CN114559782B - 一种集成式半主动油气悬架结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成式半主动油气悬架结构及其控制方法，该结构包括液压缸、活塞杆、气体隔膜和控制阀系统，活塞杆设置在液压缸中，气体隔膜设在活塞杆的内侧端，活塞杆内部为储油腔，气体隔膜与液压缸围合构成气室，液压缸内壁面与活塞杆外壁面间围合形成环形油腔，在活塞杆侧壁上设有与环形油腔连通的油液流通口，在储油腔和环形油腔的连接通路上设有分别与控制阀系统电性连接的可调单向阀和可调阻尼阀。该油气悬架结构利用控制阀系统可改变可调阻尼阀和可调单向阀的开度，继而改变两个内置阀的节流面积，以此控制该液压系统的阻尼系数，实现对阻尼特性的动态调节与控制，进而提高油气悬架的减振效果。

Description

一种集成式半主动油气悬架结构及其控制方法

技术领域

本发明属于车辆悬架技术领域，具体涉及一种集成式半主动油气悬架结构及其控制方法。

背景技术

悬架作为车架与车桥之间的传力装置，其作用力会对车身姿态、振动以及轮胎磨损产生影响，进而影响到整车的性能。而传统被动油气悬架是一种以惰性气体作为弹性介质，油液作为传力介质的减振系统，在耗能和振动控制效果方面具有一定的局限性。因其刚度和阻尼无法调节，故无法满足不同路面以及行驶工况下的减振需求，难以达到最佳的减振效果，很难平衡操纵稳定性以及乘坐舒适性之间的矛盾。

可控油气悬架作为被动油气悬架的改进结构，可以实现悬架系统刚度和阻尼的调控，从而使得车辆悬架可以更好地适应不同的道路工况，提高车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。

如中国专利CN200820123762.0公开的一种开阀压力可控型三级阻尼可调油气悬架，该悬架外接多个电磁阀、伸张卸荷阀和压缩卸荷阀，通过阀系之间的油路连接设计以及对电磁阀开闭的控制，实现油气悬架系统阻尼的三级可调。但是该悬架系统存在着空间利用率较低的问题，不符合工业设备集成化设计的趋势，并且无法实现油气悬架阻尼系数的无级调节；现有的一些内置式结构的被动油气悬架又因为结构较为复杂，部件的配合精度及执行机构的控制精度等都难以达到装配要求，所以加工上会比较困难。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题提供一种集成式半主动油气悬架结构及其控制方法，整体结构设置较为简单，装配难度低，执行机构易于控制，通过传感器和ECU控制单元控制可调阻尼阀和可调单向阀的开度来实现油气悬架系统阻尼的动态无级调节，从而提高油气悬架的减振效果。

本发明的技术方案为：一种集成式半主动油气悬架结构，包括液压缸、活塞杆、气体隔膜和控制阀系统，活塞杆设置在液压缸中，气体隔膜设在活塞杆的内侧端，活塞杆内部中空构成储油腔，气体隔膜与液压缸围合构成气室，液压缸内壁面与活塞杆外壁面间围合形成环形油腔，在活塞杆侧壁上设有与环形油腔连通的油液流通口，在储油腔和环形油腔的连接通路上设有可调单向阀和可调阻尼阀，可调单向阀、可调阻尼阀分别与控制阀系统电性连接。

进一步地，所述控制阀系统包括CAN总线、ECU控制单元和车身传感器；在液压缸的外壁上设有线束通道，CAN总线穿过相应一侧的线束通道后将可调单向阀和可调阻尼阀的信号接口分别与ECU控制单元电连接，车身传感器通过CAN总线与ECU控制单元连接。

进一步地，气体隔膜由弹性材料制成。

进一步地，在活塞杆的端部连接有环状密封塞一，环状密封塞一的外周侧壁与液压缸的内壁面相接触。

进一步地，在液压缸的底部内周固定连接有环状密封塞二，环状密封塞二的内壁面与活塞杆的外壁面相接触。

进一步地，环状密封塞一的底面不低于油液流通口的顶面。

上述集成式半主动油气悬架结构的控制过程具体包括以下步骤：

步骤一：结合车辆状况，输入车辆基本参数数据以及车身传感器采集的状态信息，接着ECU控制单元对数据进行预处理；

步骤二：车辆行驶过程中，车身传感器实时采集车辆运行信息数据，ECU控制单元计算出适合当前工况的阻尼值；

步骤三：ECU控制单元经过计算后，通过CAN总线把指令分别传输给可调单向阀和可调阻尼阀，调节可调单向阀、可调阻尼阀的开度大小，从而调节系统的阻尼；

步骤四：车身传感器继续采集车辆运行状态信息，并反馈给ECU控制单元对数据进行评估，如需再次调整则转至步骤三；

步骤五：若车辆出行结束，结束本次服务。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1.本申请中，ECU控制单元依据车身传感器采集的车辆运行信息即可计算获取适合当前行驶工况的阻尼值，在此基础上再通过对可调阻尼阀和可调单向阀的开度的调节，可控制储油腔和环形油腔之间的过流面积，从而即可对悬架的阻尼力进行综合控制，获得最理想的悬架输出力，达到较佳的减振效果，使得车辆乘坐舒适性和行驶安全性均可得到有效改善；

