身的三个传感器以便评估底盘运动，例如，两个传感器位于悬架圆顶处的前轴上，而一个传感器位于后轴上，并且传感器组件22包括至少等于两个并布置在前轮轮毂上的多个传感器(据此估计后轮上的加速度)或与车辆车轮数量相对应的多个传感器。
它还联接到车载CAN总线，其他车载控制单元通过其通信，其他车载控制单元通常是发动机控制单元、变速器控制单元、布置用于在制动或加速操纵期间管理ABS、EBD、ASR功能的车辆纵向动态控制单元、布置用于管理转向操纵的车辆横向动态控制单元，以及乘客舱和车身装置的控制单元(通常被称为“车身计算机”)。
在一个改进的实施例中，还可以提供用户界面(未示出)，用于获取整体设置悬架系统的所需行为特性(舒适、运动)的命令和/或显示关于系统运行状态的信息(例如通过用于检测到的故障情况的警告灯)。
最后，在30处共同表示减震器的阻尼特性的调节阀，其由处理模块12单独控制。
在14处表示估计器处理模块，用于估计集成在控制单元10中的减震器的性能退化情况。
估计器模块14在输入处与传感器组件22联接，传感器组件22通常包括联接至车辆前轮的轮毂的一对加速度计(在这种情况下，对后轮轮毂的加速度进行估计)，或分别联接到车辆的前轮和后轮的轮毂并与具有减震器30的特性的控制阀的驱动电子装置联接的多个加速度计。
估计器模块14还与存储模块M以读取和写入的方式联接，以存储数学参考模型，该数学参考模型表明在道路严重性指标RSI和代表各个减震器的控制阀的驱动电流的量I之间的标称关系，所述道路严重性指标RSI与由车轮轮毂(优选前轮)经历的垂直加速度值(其被适当过滤和平均)有关，例如通过预定的解析关系；所述代表各个减震器的控制阀的驱动电流的量I，例如从在工作台上对随控制阀驱动电流变化的减震器的阻尼特性F/v执行的直接测量得到，其随着对车辆控制逻辑的校准而变化。
参考模型可以是在道路严重性指数和在工作台上关于减震器的阻尼特性F/v测得的至少一个减震器的控制阀的标称平均驱动电流之间的解析关系或这两者的双射对应的数值映射，或者是在道路严重性指数和在实际道路上或在测试行驶表面上车辆运行期间计算的减震器平均驱动电流之间的解析关系或这两者的双射对应的数值映射。所考虑的减震器可以仅是前减震器，也可以是全部的减震器，其中，基于前减震器的行为来估计后减震器的行为。
对于给定类型的减震器，数学参考模型或驱动电流装置的历史可以以双射对应中的指示量的数值映射的形式来表示。替代地，该模型可以是指示量之间的关系的动态数学模型。
其中估计了减震器退化的特定运行情况优选地对应于车辆在不规则表面上直线行驶的情况，即诸如在车轮的轮毂上产生非零加速度，其中对减震器的阻尼曲线的控制基于众所周知的Skyhook控制模型以反馈的形式发生。这种运行情况由半主动悬架系统的控制单元基于其从其他车辆动态控制单元接收到的CAN信号以及基于轮毂和车身加速度传感器(图1)来容易地识别。在这里，该特定运行情况将被称为“验证的情况”。
估计器模块14连接至处理模块12，以提供表明代表减震器的控制阀的驱动电流的量的标称值和实际值之间的偏差的信号或数据Δ，从而表明所考虑的特定减震器的任何退化。图2以虚线示出了当前道路严重性指数与代表所考虑的减震器的控制阀的驱动电流的量I的实际值之间的关系曲线。本曲线与图2中用虚线表示的标称曲线之间的距离表明了减震器运行特性的当前退化。
估计器模块14被布置为执行例如本地存储的计算机程序或程序组，该计算机程序或程序组适于执行所描述的用于估计减震器性能的退化情况的方法(算法)。
仅仅通过举例的方式，提供了一种用于估计减震器的性能退化的方法的描述。
考虑了一种半主动悬架控制系统的可调节阻尼减震器。此外，假设已知或获取了数学参考模型，该数学参考模型表明针对不同的已知和表征的减震器退化情况，在道路严重性指数RSI和代表减震器的控制阀驱动电流的移动的平均值的量I之间的标称关系，如图3中的图形所示，其中N表示在未退化的运行情况下RSI和I指数之间的标称关系曲线，而D1、D2、D3和D4表明代表在不同的已知和表征的减震器退化情况下的RSI和I指数之间关系的其他曲线。这些退化情况中的每一个均与合成的退化指数Δi(其中i＝1,2,3,4)相关联。
