CN1810530A - 一种可切换的车辆主动/半主动悬架 - Google Patents
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一种可切换的车辆主动/半主动悬架，为了克服现有技术结构复杂、可靠性差、外界条件要求高的缺陷，本发明提供了一种采用电子控制的可切换的车辆主动/半主动悬架系统，主要包括平行安装的液压缸2和弹簧9分别与车架1和车桥8垂直相连，液压缸2再与液压马达3通过液压管路连接，液压马达3后通过联轴器联结一个直流电机6，直流电机6连接一蓄电池5，在电机6和蓄电池5之间安装控制器4。本发明提供了一种采用电子控制的可切换的车辆主动/半主动悬架系统，结构简单，可靠性高，工作范围宽，兼具车辆主动悬架/半主动悬架功能，同时考虑汽车能源紧缺的现实，具有广泛的应用前景。
Description
所属技术领域
本发明属于一种车辆减震装置，尤其是一种采用了电控减震系统的车辆悬架。
背景技术
汽车悬架系统是提高车辆平顺性(乘坐舒适性)和安全性(操纵稳定性)、减少动载荷以避免零部件损坏的关键，悬架系统一般有弹簧和阻尼器组成。目前汽车悬架分为三类：被动悬架、半主动悬架、主动悬架。
被动悬架的弹簧和阻尼器在工作时不消耗外界能源，仅靠固有特性而进行被动调节，具有成本低的优点；主动悬架无固定的弹性特性和阻尼特性，弹簧和阻尼器被执行机构所取代，执行机构可以根据系统的状态量和当前的激励情况主动作出反应，来抑制系统的振动，其优点是平顺性好；半主动悬架用无源但参数可调的被动元件(弹性元件和阻尼元件)替代执行机构的主动元件，主动悬架就变成了半主动悬架，也被称为无源主动悬架。半主动悬架一般采用刚度调节和阻尼调节。刚度调节机构一般由工作容积可变的空气弹簧或油气弹簧与电磁阀共同构成，通过电磁阀的动作调节弹簧的有效压缩容积，从而达到改变弹簧刚度的目的。另外，刚度可变的磁力弹簧也正处于研究阶段。阻尼调节机构按其阻尼调节方式的不同可分为节流孔调节和流变(电流变、磁流变液)调节。
近年来，将流变智能材料用于主动/半主动悬架研究得到重视，通过控制电流变液体和磁流变液体的屈服应力和粘度就可获得阻尼的改变。
被动悬架由于弹性和阻尼特性是固定不可控的，无法适应路面的变化，平顺性差是其明显缺点；主动悬架缺点是耗能大、测控系统结构复杂、成本高；半主动悬架消除了主动悬架的缺点，并在一定程度上达到近似于主动悬架的平顺效果。目前节流调节的半主动悬架由于油路中采用多种阀件，这样不仅结构复杂，可靠性差，而且响应较慢，工作范围窄。电流变液体半主动悬架需要高压(6kV)、强电场(约5kV/mm)，而磁流变需要强磁场(250kA/m)，尤其是电流变和磁流变液体随时间的稳定性问题尚未能得到解决，因此目前仍停留在实验室研究水平上，商品化尚需较长的时间。
发明内容
为了克服被动悬架的固定不可控性、主动悬架耗能大、结构复杂、成本高及目前研制的车辆半主动悬架结构复杂、可靠性差、外界条件要求高的特点，同时考虑汽车能源紧缺的现实，本发明提供了一种采用电子控制的可切换的车辆主动/半主动悬架系统，它是基于电液作动的可能量再生车辆悬架。
本发明装置主要包括弹簧9和阻尼力可变的阻尼器两大部分，其中阻尼器由液压缸2、液压马达3、控制器4、直流电机6组成的。具体连接关系：平行安装的液压缸2和弹簧9分别与车架1和车桥8垂直相连，液压缸2再与液压马达3通过液压管路连接，液压马达3后通过联轴器联结一个直流电机6，直流电机6连接一蓄电池5，在电机6和蓄电池5之间安装控制器4。
本发明装置的特点是该系统不采用液压阀件，结构简单，工作范围宽。兼具车辆主动悬架/半主动悬架功能，通过控制无刷电机的发电/电动力矩，从而控制液压马达/泵的转矩，以使液压缸产生可控可变的阻尼力。
当车辆运行时，车架1、车轮7及车桥8的振动带动液压缸2活塞往复运动，使压力油流过液压马达3，带动液压马达3及同轴连接的无刷电机6转动，此时电机执行发电机功能，可实现能量再生，并可向蓄电池5充电。控制器4检测到无刷电机转动就说明车身有振动，通过控制无刷电机的发电力矩，从而控制无刷电机转速，抑制液压马达旋转，从而控制液压缸的阻尼力，从而实现预定阻尼曲线，获得较理想的乘坐平顺性，完成半主动悬架任务。当由于汽车行驶路面起伏较大或悬架振动剧烈情况下，通过控制无刷电机发电力矩的半主动功能无法满足平顺性要求时，在控制器控制下，由电源向电机供电，此时电机作电动机使用，液压马达作液压泵使用，从而可实现主动悬架功能。
