车辆半主动悬架系统的分析设计及试验研究

收稿日期:199810143国家机械工业局课题(98Q K0033)和安徽省自然科学基金项目(97423001)陈无畏　合肥工业大学汽车学院　教授,230069　合肥市方锡邦　合肥工业大学汽车学院　副教授王启瑞　合肥工业大学汽车学院　副教授范迪彬　合肥工业大学汽车学院　副教授李智超　合肥工业大学汽车学院　讲师车辆半主动悬架系统的分析设计及试验研究3陈无畏　方锡邦　王启瑞　范迪彬　李智超 【摘要】　分析了车辆半主动悬架系统及可调阻尼减振器的性能,建立起数学模型,设计了可调阻尼减振器,并进行了不同道路条件下的实车行驶试验。

通过试验结果的分析比较,表明半主动悬架在提高车辆乘座舒适性方面要优于被动悬架。

叙词:悬架　道路试验　舒适性 前言车辆振动是影响行驶平顺性的主要因素。

合理地设计车辆悬架系统,可改善其行驶平顺性。

近年来,主动和半主动控制悬架系统的研究取得了较大进展。

主动悬架是通过各种反馈信息来实现悬架刚度和阻尼的调节,其执行机构选用高精度的液压伺服缸,用较多的外部动力来控制执行机构,故结构复杂,成本高。

半主动悬架系统包括一个普通弹簧和一个并联的阻尼可调减振器,通过控制阀来调节阻尼,以改善与悬架刚度的匹配。

由于它的结构较前者简单且成本较低,具有较大的实用价值。

1　数学模型111　4自由度车辆模型图1所示的带有阻尼可调的半主动悬架4自由度车辆模型,其运动微分方程为m c z βc +F ca +F ka +F cb +F kb =0I c Ηβ+l a (F ca +F ka )-l b (F cb +F kb )=0m 2az β2a -F ca -F ka +k 2a (z 2a -q a)=0m 2b z β2b -F cb -F kb +k 2b (z 2b -q b )=0(1)式中　F ca =c a (z α1a -z α2a )+u a F cb =c b (z α1b -z α2b )+u b F ka =k 1a (z 1a -z 2a ) F kb =k 1b (z 1b -z 2b )Η=z 1a -z 1b l a +l b z c =l a z 1b +l b z 1al a +l b根据可调阻尼减振器的特点,可将其看作由常规阻尼器(阻尼力为c a (z α1a -z α2a ))和变阻力阻尼器(阻尼力为可控力u a )两部分组成(或者是c b (z α1b -z α2b )+u b )。

通过控制前、后减振器的阻1999年11月农业机械学报第30卷第6期尼力,可使悬架系统性能达到较优。

图1　4自由度车辆模型m c ——簧载质量　m 1a 、m 1b ——前、后簧载质量m 2a 、m 2b ——前、后非簧载质量　z 1a 、z 1b ——前、后簧载质量的位移　z 2a 、z 2b ——前、后非簧载质量的位移　q a 、q b ——前、后轮处路面不平度输入z c ——质心处的位移　Η——俯仰角　k 1a 、k 1b ——前、后悬架刚度　k 2a 、k 2b ——前、后轮胎刚度　l a 、l b ——前、后轴至质心距离　I c ——车身转动惯量　c a 、c b ——前、后减振器基值阻尼系数　u a 、u b ——前、后悬架控制力112　可调阻尼减振器的数学模型半主动悬架的核心元件是可调阻尼减振器。