参照图4中的流程图，在车辆运动期间，悬架系统的控制单元10在步骤100中确定验证的运行情况是否存在，该验证的运行情况先前被定义为在不规则表面上直线行驶的情况。
如果是这种情况，则在步骤110中，估计器模块14从减震器(例如前减震器)的加速度传感器22获取相应的加速度数据。
随后，在步骤120中，估计器模块14获取每个减震器的控制阀的相应平均驱动电流值，针对该减震器估计通过在处理模块12中实施的Skyhook控制模型所确定的退化(即前后减震器的退化)。
然后，在步骤140中，估计器模块14基于由位于前车轮轮毂处的加速度传感器测量的垂直加速度确定道路严重性指数(RSI)，以及通过表明在道路严重性指数RSI与每个减震器的控制阀的平均驱动电流I之间的标称关系的参考模型，确定各自的预期驱动电流或者优选在下阈值和上阈值(在图3中用Ninf和Nsup曲线表示)之间的预期驱动电流范围。
在步骤150中，估计器模块14核查通过Skyhook控制模型获取的每个减震器的控制阀的平均驱动电流值是否在所述下阈值Ninf和所述上阈值Nsup之间。如果是，则估计器模块在步骤160断定减震器没有退化。如果不是，则估计器模块检测到可能的退化情况，并且在步骤170中识别减震器，对于该减震器，相应控制阀的驱动电流与预期的驱动电流不一致，即驱动电流超过预定阈值Ninf或Nsup。
在下一步骤180，估计器模块14计算与当前驱动电流的电流偏差，这是恢复减震器正确运行所必需的，并验证该电流偏差是否导致达到减震器所需的Skyhook力所必须的正确驱动电流，大于输送的最大电流或小于驱动控制阀的最小电流，即该变化是否超过对退化的最大可能补偿。
如果是这种情况，则在步骤190中，估计器模块14以屏幕上的视觉信号或以存储在车辆的运行记录中指示减震器的运行情况的信号的形式向用户发送表明减震器的推测退化的警报信号。如果不是，则在步骤200，估计器模块14将退化补偿信号发送至控制处理模块12，从而修改减震器的控制阀的控制参数。退化补偿信号将以电流差的形式(其可以是负值也可以是正值)被添加到控制策略的处理模块12所定义的控制阀的驱动电流中(不通过反馈作用)。
参照图3对在步骤150中执行的验证进行了最好的说明，其中说明了减震器的退化运行情况，由曲线Dact表示的RSI和I指数之间的关系表示。
有利地，在步骤150的验证包括以下操作。在整个验证情况的期间，计算在如图3所示的曲线Dact和代表不同的已知和表征的减震器退化情况的曲线D1-D4之间的距离。优选地通过计算在曲线Dact和曲线D1-D4的每个之间的均方根，在验证情况的持续时间内量化该距离。假设曲线Dact更接近曲线D2。因此，可以推断出减震器性能退化，具有由预定的合成指数Δ2表示的退化量。
优选地，在随后的验证情况下，酌情重复预定次数的上述比较。在这些验证情况的每一种下，计算退化指数Δi，并通过用预定的权重对各个退化指数Δi进行平均而计算当前的退化指数Δ。优选地，基于代表不同退化情况下的RSI和I指标之间的关系的曲线的可靠性来计算各个退化指标的权重。例如，在较长的持续时间和/或距离的行程中获得的且具有较大RSI范围的曲线将比在较短的持续时间和/或距离的行程中获得的且具有几乎恒定的RSI指数的曲线具有更大的权重。
有利地，以规律的间隔重复上述整个估计过程，以便周期性地更新对减震器退化指数Δ的估计。
有利地，表明减震器(或整个悬架系统)性能的所估计的退化的数据元素Δ可以由悬架系统的控制模块使用，并可能由连接到CAN网络的其他模块使用，以便依赖于所使用的策略在减震器的特性的控制电流中做出决策并实施相应更改。这样就可以使悬架系统的行为适应减震器的退化(只要是可持续的)，从而使乘客不会感觉到在绝对驾驶舒适性、驾驶员所需的舒适性设置和车辆动态性能中的变化。
