CN114537072A - 一种具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，包括至少四个分别位于悬架系统四角的液压缸及两个液压回路，每个液压缸均包括上腔室和下腔室，且上腔室与下腔室之间通过活塞隔开；第一液压回路由悬架左前液压缸的下腔、右前的液压缸上腔、左后液压缸的下腔、右后液压缸的上腔通过管路连通构成；第二液压回路由悬架左前液压缸的上腔、右前的液压缸下腔、左后液压缸的上腔、右后液压缸的下腔通过管路连通构成；第一液压回路和第二液压回路上均设有蓄能器及控制阀，从而实现可调节侧倾刚度与自适应阻尼的功能。本发明可以提高车辆的操纵稳定性和平顺性，且使用较少数量的控制阀即可达到满意的减震效果，因此具有结构简单、成本低的优势。

Description

一种具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架

技术领域

本发明涉及车辆悬架技术领域，具体涉及一种具有自适应阻尼和可调节侧 倾刚度的油气互联悬架。

背景技术

车辆悬架系统在降低车身侧倾运动方面起着关键作用，尤其是当车辆进 行极端转弯操纵时。刚度较大的悬架系统可以大大地降低车辆的侧翻倾向。 而良好的乘坐舒适性却需要刚度较低的悬架系统。因此，人们通过引入各种 技术来缓解车辆操纵稳定性和乘坐舒适性之间的矛盾。其中一种方法是使用 油气互联悬架系统，该悬架系统的刚度和阻尼特性可以方便地进行调节。与 独立悬架系统相比，油气互联悬架系统可以提供较低的垂向刚度以获得更好 的乘坐舒适性，同时可以提供足够的侧倾刚度以保证车辆的操纵稳定性。总的来说，油气互联悬架系统可以将车辆的不同运动模式(如侧倾、俯仰、垂 向、扭转)进行解耦，在提高操纵稳定性的同时不影响乘坐舒适性。然而， 现有的具有可调刚度和自适应阻尼的双轴油气互联悬架需要多达10个电磁 比例流量控制阀。目前，此类电磁阀大多为进口产品，价格昂贵，导致油气 互联悬架制造成本过高。另外，现有的互联悬架结构较为复杂，车辆底盘没 有足够的安装空间，导致实际应用受限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互 联悬架，可以提高车辆的操纵稳定性和平顺性，且具有结构简单、成本低的优 势。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，包括至少四个分 别位于悬架系统四角的液压缸及两个液压回路，每个液压缸均包括上腔室和下 腔室，且上腔室与下腔室之间通过活塞隔开，液压缸的活塞杆分别与其对应的 簧载质量连接，液压缸的底部分别与簧下质量连接；悬架系统四角还设有与四 个液压缸平行安装的空气弹簧，所述空气弹簧的上端与簧载质量连接，其下端 与簧下质量连接，空气弹簧的主要功能是承载车辆载荷和提供必要的垂向刚 度。

第一液压回路由位于悬架左前液压缸的下腔、右前的液压缸上腔、左后液 压缸的下腔、右后液压缸的上腔通过管路连通构成；第二液压回路由位于悬架 左前液压缸的上腔、右前的液压缸下腔、左后液压缸的上腔、右后液压缸的下 腔通过管路连通构成；第一液压回路和第二液压回路上均设有与其回路连通的 蓄能器及控制阀。液压管路的布置可根据车辆底盘的可用空间进行调整。

蓄能器的主要作用是提供侧倾刚度，蓄能器可以是油气活塞式或气囊式， 与传统的独立悬架系统中的横向稳定杆相比，蓄能器可以提供非线性的侧倾刚 度以及更好的防侧倾性能。

可调节侧倾刚度指悬架系统的侧倾刚度可以通过改变蓄能器中的初始气 压来调节；较高的侧倾刚度需要更高的系统压力，这可以通过对蓄能器加压来 实现。类似地，通过降低蓄能器中的气压可以实现较低的侧倾刚度。

