CN116176198A - 一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统及控制方法，包括液压系统、空气弹簧系统、车载传感器以及ECU；所述液压系统包括单向泵、两位四通电磁阀、可调阻尼阀以及液压缸，液压缸固定在车轮上，液压缸活塞杆固定在车身上，可调阻尼阀安装在液压缸上腔与第一蓄能器之间，液压缸下腔与第二蓄能器联通，第一蓄能器及第二蓄能器分别连接两位四通电磁阀，两位四通电磁阀与单向泵联通形成液压系统回路；空气弹簧系统包括空气弹簧、空气泵、电机，空气弹簧与车身及液压缸连接，电机通过第一离合器连接空气泵，空气泵与空气弹簧连接；液压系统与空气弹簧系统共用电机，电机还通过第二离合器与单向泵连接。

Description

一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统及控制方法

技术领域

本发明属于乘用车悬架技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统及控制方法。

背景技术

悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所引起的力矩传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。

传统被动悬架的刚度与阻尼是按照经验或优化设计的方法确定的，在车辆的行驶过程中悬架的刚度与阻尼是无法进行调节的，因此只能在特定的道路和行驶速度下达到性能最佳，适应能力差。

乘用车传统被动悬架主要采用螺旋弹簧作为弹性元件，车辆无法根据行驶工况调节车身高度，这将极大地限制车辆的通过性、乘坐舒适性与安全性，而空气弹簧系统则可以方便地调节车身高度。

主动悬架的刚度和阻尼可以根据行驶工况的变化进行动态调整，使悬架系统始终处于最佳减震状态，因此主动悬架极大地提高了车辆的平顺性与操纵稳定性。

现有基于双向液压泵的慢主动液压悬架系统主要存在成本高、零部件选择困难等问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统及控制方法，精简了悬架结构，降低了悬架成本，扩大了液压泵与电机的选择范围，并提高了悬架系统的集成度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图：

一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统，包括液压系统、空气弹簧系统、车载传感器以及ECU；所述液压系统包括双向可调阻尼阀1、上蓄能器2、两位四通换向阀3、单向液压泵11、第二离合器10、单向电机9、下蓄能器13、溢流阀14以及液压缸17，液压缸17下端固定在车轮15摆臂上，液压缸17活塞杆固定在车身19下侧，液压缸上腔与下腔分别连接两位四通换向阀3的两个通口，双向可调阻尼阀1与上蓄能器安装在液压缸17上腔与两位四通换向阀3之间，下蓄能器13安装在液压缸17下腔与两位四通换向阀3之间，两位四通换向阀3与单向液压泵11连通形成液压系统回路；所述空气弹簧系统包括空气弹簧18、空气弹簧减压阀4、空气泵5、空气干燥器6、空气过滤器7和第一离合器8与单向电机9；空气弹簧18上端固定在车身19下侧，下端固定在液压缸17上端，从而使空气弹簧18与液压缸17集成为一体，单向电机9通过第一离合器8驱动空气泵5，空气泵5与空气弹簧18通过气压管路连接；所述液压系统与空气弹簧系统共用单向电机9，单向电机9还通过第二离合器10驱动液压系统的单向液压泵11；所述ECU同时与所述双向可调阻尼阀1、两位四通换向阀3、空气弹簧减压阀4、电机9、前轴位移传感器20、加速度传感器21、后轴位移传感器22通讯连接，进行慢主动液压悬架系统各工作模式的控制。

优选的，所述液压缸17与溢流阀14并连。

优选的，所述空气泵5进气口依次连通空气干燥器6以及空气过滤器7。

优选的，所述车载传感器包括前轴位移传感器20、加速度传感器21以及后轴位移传感器22，前轴位移传感器20、后轴位移传感器22分别安装在车辆前后轴上侧。

本发明同时提供一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统的控制方法，包括以下控制模式：

被动悬架模式：当超出电机的响应频率范围时，本发明进入被动悬架模式，由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器缓冲不平路面的冲击；由双向阻尼阀衰减因路面不平引起的车身振动。在悬架工作过程中，双向可调阻尼阀的阀芯开度不变，即悬架阻尼不变。