可调阻尼减振器的型式有很多种,其中节流口面积可调的减振器是研究较多的一种。

节流口可调阻尼减振器的设计,是根据阻尼力调节范围,确定可调节流口面积。

为确定减振器阻尼力与可调节流口面积间的关系(图2所示),建立起如下数学模型[2]: 拉伸阻尼力F l =Θ(S D -S d )3V 2k2(C f S f 1+C d S 1)2(2) 压缩阻尼力F y =ΘS 3d V 2k 2C 2f S 2b +Θ(S D -S d )3V 2k2(C f S f 2+C d S 1)2(3)式中　S D ——活塞截面积 S d ——活塞杆截面积 Θ——油液密度C f 、C d ——流量系数 V k ——活塞相对工作缸的运动速度 S f 1——伸张阀面积S 1——可调节流口面积图2　减振器工作过程(a )拉伸　(b )压缩 S f 2——流通阀面积S b ——压缩阀面积由式(2)、(3)可见,阻尼力随V k 的增加而增加,随可调节流口面积S 1的增加而减少。

此外,随着活塞运动速度和激振频率的增加,阻尼力变化趋于明显。

2　半主动悬架可调阻尼减振器的设计可调阻尼减振器设计的关键是可调节流口及控制执行机构的设计。

理想的执行机构应控制简单,工作稳定性好,环境适应性强,灵敏度高,误差小。

步进电机是一种串行数模转换器,定位精度高,可快速启动和停止,很适合作为执行机构的驱动电机。

为实现节流口通流面积的线性调节,将其设计成矩形。

令和步进电机一个步距值相应的节流口面积变化量为∃S =2r Βb(4)式中　r ——活塞杆半径 Β——步进电机步距(即一个脉冲作用下电机的转动角度) b ——节流口宽度 减振器在拉伸行程的通流面积S l =S 0+S f 1+2n r Βb(5) 压缩行程的通流面积S y =S 0+S f 2+2n r Βb(6)式中　n ——步进电机所走步数 S 0——减振器开始工作时的节流口面积41农　业　机　械　学　报1999年 由于减振器阻尼调节在某一范围内进行,当它开始工作时,节流口有一初始开度,即基准位置。

为确定该位置,可在减振器中布置一霍尔传感器。

当传感器发出脉冲信号后,基准位置确定下来,即可实施阻尼调节控制。

由上面所选定的执行机构、定位装置和节流口,在原有某减振器厂生产的<40筒式减振器基础上,进行改进设计。

其中阻尼调节系统由驱动芯杆、空心活塞杆及步进电机等组成。

芯杆下端开有一沟槽,相应地在活塞杆上开有两个对称孔。

将芯杆置于空心活塞杆中,通过二者的相互转动来改变减振器的可调节流口。

阻尼调节系统的工作过程是,由布置在车身上的加速度传感器获取不同路面激励情况下的车身振动加速度信号,经A D转换后送至控制系统的计算机,经判断发出指令,使步进电机产生相应动作,带动空心活塞杆中芯杆转动,改变节流口开度,从而改变阻尼值大小,以达到较好的减振效果。

3　试验研究为验证自行设计的半主动悬架的实际工作效果,将其装于某客车厂生产的AL6700DH型轻型客车上,进行实车道路试验。

半主动悬架系统主要由加速度传感器、电荷放大器、单片机、可调阻尼减振器(带有步进电机)及驱动电源等部分组成。

通过采集加速度信号,根据模糊逻辑推理的控制策略,给出相应的控制信号,驱动步进电机转动,调节减振器阻尼至较优值,以改善车辆的行驶平顺性。

考虑到半主动悬架实时控制的要求,控制器结构应尽量简单,故采用离线计算、在线查表的模糊逻辑控制方法。

本文以参考输入加速度值和悬架振动加速度响应值间的误差e、误差变化率∃e和可控阻尼力u作为模糊控制器的输入和输出量。

针对输入情况的不同组合,离线计算出相应的输出控制量,制成一张控制表,存入单片机的ROM中。

这样输入模糊化、模糊规则的推理合成及模糊输出量的精确化过程可简化为直接查这个模糊控制表来实现,故其执行速度快,工作简单。

将输入输出语言变量值设为正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、负小(N S)、负中(NM)、负大(NB)共7档,由文献[5]和大量的仿真试验,总结出半主动悬架模糊控制的49条规则,如表1所示。