本发明装置的控制器4主要包括电源部分、控制器(单片机、DSP芯片、PLC可编程控制器等)、驱动部分(驱动光耦、逆变器)、信号采集器等。直流电源接PWM控制器，形成稳定的端电压，再接变压器，形成多种电压，为后续电路供电：一种电压连接控制器，一种电压接传感器。控制器连接PWM斩波电路和A/D、D/A转换电路，D/A转换电路后接驱动光耦，用于驱动与其连接的逆变器，后接直流电机。
通过传感器接收压力信号和加速度信号，并将信号输入集成A/D转换电路的控制芯片中，通过合适的控制规律，输出信号经过D/A转换，再由驱动光耦驱动逆变器，使其工作在逆变状态，作为电机和电源之间能量转换的桥梁。逆变器主要功能是将直流信号变为交流信号，并配合电机工作，实现换向。与控制芯片连接的PWM控制电路可实现斩波控制，从而进行电压调节，调节电机的转速。
该可切换的车辆主动/半主动悬架通过加速度传感器，将车身、车轮等瞬态输出反馈回控制器，应用合适的控制规律(如天棚控制、模糊控制等)，形成参考控制力，然后与液压缸2上安装的力传感器所反馈回的实际阻尼力对比，在PWM控制电路、逆变器作用下实现实时跟踪切换的主动/半主动悬架控制。
作为本发明的一项优选方案，所述的弹簧9可以是螺旋弹簧或者空气弹簧或者油气弹簧，也可以是钢板弹簧。
作为本发明的另一项优选方案，所述的液压缸2可以采用双杆双作用对称液压缸或者是单杆双作用液压缸。
作为本发明的第三项优选方案，所述的控制器4可以采用DSP芯片或者是单片机或者是PLC可编程控制器。
本发明能够达到的效果：
1)在各种路面输入下(0.5～20HZ)阻尼器具有显著减振效果；
2)机、电、液悬架综合系统在宽频范围(0.5～20HZ)内有良好的频响曲线；
3)在半主动悬架方式工作时有发电功能；
4)可实现半主动悬架/主动悬架功能切换。
本发明提供了一种采用电子控制的可切换的车辆主动/半主动悬架系统，结构简单，可靠性高，工作范围宽，兼具车辆主动悬架/半主动悬架功能，同时考虑汽车能源紧缺的现实，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种可切换的车辆主动/半主动悬架的结构示意图
图2为本发明的一种可切换的车辆主动/半主动悬架的控制系统结构框图
具体实施方式
本发明的车辆半主动悬架主要是由弹簧、液压缸、液压马达、控制器、无刷电机组成的。这里给出了该装置的具体的两种设计方案供参考。
选定车辆(悬架)基本参数值范围：单个悬架质量(车身质量)ms＝150kg，非悬架质量(车轮等质量)mu＝35kg，轮胎刚度kt＝160000N/m。
参考设计方案一：
根据悬架载荷状况，选用单杆双作用的液压缸2，缸内径约为40mm，杆径约为25mm。选用齿轮式液压马达3(泵)作为执行元件：GM5-5型齿轮马达(也可液压泵)，理论排量5.2ml/r，额定压力20Mpa，最高转速4000r/min，最低转速800r/min，重量1.9kg。弹簧9选用螺旋压缩弹簧：弹簧内径为60mm，弹簧钢丝直径为10mm，圈数为20.5，弹簧最小自由长度为310.5mm，弹簧刚度约为16000N/m。电机6选用稀土永磁无刷直流电机：型号ZWH120-500，额定功率500w，额定转速3000rpm，重量5kg。控制器选DSP芯片作为控制器：型号为DSP60f3010。控制电路元器件选择：力传感器型号为LTR-1型拉压力传感器，压电加速度传感器选用SD1407型号，驱动光耦选择Agilent公司生产的IGBT/MOSFETH316J驱动光耦，稳压器选用LM7815和LM7915，连接电源的PWM控制器选用UC3842，逆变器型号IFXH74N10，74A，100V。具体安装方法：单杆双作用对称的液压缸2和螺旋压缩弹簧9分别与车架1和车桥8垂直且平行相连，液压缸2连接一液压马达3，液压马达3后又联结一个稀土永磁无刷直流电机6(可作发电机)，直流电机6连接一蓄电池5，在电机6和蓄电池5之间安装控制器4。液压马达和电机均安装在车架上。