半主动悬架模式：由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器缓冲不平路面的冲击；由双向阻尼阀衰减因路面不平引起的车身振动。与被动悬架模式所不同的是，ECU可根据车辆的运行工况来调节双向可调阻尼阀的阀芯位置，即悬架阻尼可调，从而在一定程度上提高了悬架系统的适应能力；该模式相比于被动悬架模式，提高在于ECU可根据车辆的运动状态、路面和载荷等情况发出控制指令，调节双向可调阻尼阀的阀芯开度，即悬架阻尼可调，从而增强悬架系统适应不同行驶工况的能力。

主动悬架模式：由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器缓冲不平路面的冲击；由双向阻尼阀衰减因路面不平引起的车身振动，且悬架系统的阻尼可调。ECU可根据车辆的运动状态、路面和载荷等情况发出控制指令，调节双向可调阻尼阀的阀芯开度，从而调节悬架系统的阻尼，该模式相比于半主动悬架模式，提高在于ECU可根据车辆的运动状态、路面和载荷等情况发出控制指令，控制单向电机带动单向液压泵对液压缸主动做功，通过向液压缸泵入液压油，使车轮主动进行垂向运动，从而最大程度上降低车身的加速度与车轮的动载荷。该模式在半主动悬架模式的基础上有了进一步提高，ECU可根据车辆的运行工况主动控制车轮运动，降低车身的加速度与车轮的动载荷，从而在最大程度上提高车辆的乘坐舒适性与安全性；

车身高度调节模式：车载传感器实时测量车辆前后轴悬架的位移量与车辆的运行工况，ECU根据传感器信息计算出最佳的车身高度，当载荷、车速、路面等状态发生较大程度改变时应用此模式；然后ECU控制单向电机带动空气泵将经过过滤与干燥的空气泵入空气弹簧中，车身高度随即改变，然后前轴位移传感器与后轴位移传感器将实时的车身高度反馈回ECU，从而形成闭环控制，直至车身达到最佳高度；该模式适用于载荷、车速、路面发生较大改变等工况。

车身姿态调节模式：为了维持车辆在加速、制动和转弯工况下的车身姿态，ECU通过控制双向可调阻尼阀与单向液压泵可降低车辆在加速、制动和转弯时的侧倾角速度、侧倾角、俯仰角速度与俯仰角，从而降低车辆在上述工况下的车身姿态变化，以达到提高车辆在上述工况下的乘坐舒适性与行车安全性的目的。车载传感器实时测量车辆的运行工况，然后将传感器检测的信息发送给ECU，ECU根据传感器的信息计算出液压缸活塞的最佳位置，然后ECU一方面通过调节双向可调阻尼阀的阀芯位置来增加悬架系统的阻尼，这将降低车辆的俯仰角速度与侧倾角速度；另一方面ECU控制单向电机带动单向液压泵主动对液压缸做功，这将降低车辆的俯仰角与侧倾角。通过对双向可调阻尼阀与单向电机的集成控制，俯仰角速度、侧倾角速度、俯仰角与侧倾角均被降低了；该模式适用于驱动、制动、转弯等工况。

过载保护模式：当车身与车轮的相对速度较大时，悬架系统将产生很大的阻尼力，该阻尼力可能导致液压缸连接零件与车身的损坏。将一个溢流阀与液压缸进行并联安装，当车轮与车身的相对速度超过某一定值时，液压力将溢流阀的阀口打开，此时液压缸上腔与下腔直接连通，这将限制阻尼力的进一步增加，从而保护了车身与悬架系统的连接件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将液压系统设计为内循环类型，取消了油箱、过滤器、单向阀，这样不仅精简了悬架结构，降低了悬架成本，而且还可以使悬架系统第一次充油后几乎不需要维护，这极大地降低了后期维修保养成本，四个车轮悬架完全相同，这提高了悬架零部件的通用性。