如果减震器的退化不再可恢复(因为它与预设的容许范围相比客观上来说是过度的)，则系统布置成警示驾驶员，指示是时候去修理厂对整个悬架系统进行大修或更换特定的减震器了。
显然，在不影响本发明的原理的情况下，实施例和实施例的细节可以相对于纯粹通过非限制性示例的方式来描述和说明的内容被极大地修改，而不因此脱离如所附权利要求书所定义的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于估计在主动或半主动悬架系统中的车辆减震器的阻尼特性的方法，所述主动或半主动悬架系统包括：
-多个可调节的阻尼减震器，每个减震器包括装有阻尼流体的压力室，活塞能够在压力室中滑动，活塞的位置定义下压力室和上压力室；旁路室，所述旁路室与上压力室连通；以及至少一个控制阀，所述至少一个控制阀布置成控制阻尼流体在压力室和旁路室之间的通过；
-传感器装置，所述传感器装置用于检测在车辆的车身和每个车轮之间的相对加速度或相对运动，以及车身的加速度和运动；所述每个车轮皆与减震器相关联；以及
-电子处理和控制装置，所述电子处理和控制装置适于接收表明所述相对加速度或所述相对运动的信号，并布置成发出减震器的控制阀的驱动信号，以实现减震器的预定阻尼特性，
其特征在于，所述方法包括：
-提供参考模型，所述参考模型表明在道路严重性指数RSI与代表减震器的控制阀的驱动力的大小的量之间的标称关系，所述道路严重性指数RSI与在路段上行驶时由车辆的车轮所经历的垂直加速度值相关；
-获取至少车辆的前轮相对于车辆的车身的各自的相对加速度或速度数据；
-从所述车辆的前轮相对于所述车辆的车身的所述相对加速度或速度数据出发，确定道路严重性指数的值；
-获取代表每个减震器的控制阀的驱动力的大小的量的值；
-对于至少一个减震器，将所述代表驱动力的大小的量的获取值与代表根据所述参考模型所确定的随所述道路严重性指数变化的标称驱动力的大小的量的预期值进行比较；以及
-如果相应的驱动力的大小的获取值与所述标称驱动力的大小的期望值不一致，则确定减震器的退化情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述代表减震器的控制阀的驱动力的大小的量是代表所述控制阀的驱动电流的量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述代表减震器的控制阀的驱动电流的量是在预定时间间隔内所述控制阀的平均驱动电流。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，其是在验证的运行情况下进行的其中车辆在不规则的表面上以直线运动行驶。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，车辆的所述半主动悬架系统通过基于Skyhook控制模型以反馈方式计算出的驱动电流来驱动减震器的控制阀。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考模型针对减震器的不同的已知和表征的退化情况，表明在道路严重性指数和代表减震器的控制阀的驱动力的大小的量之间的多个标称关系。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：针对至少一个减震器，计算在所述代表驱动力的大小的量的获取值和所述代表标称驱动力的大小的量的期望值之间的偏差，并核查所述偏差是否超过对应于不可传递的驱动力的大小值的最大偏差阈值，所述方法还包括：
如果所述偏差超过最大偏差阈值，则发出警报信号；和