车架1、车轮7及车桥8的振动带动单杆双作用对称的液压缸2的活塞往复运动，使压力油流过液压马达3，带动液压马达3及同轴连接的无刷电机6转动，此时电机执行发电机功能，可实现能量再生，并可向蓄电池5充电。控制器4检测到无刷电机转动就说明车身有振动，通过控制无刷电机的发电力矩就可通过控制液压缸的阻尼力，从而实现预定阻尼曲线，完成半主动悬架任务。一定条件下，控制电机作电动机使用，液压马达作液压泵使用，从而可实现主动悬架功能。
参考设计方案二：
根据悬架载荷状况，选用双杆双作用对称的液压缸2，缸内径约为40mm，杆径约为25mm。选用齿轮式液压马达3(也可液压泵)作为执行元件：CMK1004型齿轮马达，理论排量4.25ml/r，额定压力16Mpa，最高转速3000/rmin，最低转速600r/min。弹簧9选用螺旋压缩弹簧：弹簧内径为62mm，弹簧钢丝直径为8mm，圈数为17，弹簧最小自由长度为346.35mm，弹簧刚度约为15734N/m。电机6选用稀土永磁无刷直流电机：90ZW，额定功率750w，额定转速3000rpm。控制器选用DSP芯片作为控制器：型号为DSP60f3010。控制器选用DSP芯片作为控制器：型号为DSP30f6010。控制电路元器件选择：力传感器型号为LTR-1型拉压力传感器，压电加速度传感器选用SD1407型号，驱动光耦选择IGBT/MOSFET H316J驱动光耦，稳压器选用LM7815和LM7915，连接电源的PWM控制器选用UC3842，逆变器型号IFXH74N10，74A，100V。
安装方法：液压缸2和弹簧9分别与车架1和车桥8垂直且平行相连，液压缸2连接一液压马达3，液压马达3后又联结一个直流电机6，直流电机6连接一蓄电池5，在电机6和蓄电池5之间安装控制器4。将液压马达3、直流电机6和控制器4集成安装在一起。车架1、车轮7及车桥8的振动带动双杆双作用对称的液压缸2的活塞往复运动，使压力油流过液压马达3，带动液压马达3及同轴连接的无刷电机6转动，此时电机执行发电机功能，可实现能量再生，并可向蓄电池5充电。控制器4检测到无刷电机转动就说明车身有振动，通过控制无刷电机的发电力矩就可通过控制液压缸的阻尼力，从而实现预定阻尼曲线，完成半主动悬架任务。一定条件下，控制电机作电动机使用，液压马达作液压泵使用，从而可实现主动悬架功能。
两种设计方案悬架系统可选用一定的控制规律(如PID控制、天棚控制、模糊控制、神经网络控制等算法)进行控制。这些控制策略给出液压缸参考控制阻尼力，然后与液压缸2上安装的力传感器所反馈回的实际阻尼力比较，在DSP芯片控制电路作用下最终实现实时跟踪的可切换的车辆主动/半主动悬架控制。
Claims (5)
1、一种可切换的车辆主动/半主动悬架，包括弹簧9和阻尼力可变的阻尼器，其特征在于所述的阻尼器包括液压缸2、液压马达3、控制器4和直流电机6，平行安装的液压缸2和弹簧9分别与车架1和车桥8垂直相连，液压缸2再与液压马达3通过液压管路连接，液压马达3后通过联轴器联结一个直流电机6，直流电机6连接一蓄电池5，在电机6和蓄电池5之间安装控制器4。
2、根据权利要求1的一种可切换的车辆主动/半主动悬架，其特征在于：所述的控制器4包括电源部分、控制器、驱动部分和信号采集器，驱动部分包括驱动光耦和逆变器，直流电源接PWM控制器，形成稳定的端电压，再接变压器，形成多种电压，为后续电路供电：一种电压连接控制器，一种电压接传感器；控制器连接PWM斩波电路和A/D、D/A转换电路，D/A转换电路后接驱动光耦，用于驱动与其连接的逆变器，后接直流电机。
3、根据权利要求1的一种可切换的车辆主动/半主动悬架，其特征在于：所述的弹簧9可以是螺旋弹簧或者空气弹簧或者油气弹簧或者钢板弹簧。
4、根据权利要求1的一种可切换的车辆主动/半主动悬架，其特征在于：所述的液压缸2可以采用双杆双作用对称液压缸或者是单杆双作用液压缸。
5、根据权利要求2的一种可切换的车辆主动/半主动悬架，其特征在于：所述的控制器可以采用DSP芯片或者是单片机或者是PLC可编程控制器。
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