2.液压缸可以用来承载高压，消除背隙问题，且本申请公开的方案实现了可调阻尼阀和可调单向阀的内置，进而实现了半主动油气悬架的集成化设计，大大优化了空间布局，符合工业设备一体化设计的趋势。

附图说明

图1是一种集成式半主动油气悬架结构的结构示意图；

图2为图1所示一种集成式半主动油气悬架结构的系统运行流程图；

其中，1-液压缸，2-活塞杆，3-气体隔膜，4-控制阀系统，5-储油腔，6-气室，7-环形油腔，8-可调单向阀，9-可调阻尼阀；

11-环状密封塞二；

21-油液流通口，22-环状密封塞一；

41-CAN总线，42-ECU控制单元，43-车身传感器，44-线束通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例一

为了实现油气悬架阻尼系数的无级调节且保证油气悬架结构更加符合当今的集成化设计趋势，本实施例中公开一种集成式半主动油气悬架结构，包括液压缸1、活塞杆2、气体隔膜3和控制阀系统4，活塞杆2设置在液压缸1中并可沿其纵向伸缩，气体隔膜3设在活塞杆2的内侧端，气体隔膜3由弹性材料制成，连接在活塞杆2端部相当于起到了活塞的作用，活塞杆2内部中空构成储油腔5，气体隔膜3与液压缸1围合构成气室6，液压缸内壁面与活塞杆外壁面间围合形成环形油腔7，在活塞杆2侧壁上设有与环形油腔连通的油液流通口21，在储油腔5和环形油腔7的连接通路上设有可调单向阀8和可调阻尼阀9，可调单向阀8、可调阻尼阀9分别与控制阀系统4电性连接；当活塞杆2向内推进挤压气室6中的气体时，气室6中的气体体积减小、压强增大，进而会反向挤压具有弹性的气体隔膜3，气体隔膜3向储油腔5方向凹陷后会进一步压缩储油腔5中的油液，使得储油腔5中的油液会通过油液流通口21流经可调单向阀8和可调阻尼阀9流入环形油腔7，形成阻尼效应，起到减振作用。

所述控制阀系统4包括CAN总线41、ECU控制单元42和车身传感器43；在液压缸1的外壁上设有线束通道44，CAN总线41穿过相应一侧的线束通道44后将可调单向阀8和可调阻尼阀9的信号接口分别与ECU控制单元42电连接，车身传感器43通过CAN总线41与ECU控制单元42连接，车身传感器43为车身上常见的摄像头、雷达等识别道路信息的装置，用在此处主要也是为了实时采集车辆运行信息数据，便于ECU控制单元42计算出适合当前工况的阻尼值，由于是现有技术，所以不对其做过多陈述。

为提高密封效果并增强活塞杆2的可移动性，活塞杆2包括活塞杆主体和在其端部通过螺栓连接的环状密封塞一22，环状密封塞一22的外周侧壁与液压缸1的内壁面相接触，环状密封塞一22的底面不低于油液流通口21的顶面，进而不会对油液的正常流通造成位置干涉，环状密封塞一22主要是在不影响活塞杆2运行的情况下用于更好地区隔开气室6和环形油腔7。

在液压缸1的底部内周通过螺栓固定连接有环状密封塞二11，环状密封塞二11的内壁面与活塞杆2的外壁面相接触，环状密封塞二11主要是在不影响活塞杆2运行的情况下更好地围合构成环形油腔7。

为减小活塞杆2在液压缸1内运动时的摩擦阻力，环状密封塞一22和环状密封塞二11可由橡胶材料制成，既保证密封效果又不会对行进过程造成较大摩擦阻碍。

ECU控制单元42通过处理车身传感器43反馈的信息，计算得出适应当前工况的悬架阻尼系数，通过调节加载电流大小实施对可调单向阀8和可调阻尼阀9开度的控制，进而改变储油腔5与环形油腔7之间油液交换的过流面积，改变悬架系统阻尼力，从而实现对阻尼特性的动态调节与控制；

上述集成式半主动油气悬架的运行流程具体包括以下步骤：

步骤一：结合车辆状况，输入车辆基本参数数据以及车身传感器43采集的状态信息，接着ECU控制单元42对数据进行预处理；

步骤二：车辆行驶过程中，车身传感器43实时采集车辆运行信息数据，ECU控制单元42计算出适合当前工况的阻尼值；

步骤三：ECU控制单元42经过计算后，通过CAN总线41把指令分别传输给可调单向阀8和可调阻尼阀9，调节可调单向阀8、可调阻尼阀9的开度大小，从而调节系统的阻尼；