(2)相比其它主动液压悬架系统采用双向电机与双向液压泵作为液压驱动机构，本发明采用单向电机、单向液压泵与两位四通换向阀的组合来实现双向电机与双向液压泵的功能，这样不仅扩大了零部件的选择范围，还进一步降低了悬架的生产成本，因为单向液压泵与单向电机的价格远低于双向液压泵与双向电机，且双向液压泵与双向电机在市面上的类型较少，比较难以找到合适的型号。另外两位四通换向阀不仅成本低，而且种类繁多，采购方便。

(3)本发明将一个溢流阀与液压缸并联，当车身与车轮的相对速度超过阈值时，下液压腔的液压油可以通过溢流阀直接进入上液压腔，从而使阻尼力限定在一定范围内，以避免车身与液压缸连接部件承受过大的冲击载荷而损坏。其它主动悬架系统通过在液压缸活塞上设置单向阀来避免产生过大的阻尼力，由于活塞面积较小，因此单向阀布置起来相对困难，且单向阀出现故障时维修难度高，需要将整个悬架系统拆解，维修费用高昂，如果需要更换单向阀，则需要连带更换液压缸活塞。而本发明用一个与液压缸并连的溢流阀也能实现过载保护的功能，且当溢流阀出现故障时，维修方便，即使要更换溢流阀，成本也极其低廉。

(4)本发明的空气弹簧系统与液压系统的响应频率不重合，因此可以用同一个电机驱动单向液压泵与空气泵，这样不仅可以精简悬架结构，提高了悬架系统的轻量化，更重要的是降低了悬架的生产成本，从而推动了慢主动液压悬架系统的大规模普及。最后，用一个电机同时驱动液压系统与空气弹簧系统也降低了悬架系统的控制难度，便于控制策略的实现。

(5)本发明在液压管路串联上蓄能器与下蓄能器，这样当车轮低振幅高频振动时，上蓄能器与下蓄能器可以作为弹簧元件工作，此时液压泵可以停止工作以降低悬架系统的能耗且不会降低车辆的乘坐舒适性。

附图说明

图1为本发明所述一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统结构示意图；

图2为本发明所述一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统防过载工作原理示意图；

图3为应用了本发明所述一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统的车辆在良好路面行驶时的车身高度示意图；

图4为应用了本发明所述一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统的车辆在颠簸路面行驶时的车身高度示意图；

图5为本发明所述一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统降低车身高度的工作原理示意图；

图6为本发明所述一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统增加车身高度的工作原理示意图；

图中：

1-双向可调阻尼阀；2-上蓄能器；3-两位四通换向阀；4-空气弹簧减压阀；5-空气泵；6-空气干燥器；7-空气过滤器；8-第一离合器；9-单向电机；10-第二离合器；11-单向液压泵；12-ECU；13-下蓄能器；14-溢流阀；15-车轮；16-路面；17-液压缸；18-空气弹簧；19-车身；20-前轴位移传感器；21-加速度传感器；22-后轴位移传感器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例进一步说明本发明的技术方案：

实施例1

如图1、图2、图5与图6所示，一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统，包括液压系统、空气弹簧系统、车载传感器以及ECU。

所述液压系统包括双向可调阻尼阀1、上蓄能器2、两位四通换向阀3、单向液压泵11、第二离合器10、单向电机9、下蓄能器13、溢流阀14以及液压缸17，液压缸17下端固定在车轮15摆臂上，液压缸17活塞杆固定在车身19下侧，液压缸17的上下腔与两位四通换向阀3的两个通口连接，双向可调阻尼阀1、上蓄能器2安装在液压缸17上腔与两位四通换向阀3之间，下蓄能器13安装在液压缸17下腔与两位四通换向阀3之间，两位四通电磁阀3与单向液压泵11连通形成液压系统回路；