控制阀可以使用电磁比例流量控制阀，每个电磁比例流量控制阀分别在液 压管路中产生一定的流体阻力，从而提供悬架系统所需的阻尼特性。

自适应阻尼指通过实时调节每个控制阀的孔径大小，对悬架的阻尼特性进 行实时调节。高阻尼系统需要阀门提供更大的流体阻力，这可以通过减小阀门 的通孔面积来实现。同样，通过增加阀门的通孔面积，可以实现低阻尼系统。 通过传感器对车辆运动状态的测量，悬架控制系统可以根据道路和驾驶条件实 时地调整控制阀的孔径大小，从而实现悬架的自适应阻尼特性。

进一步地，当悬架的相对侧倾角增大时，主蓄能器中的气压将相应地升 高。然而，高气压是油气悬架系统的潜在风险。这个隐患可以通过在主蓄能器 旁边增加一个辅助蓄能器来解决，当油压达到预警压力时，辅助蓄能器将启 动，以防止悬架系统中由于压强过高而产生安全隐患。

进一步地，可以在每个蓄能器的入口处额外增加两个液压阀，从而提供额 外的侧倾阻尼。液压阀控制流入和流出蓄能器的油液流速，其在侧倾方向上的 阻尼控制效果远大于垂直方向。

本发明具有以下优点：

1.与现有技术相比，本发明的互联结构更简洁，方便实车安装。

2.与现有技术相比，本发明使用较少数量的控制阀即可达到满意的减震效 果，大大地降低了成本。

3.本发明的互联悬架系统具有非线性的侧倾刚度，即随着悬架相对侧倾角 的增大，其侧倾刚度随之增大。因此，此悬架系统可以提供优异的操纵稳定性， 且避免车辆侧翻。

4.本发明的互联悬架系统具有侧倾刚度易于调节的特点，可适配不同的车 型。制造商可以通过调整蓄能器的初始气压，以实现不同的侧倾刚度，从而满 足不同用户的需求。

5.本发明的互联悬架系统有被动和自适应两种模式。即使在被动模式下， 互联悬架在操纵性和乘坐舒适性方面都更优于传统悬架。通过使用两个电磁比 例流量控制阀，添加所需的传感器和控制模块，可以实现一种先进的自适应阻 尼工作模式。在这种情况下，互联悬架系统的阻尼特性将根据行驶条件实时调 整，以达到更好的平顺性。

6.本发明的互联悬架系统具有很好的设计灵活度以应对不同的用户需求。 通过在每个蓄能器的入口处添加一个液压阀，就可以进一步地增强和调节悬架 的侧倾阻尼特性。

7.通过使用互联结构，传统的横向稳定杆可以被取代，会在很大程度上降 低悬架系统的总重量。

8.在某些应用中，液压回路中的工作压力可能会非常高。通过在每个液压 回路上增设一个辅助蓄能器，即可消除液压系统工作压力过高的风险，保证了 油气互联悬架系统的安全性。

9.本发明的互联悬架系统结构可以容易地扩展并应用于多轴悬架系统。

附图说明

图1是本发明中实施例1的双轴油气互联悬架系统的结构示意图；

图2是本发明中实施例2的具有增强侧倾阻尼特性的油气互联悬架系统的 结构示意图；

图3是本发明中实施例3的具有双蓄能器的油气互联悬架系统的结构示意 图；

图4是本发明中实施例4的三轴油气互联悬架系统的结构示意图；

图5是本发明中实施例5的被动油气互联悬架系统的结构示意图；

具体实施方式

实施例1

下面结合附图1对本发明做进一步说明。本发明的油气互联悬架系统主要 由五个液压元件组成：液压缸、蓄能器、控制阀、液压管路及所需连接件。这 些液压元件通常与空气弹簧一起工作，空气弹簧可以支撑车辆载荷并提供一定 的悬架垂向刚度。本发明中的双轴油气互联悬架系统的基本结构如图1所示。