步骤四：车身传感器43继续采集车辆运行状态信息，并反馈给ECU控制单元42对数据进行评估，如需再次调整则转至步骤三；

步骤五：若车辆出行结束，结束本次服务。

本申请中之所以认为通过调节可调单向阀、可调阻尼阀的开度即可对系统阻尼值进行调节，是基于以下认证过程来进一步确认的：

设气体隔膜3的线位移为X，气体隔膜3的半径为R，储油腔5的内径为r，油液密度为ρ。为了提高研究效率，需要作忽略次要因素的理想化处理，不考虑温度、势能和热量变化对液压系统的影响，且认为油液不可压缩。

所述集成式半主动油气悬架所提供的悬架作用力主要包括阻尼力F_c和弹性力F_g，下面分别对其进行计算：

阻尼力主要由可调阻尼阀9和可调单向阀8提供，根据流体力学理论，可调阻尼阀9和可调单向阀8在工作时，油液阻尼力F_c与气体隔膜3的有效横截面积A₁和油液流经阀口的前后压差Δp_c有以下关系

F_c＝Δp_cA₁

其中

式中q_c为流经可调阻尼阀9和可调单向阀8的油液流量，

为气体隔膜3的移动速度；

C_z为可调阻尼阀9的流量系数，A_z为可调阻尼阀9的节流面积，C_d为可调单向阀8的流量系数，A_d为可调单向阀8的节流面积；取液压缸压缩行程为正方向，

或＝0时，取

时，取

进一步可得阻尼力

弹性力主要由气室6提供，在研究油气悬架时，将气室6中的气体视为理想气体，采用理想气体状态方程描述：

式中P₀为气室6初始气体压力，V₀为气室6初始气体体积；P_g为气室6气体压力，V_g为气室6气体体积；γ为气体多变指数，γ＝1为等温过程，γ＝1.4为绝热过程。

如果将气体体积变化用流量代替表达，可得

式中q_g为流入储油腔5的油液流量，且

由于车辆行驶过程中运动的快速性和突然性，气室6中的气体从静平衡位置迅速反复地膨胀压缩，来不及与外界进行热交换，视为绝热过程，即气体多变指数为γ＝1.4。

进一步可得弹性力为

综上所述，该集成式半主动可调油气悬架的阻尼力F_c受到两个可变量：可调阻尼阀9的节流面积A_z和可调单向阀8的节流面积A_d的影响，所以可以根据不同工况调整可调阻尼阀9的开度来控制可调阻尼阀9的节流面积A_z，调整可调单向阀8的开度来控制可调单向阀8的节流面积A_d，来获得理想的悬架输出力，提高车辆舒适性与稳定性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种集成式半主动油气悬架结构，其特征在于，包括液压缸、活塞杆、气体隔膜和控制阀系统，活塞杆设置在液压缸中，气体隔膜设在活塞杆的内侧端，活塞杆内部为储油腔，气体隔膜与液压缸围合构成气室，液压缸内壁面与活塞杆外壁面间围合形成环形油腔，在活塞杆侧壁上设有与环形油腔连通的油液流通口，在储油腔和环形油腔的连接通路上设有可调单向阀和可调阻尼阀，可调单向阀、可调阻尼阀分别与控制阀系统电性连接；

所述控制阀系统包括CAN总线、ECU控制单元和车身传感器；在液压缸的外壁上设有线束通道，CAN总线穿过相应位置的线束通道后将可调单向阀和可调阻尼阀的信号接口分别与ECU控制单元电连接，车身传感器通过CAN总线与ECU控制单元连接；

在活塞杆的端部连接有环状密封塞一，环状密封塞一的外周侧壁与液压缸的内壁面相接触；

在液压缸的底部内周固定连接有环状密封塞二，环状密封塞二的内壁面与活塞杆的外壁面相接触；

环状密封塞一的底面不低于油液流通口的顶面。

2.如权利要求1所述的一种集成式半主动油气悬架结构，其特征在于，气体隔膜由弹性材料制成。

3.如权利要求1-2中任一项所述的一种集成式半主动油气悬架结构的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：结合车辆状况，输入车辆基本参数数据以及车身传感器采集的状态信息，接着ECU控制单元对数据进行预处理；

步骤二：车辆行驶过程中，车身传感器实时采集车辆运行信息数据，ECU控制单元计算出适合当前工况的阻尼值；

步骤三：ECU控制单元经过计算后，通过CAN总线把指令分别传输给可调单向阀和可调阻尼阀，调节可调单向阀、可调阻尼阀的开度大小，从而调节系统的阻尼；

步骤四：车身传感器继续采集车辆运行状态信息，并反馈给ECU控制单元对数据进行评估，如需再次调整则转至步骤三；

步骤五：若车辆出行结束，结束本次服务。

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