所述空气弹簧系统包括空气弹簧18、空气弹簧减压阀4、空气泵5、空气干燥器6、空气过滤器7、第一离合器8与单向电机9；空气弹簧18上端固定在车身19下侧，下端固定在液压缸17上侧，从而使空气弹簧与液压缸集成为一体；单向电机9通过第一离合器8驱动空气泵5，空气泵5与空气弹簧18通过气压管路连接；空气泵5进气口依次联通空气干燥器6以及空气过滤器7；所述液压系统与空气弹簧系统的驱动装置均为同一单向电机9。

所述车载传感器包括前轴位移传感器20、加速度传感器21以及后轴位移传感器22，前轴移传感器20、后轴位移传感器22分别安装在车辆前后轴的上侧。

ECU同时与所述双向可调阻尼阀1、两位四通换向阀3、空气弹簧减压阀4、单向电机9、前轴位移传感器20、加速度传感器21以及后轴位移传感器22通讯连接，进行慢主动液压悬架系统各工作模式的控制。

实施例2

一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统的控制方法，包括以下控制模式：

(1)被动悬架模式：

本发明的电机响应频率为0.5Hz～5Hz，当超出电机响应频率时，本发明进入被动悬架模式，单向电机停止工作，双向可调阻尼阀阀芯开度固定，即不能通过单向电机对液压缸主动做功且悬架阻尼不变。以车辆通过减速带为例予以说明，具体工作原理如下：

当车辆通过减速带时，车轮将先向上运动，此时空气弹簧被压缩后储存能量，从而缓冲减速带对车身的冲击；同时车轮向上运动将导致液压缸活塞沿着液压缸内壁向下运动，液压缸上腔体积增大压强减小，液压缸下腔体积减小压强增加，上蓄能器的液压油流入液压缸上腔，液压缸下腔的液压油流入下蓄能器，此时上蓄能器与下蓄能器相当于两个串联的弹簧，来缓冲减速带对车身的冲击；液压油从上蓄能器流入液压缸上腔将经过阻尼阀，这将产生液力损失，从而使振动迅速衰减。综上所述，由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器来缓冲减速带对车身的冲击，冲击将使车身产生振动，由双向阻尼阀来快速衰减车身的振动，从而实现悬架系统缓冲与减振的作用，提高车辆的乘坐舒适性。该模式只能在特定的车速与道路条件下才能达到最佳性能

(2)半主动悬架模式：

被动悬架模式只能在特定的车速与道路条件下才能达到最佳性能，这将对车辆的平顺性与操纵稳定性产生不利影响。本发明可通过控制双向可调阻尼阀的阀芯位置来调节悬架阻尼，从而使本发明具有半主动悬架的功能。具体实现过程如下：

当车辆在良好路面行驶时，需要提高车辆的平顺性，此时应该降低悬架系统的阻尼，加速度传感器将车辆的运动状态发送给ECU，ECU发出减小悬架阻尼的控制指令，通过改变双向可调阻尼阀的阀芯位置来对悬架阻尼进行调节，从而使悬架处于小阻尼状态，这将有助于提高车辆的平顺性；当车辆在颠簸的路面行驶时，此时需要提高悬架系统的阻尼，以提高车辆的通过性，加速度传感器将车辆的运动状态发送给ECU，ECU发出增加悬架阻尼的控制指令，通过改变双向可调阻尼阀的阀芯位置来对悬架阻尼进行调节，从而使悬架处于大阻尼状态，这将有助于提高车辆的通过性；通过为不同的行驶工况设置不同的悬架阻尼值，在一定程度上提高了悬架系统的适应能力。

(3)主动悬架模式：

本发明在半主动悬架模式基础上，还可以利用单向电机驱动单向液压泵对液压缸主动做功，从而主动控制车轮运动，使本发明具有主动悬架的功能。以车辆经过减速带为例予以说明，具体实施过程如下：