如果所述偏差不超过最大偏差阈值，则发出补偿信号以修正所述减震器的控制阀的驱动力的大小。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述代表驱动力的大小的量的获取值与代表根据所述参考模型所确定的随所述道路严重性指数变化的标称驱动力的大小的量的预期值进行的比较，是对于与减震器的不同的已知和表征的退化情况相关联的在道路严重性指数和代表减震器的控制阀的驱动力的大小的量之间的多个标称关系而实施的，在验证的运行情况过程中，多次执行所述比较。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，针对多个标称关系将所述代表驱动力的大小的量的获取值与所述代表标称驱动力的大小的量的期望值进行的比较，包括针对所述多个标称关系计算在平均驱动电流的获取值和标称平均驱动电流的期望值之间的均方根，并用与所述平均驱动电流的获取值更为接近的标称平均驱动电流的期望值相关联的预定的退化指数标记所述减震器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对于验证运行情况的预定数量的连续发生，执行将所述平均驱动电流的获取值与标称平均驱动电流的期望值比较，所述方法还包括用预定的当前退化指数标记所述减震器，通过以预定权重对在验证运行情况的预定数量的连续发生期间标记所述减震器的退化指数进行平均而计算预定的当前退化指数。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考模型是在道路严重性指数和在工作台上关于减震器的阻尼F/v所测量的至少一个减震器的控制阀的标称平均驱动电流之间的解析关系或这两者的双射对应中的数值映射。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考模型是在道路严重性指数与在车辆的运行期间对减震器所计算的平均驱动电流之间的解析关系或这两者的双射对应中的数值映射。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述代表每个减震器的控制阀的驱动电流的量的值根据预定的过滤规则与所述控制阀的实际平均驱动电流相关联。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述过滤规则包括一阶滤波器和在预定时间间隔内的移动的平均值。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标称驱动力的大小的期望值是介于较低阈值和较高阈值之间的值。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器装置包括至少一个加速度计，其联接至车辆的车身；以及至少一对加速器，其联接至车辆的前轮的各个轮毂。
17.一种用于估计在主动或半主动悬架系统中的车辆减震器的阻尼特性的系统，所述系统包括：
-多个可调节的阻尼减震器，每个减震器包括装有阻尼流体的压力室，活塞能够在压力室中滑动，活塞的位置定义了下压力室和上压力室；旁路室，所述旁路室与上压力室连通；以及控制阀，所述控制阀布置成控制阻尼流体在压力室和旁路室之间通过；
-传感器装置，所述传感器装置用于检测在车辆的车身和每个车轮之间的相对加速度或相对运动，以及车身的加速度和运动；所述每个车轮皆与减震器相关联；以及
-电子处理和控制装置，所述电子处理和控制装置适于接收表明所述相对加速度或所述相对运动的信号，并布置成发出减震器的控制阀的驱动信号，以实现减震器的预定阻尼特性，
其特征在于，其包括估计减震器的退化情况的处理模块，所述处理模块在输入端处与所述传感器装置联接，在输出端处与所述电子处理和控制装置联接，所述处理模块布置成执行根据权利要求1至16中任一项所述的方法。
18.一种用于车辆的主动或半主动悬架系统，其包括根据权利要求17所述的用于估计车辆减震器的阻尼特性的系统。
19.一种由计算机系统执行的计算机程序产品，其包括一个或多个代码模块，用于实现根据权利要求1至16中任一项所述的用于估计在半主动悬架系统中的车辆减震器的阻尼特性的方法。
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