四个液压缸101a、101b、101c、101d分别位于双轴悬架系统的四角。四 个液压缸分别由上腔室111a、116a、115a、117a和下腔室111b、116b、115b、 117b构成。上腔室和下腔室之间分别用活塞112隔开。液压缸的活塞杆113 分别与簧载质量107连接，液压缸底部114分别与簧下质量106连接。

四个空气弹簧102a、102b、102c、102d分别位于悬架系统的四角，通常 在液压缸一侧平行安装；空气弹簧的主要功能是承载车辆载荷和提供必要的垂 向刚度。

两个蓄能器103a、103b为互联悬架系统提供侧倾刚度，这些蓄能器可以 是油气活塞式或气囊式，与传统的独立悬架系统中的横向稳定杆相比，蓄能器 可以提供更好的防侧倾性能。

控制阀104a、104b可以使用电磁比例流量控制阀，在液压管路105a、105b 中产生流体阻力，从而提供悬架系统所需的阻尼特性。通过控制系统实时调节 电磁比例流量控制阀的孔径大小，即可以实现油气互联悬架的自适应阻尼模 式。

上述液压元件通过液压管和必要的配件相连接。液压管路的布置可根据车 辆底盘的可用空间进行调整。双轴互联悬架系统由两个液压回路构成，分别由 实线105a和虚线105b表示。在第一个液压回路105a中，左前液压缸101a的 下腔111b分别与右前液压缸101c的上腔115a、左后液压缸101b的下腔116b、 右后液压缸101d的上腔117a相连接。在第二个液压回路105b中，左前液压 缸101a的上腔111a分别与右前液压缸101c的下腔115b、左后液压缸101b 的上腔116a、右后液压缸101d的下腔117b相连接。两个蓄能器103a、103b 沿着液压回路105a和液压回路105b装配，以保证悬架的侧倾稳定性。为实现 自适应阻尼特性，两个控制阀104a、104b安装在两个蓄能器入口旁侧。液压 回路的连接方式既适用于单轴和双轴互联悬架，也可以多组搭配适用于多轴互 联悬架系统。当悬架发生垂向压缩运动趋势时，油液从各个液压缸的下腔流入 上腔中。由于上腔和下腔的横截面积不相等，少量油液会流入蓄能器中，从而 产生一部分垂向刚度。当悬架沿侧倾方向顺时针旋转时，两个左上腔室111a、 116a和两个右下腔室115b、117b中的油液被挤压并流入蓄能器103b，从而导 致蓄能器103b中的气体压缩，这使液压回路105b中的压力显著增加，从而产 生一定的侧倾刚度。

自适应阻尼是指通过控制阀104a、104b实时地调整悬架的阻尼特性。一 般情况下，此处使用两个电磁比例流量控制阀。阀门孔径的开口大小由电流信 号控制。高阻尼系统需要阀门提供更大的流体阻力，这可以通过降低阀门的通 孔面积来实现。同样，通过增加阀门的通孔面积，可以实现低阻尼系统。通过 传感器对车辆运动状态的测量，悬架控制系统可以根据道路和驾驶条件实时地 调整悬架阻尼特性。

可调节侧倾刚度意味着可以通过改变蓄能器103a、103b中的初始气压方 便地调节互联悬架系统的侧倾刚度特性。较高的侧倾刚度需要更高的系统压 力，这可以通过对蓄能器补充油液来实现。类似地，通过移除蓄能器中的部分 油液可以实现较低的侧倾刚度。

实施例2

如图2所示，可以分别在蓄能器103a和103b的入口处额外增加液压阀 108a和108b，从而提供额外的侧倾阻尼。该液压阀控制流入和流出蓄能器的 油液的流量，其在侧倾方向上产生的阻尼效果远大于垂直方向。如果蓄能器入 口处没有附加液压阀108a和108b，则悬架侧倾阻尼特性由104a和104b决定， 这种情况与传统独立悬架中的减振器类似。该实施例的主要目的是增强悬架的 侧倾阻尼。