加速度传感器、位移传感器等车载传感器实时测量车辆的运动状态，当检测到车轮通过减速带而向上运动时，ECU一方面通过调节双向可调阻尼阀的阀芯位置而降低悬架系统的阻尼，另外一方面控制单向电机驱动单向液压泵向液压缸上腔泵入液压油，使车轮主动向上运动。当车轮经过减速带最高点后开始向下运动时，ECU发出控制指令，控制单向电机驱动单向液压泵向液压缸下腔泵入液压油，使车轮主动向下运动。通过主动控制车轮运动，可极大地降低车身加速度与车轮动载荷。车身加速度为平顺性的主要评价指标，车轮动载荷为操纵稳定性的主要评价指标，因此本发明的主动悬架模式可在最大程度上提高车辆的平顺性与操纵稳定性。

(4)车身高度调节模式：

车身高度不仅影响车辆的通过性、驾驶员和乘客上下车的便利性，还通过影响悬架系统的固有频率而对车辆的乘坐舒适性产生巨大影响，因此调节车身高度意义重大。ECU通过车载传感器反馈的信号计算出最佳的车身高度，当车身需要升高时，ECU控制单向电机通过第一离合器驱动空气泵开始工作，空气泵将经过空气过滤器与空气干燥器的空气泵入空气弹簧中，车身高度增加，直至使车身达到理想的高度；当车身需要降低时，ECU控制空气弹簧减压阀通电开启，空气弹簧中的空气经空气弹簧减压阀排入大气中，车身高度随即下降，直至使车身达到理想的高度。在车身高度调节过程中，前轴位移传感器与后轴位移传感器不断将测量的车身高度信号反馈回ECU，从而形成闭环控制，提高了车身高度的控制精度；

该模式对公交车、中重型卡车来说显得尤为重要，因为公交车需要频繁地上下车，车身高度可调将给公交车带来极大的方便；中重型卡车空载与满载的簧上质量可能相差好几倍。悬架系统的固有频率公式为：

式中：K为悬架刚度，M为簧载质量；

由上式可知，中重型卡车空载与满载的悬架固有频率可能相差好几倍，这将严重偏离人体所习惯的振动频率，驾驶员与乘客将感到非常的不舒适。

(5)车身姿态调节模式：

车辆在加速、制动和转弯的过程中，车身会产生俯仰与侧倾运动，这不仅会严重影响车辆的乘坐舒适性，还会对驾驶员与乘客的心理造成负面影响，更重要的是车身侧倾角还直接影响车辆的操纵稳定性，对驾驶员和乘客的生命安全造成严重威胁。因此需要尽可能减小车辆在加速、制动和转弯过程中的车身姿态变化。

车身高度调节模式也可以调节车身姿态，但响应速度过慢，无法在加速、制动和转弯工况下实时调节车身姿态。而通过电机驱动单向泵对液压缸做功则可以满足上述工况对响应速度的要求。

当车辆出现加速、制动和转弯工况时，加速度传感器将车辆的纵向加速度与侧向加速度发送给ECU，ECU计算出四个车轮悬架的最佳做功量，然后发出车身姿态调节的命令。此时，一方面通过调节双向可调阻尼阀的阀芯位置来增加悬架系统的阻尼，这样将增加悬架系统的硬度，从而降低车辆在上述工况下的俯仰角速度与侧倾角速度，但阻尼增加并不能改变俯仰角与侧倾角的稳态值。

另一方面，通过控制单向电机带动单向液压泵向液压缸泵入液压油，则可以改变俯仰角与侧倾角的稳态值。

综上所述，通过对双向可调阻尼阀与单向电机的集成控制，即可减小车辆在加速、制动和转弯工况下的俯仰角、俯仰角速度、侧倾角与侧倾角速度，一方面这将极大地提高车辆的平顺性与操纵稳定性，另外一方面这也将降低车身姿态变化对驾驶员和乘客心理上的负面影响。

Claims (5)

1.一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统，其特征在于，包括液压系统、空气弹簧系统以及ECU；所述液压系统包括双向可调阻尼阀(1)、上蓄能器(2)、两位四通换向阀(3)、单向液压泵(11)、第二离合器(10)、下蓄能器(13)以及液压缸(17)，液压缸(17)下端固定在车轮(15)摆臂上，液压缸(17)活塞杆上端固定在车身(19)下侧，液压缸上腔与下腔分别连接两位四通换向阀的两个通口，双向可调阻尼阀(1)与上蓄能器(2)安装在液压缸(17)上腔与两位四通换向阀(3)之间，下蓄能器(13)安装在液压缸(17)下腔与两位四通换向阀(3)之间，两位四通换向阀(3)与单向液压泵(11)连通形成液压系统回路；所述空气弹簧系统包括空气弹簧(18)、空气弹簧减压阀(4)、空气泵(5)、空气干燥器(6)、空气过滤器(7)、第一离合器(8)和单向电机(9)；空气弹簧(18)上端固定在车身下侧，下端固定在液压缸(17)上侧，从而使空气弹簧(18)与液压缸(17)集成为一体；单向电机(9)通过第一离合器(8)驱动空气泵(5)，空气泵(5)与空气弹簧(18)通过气压管路连接；所述液压系统与空气弹簧系统共用单向电机(9)，单向电机(9)还通过第二离合器(10)驱动液压系统的单向液压泵(11)；所述ECU同时与所述双向可调阻尼阀(1)、两位四通换向阀(3)、空气弹簧减压阀(4)、单向电机(9)、前轴位移传感器(20)、加速度传感器(21)、后轴位移传感器(22)通讯连接，进行慢主动液压悬架系统各工作模式的控制。

2.如权利要求1所述的一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统，其特征在于，所述上蓄能器(2)与下蓄能器(13)之间设置有溢流阀(14)。

3.如权利要求1所述的一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统，其特征在于，所述空气泵(5)进气口依次联通空气干燥器(6)以及空气过滤器(7)。

4.如权利要求1所述的一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统，其特征在于，所述车载传感器包括前轴位移传感器(20)、加速度传感器(21)以及后轴位移传感器(22)，前轴位移传感器(20)与后轴位移传感器(22)分别安装在车辆前后轴上侧。

5.如权利要求1所述的一种基于换向阀的慢主动液压悬架系统的控制方法，其特征在于，包括以下控制模式：

被动悬架模式：当超出设定的振动频率范围时，本发明进入被动悬架模式，由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器缓冲不平路面的冲击；由双向可调阻尼阀衰减因路面不平引起的车身振动；

半主动悬架模式：由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器缓冲不平路面的冲击；由双向可调阻尼阀衰减因路面不平引起的车身振动；

主动悬架模式：由空气弹簧、上蓄能器与下蓄能器缓冲不平路面的冲击；由双向可调阻尼阀衰减因路面不平引起的车身振动；ECU根据车辆的运动状态、路面和载荷等情况发出控制指令，调节双向可调阻尼阀的阀芯开度，从而调节悬架系统的阻尼；

车身高度调节模式：车载传感器实时测量前后轴的位移量与行驶条件，ECU根据车载传感器反馈的信息计算出最佳的车身高度，然后ECU通过控制单向电机与空气泵从而使车身高度达到理想值；

车身姿态调节模式：车载传感器实时测量车辆的运行工况，然后将传感器检测的信息发送给ECU，ECU根据传感器的信息计算出液压缸活塞的最佳位置，然后ECU一方面通过调节双向可调阻尼阀的阀芯位置来增加悬架系统的阻尼，另一方面ECU控制单向电机带动单向液压泵主动对液压缸做功，降低车辆的俯仰角与侧倾角；

过载保护模式：当车轮与车身的相对速度超过某一定值时，液压力将溢流阀的阀口打开，此时液压缸上腔与下腔直接连通。

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