实施例3

当悬架的相对侧倾角增大时，主蓄能器103a、103b中的气压将相应地升 高。然而，高气压是油气悬架系统的潜在风险。这个隐患可以通过在主蓄能器 103a和103b的旁边分别增加一个辅助蓄能器109a和109b来解决。如图3所 示，在每个液压回路上增加辅助蓄能器可以使主蓄能器所需的体积更小，工作 压力更低。辅助蓄能器的初始气压值设置为预警气压。当油压达到预警压力时， 辅助蓄能器将启动，以防止悬架系统中由于压强过高而产生安全隐患。这种设 计有助于减小主蓄能器的尺寸和互联悬架系统中的工作压强。因此，在已有的 主蓄能器的一侧分别增设副蓄能器，可以在极端工况下保障互联悬架系统的安全性。

实施例4

该互联结构可以方便地扩展到多轴悬架系统的应用。图4展示了三轴互联 悬架系统的结构。在第三轴上，配备了两对液压缸101e、101f和空气弹簧102e、 102f。本实施例只是增加了两组液压缸和空气弹簧，液压元件之间的互联方式 保持不变，均与实施例1相同。

实施例5

在某些应用场景中，用户也许认为不需要使用自适应阻尼的特性，而首选 更为经济的被动悬架。因此，被动油气互联悬架系统如图5所示。该版本只需 两个不可调节的液压阀110a和110b，这大大地降低了成本。但被动油气互联 悬架系统仍具有优异的防侧倾能力，可以显著地提高车辆的操纵稳定性。

数学方程及建模过程如下：

(1)数学建模主要方程

通孔与液压阀：通孔一般具有非线性的压力-流量特性，且在液压系统中起着 重要作用。建模时使用了一个简化的通孔模型，该模型假设通孔内部的液体体 积可忽略不计，且压力损失与流量呈线性关系。因此，通孔方程可以写为

式中，C是通孔的阻力系数。

液压缸：随着簧载质量和簧下质量的相对运动，液压缸上下腔内的容积也会发 生变化。考虑到流体的可压缩性，微分方程可写为

式中，A是活塞面积，Δz是悬架垂向相对位移，V是腔室的体积，ΔP是腔 室中的压降，β是体积模量，Q是相应的流量。

蓄能器：假设蓄能器内部均为绝热过程，其中油液的压缩性可忽略，因为油液 刚度远大于氮气刚度。根据理想气体定律，蓄能器气室中任何时刻的气体压力 和体积有如下关系

式中，P₀和V₀是车辆静止状态下蓄能器的气体压力和体积，n是气体多变 系数，P₁和V₁是蓄能器的工作压力和体积。

(2)油气互联悬架系统建模

本节介绍了双轴互联油气悬架系统的动力学模型，其中包括簧载质量、两 个驱动桥、四个液压缸，这些液压缸通过管路、蓄能器和控制阀相互连接，该 模型考虑了四个车轮的垂向运动(z_w1,z_w2,z_w3,z_w4)，和簧载质量m_s的垂直z_s、侧倾

和俯仰θ_s运动。车辆系统建模基于ISO-8855中定义的笛 卡尔坐标系。

首先，根据悬架的相对位移，计算出液压缸上下腔室的容积。假设液压缸 在车辆静止状态下的压缩与拉伸行程分别为S₁和S₂，则八个液压缸腔室内容 积可分别表示为

V₁＝-A₁Δz₁+A₁S₁

V₂＝A₂Δz₁+A₂S₂

V₃＝A₂Δz₃+A₂S₂

V₄＝-A₁Δz₃+A₁S₁

V₅＝-A₁Δz₂+A₁S₁

V₆＝A₂Δz₂+A₂S₂

V₇＝A₂Δz4+A₂S₂

V₈＝-A₁Δz₄+A₁S₁

其中在液压缸四个安装位置处的悬架相对位移为：

其中I_a表示两个液压缸间横向距离的一半。

其次，根据前一时刻的悬架相对速度和系统内部压力，可通过方程(1)和方 程(2)计算当前时刻液压缸内部油压关于时间的一阶导数。

其中

其中

其中

其中

其中

其中

其中

其中

根据蓄能器初始气体体积，可以迭代地计算两个蓄能器内部的气体体积。

V₉＝V₀-∫(Q₁+Q₃+Q₅+Q₇)dt

V₁₀＝V₀-∫(Q₂+Q₄+Q₆+Q₈)dt

基于液压管路中流量和蓄能器气体体积，蓄能器中气压关于时间的一阶导 数可根据方程(3)求得。

最后，根据液压系统内部压力关于时间的一阶导数

可以估测出液压缸 内部油压P₁～P₈和蓄能器内部气压P₉～P₁₀。在实际应用中，建议至少使用两 个油压传感器测量两个蓄能器入口处的油压，该测量值可用于校正估测误差。

(3)关于侧倾刚度的分析

以下公式的推导将说明在稳态下悬架的侧倾刚度与蓄能器参数的关系。此 处考虑簧载质量沿侧倾方向旋转某角度

的情况。在这种情况下，悬架的侧倾 力矩

可以表示为：

式中，k表示空气弹簧的刚度，/_s表示两个空气弹簧间横向距离的一半。

侧倾刚度

可由侧倾力矩

关于悬架侧倾角

的一阶导数求得，如下 所示：

蓄能器中气体压力P₉、P₁₀相对于悬架侧倾角

的导数可表示为：

因此，侧倾刚度可表示为：

当气体多变系数n＝1时，在稳态下的悬架侧倾刚度可简化为：

由上式可以看出，新型油气互联悬架的侧倾刚度在很大程度上取决于蓄能 器的初始气压P₀和气体体积V₀。因此可以通过调节P₀和V₀来方便地调节悬 架的侧倾刚度。通过增大蓄能器初始气压或降低蓄能器初始气体体积，可以实 现更大的侧倾刚度；通过降低蓄能器初始气压或增加蓄能器初始气体体积，可 以实现较小的侧倾刚度。

以上所述的实施例仅仅是对基于本发明内容的其他优选实施方式进行描 述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领 域普通技术人员对本发明的技术方案给出的各种变形和改进，均应落入本发明 权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，其特征在于：包括至少四个分别位于悬架系统四角的液压缸及两个液压回路，每个液压缸均包括上腔室和下腔室，且上腔室与下腔室之间通过活塞隔开，所述液压缸的活塞杆分别与其对应的簧载质量连接，液压缸的底部分别与簧下质量连接；悬架系统的四角还设有与四个液压缸平行安装的空气弹簧，所述空气弹簧的上端与簧载质量连接，其下端与簧下质量连接；

第一液压回路包括由位于悬架左前液压缸的下腔、右前的液压缸上腔、左后液压缸的下腔、右后液压缸的上腔通过管路连通构成；第二液压回路包括由位于悬架左前液压缸的上腔、右前的液压缸下腔、左后液压缸的上腔、右后液压缸的下腔通过管路连通构成；第一液压回路和第二液压回路上均设有与其回路连通的蓄能器及控制阀。

2.根据权利要求1所述的具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，其特征在于：所述控制阀包括电磁比例流量控制阀、液压阀；所述蓄能器包括油气活塞式、气囊式。

3.根据权利要求2所述的具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，其特征在于：所述第一液压回路和第二液压回路上分别设有至少一个蓄能器及一个控制阀，所述控制阀安装在蓄能器入口旁侧的主液压回路中。

4.根据权利要求2所述的具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，其特征在于：所述电磁比例流量控制阀的阀门孔径的大小由电流信号控制，通过改变阀门孔径的大小来调节悬架系统的阻尼特性。

5.根据权利要求1所述的具有自适应阻尼和可调节侧倾刚度的油气互联悬架，其特征在于：所述悬架系统的侧倾刚度通过改变蓄能器中的初始气压进行调节。

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