表1　模糊控制规则表e∃eNB NM N S ZE PS PM PBNB-2-1-1-1012 NM-2-2-2-1122 N S-3-2-2-1233 ZE-3-3-2　0233 PS-3-3-2　1223 PM-2-2-1　1222 PB-2-1　0　111251第6期 陈无畏等:车辆半主动悬架系统的分析设计及试验研究 试验按照GB 4970—85《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》进行,3只加速度传感器分别装在驾驶员座椅处、后轴上方与后排座椅底部地板上。

试验道路为沥青路和沙石路,车速为30km h 、40km h 、50km h 和60km h ,保持匀速,路面不平度均无突变。

图3为当车速v =60km h 时,装有被动悬架和半主动悬架的车辆驶过沥青路的车身地板加速度功率谱。

图4为同样车速下,车辆驶过沙石路的车身地板加速度功率谱。

由图可见,装有半主动悬架的车辆在很宽的频率范围内,其谱值比被动悬架的车辆要小,且道路条件越差,这种情况越明显。

图3　两种悬架系统的车身地板加速度功率谱S p (沥青路面)(a )被动悬架　(b )半主动悬架图4　两种悬架系统的车身地板加速度功率谱S p (沙石路面)(a )被动悬架　(b )半主动悬架图5　车速特性曲线 图5为两种悬架系统的车辆车身振动加速度均方根值Zβr m s 随车速变化的曲线(在沥青道路行驶)。

该曲线反映了不同车速下振动能量的大小,可在整个使用车速范围内较好地比较两种悬架系统车辆的平顺性。

由图可知,装有被动悬架的车辆行驶平顺性显然不如装半主动悬架的车辆。

实际道路上的车辆平顺性试验结果,充分体现了采用模糊控制半主动悬架的优良减振性能。

在其他的试验条件下,可以得出相同的结果。

4　结论(1)根据车辆半主动悬架和可调阻尼减振器的工作原理建立的数学模型是正确的。

(2)自行设计的半主动悬架控制系统,通过实车试验考核,表明其性能良好,工作可靠。

(3)模糊控制规则的选取可行,用查表法实现模糊控制具有工作简单、执行速度快和效果良好等优点。

(4)不同道路和车速下的实车行驶试验结果表明,研制的半主动悬架安装方便,成本低,可较好地改善车辆乘座舒适性,具有一定的实用价值。

61农　业　机　械　学　报1999年参考文献1　余志生.汽车理论(第二版).北京:机械工业出版社,1990.199～2142　李智超等.一种可调阻尼减振器的设计与试验.合肥工业大学学报,1998,21(3):36～423　方锡邦等.模糊控制汽车半主动悬架的探讨.东南大学学报,1997,27(5A ):53～564　To sh i o Yo sh i m u ra .A ctive su spen si on of veh icle system s u sing fuzzy logic .In t .J .of System s Sci 2ence ,1996,27(2):215～2195　吴乐.半主动悬架的模糊逻辑控制研究:[硕士学位论文].合肥:合肥工业大学,1990.STUD IES ON THE SE M I -ACT IVE SUSPENSI ON OFVEH I CL E S Y STE M FOR ITS ANALY SIS ,D ESIGN AND TESTChen W uw ei Fang X ibang W ang Q iru i Fan D ib in L i Zh ichao(H ef ei U n iversity of T echnology )AbstractT he design of veh icle su sp en si on system s m u st m eet the requ irem en ts of ride com fo rt and handling stab ility .B u t the conven ti onal p assive su sp en si on can en su re the best com p ro 2m ise on ly under the conditi on s of som e defin ite roads and sp eeds .W ith the rap id develop 2m en t of electron ic techn ique ,veh icle sem i 2active su sp en si on ,w h ich has the excellen t p erfo r 2m ance of reducing veh icle vib rati on and h igh p erfo rm ance co st rati o ,is draw ing m o re and m o re atten ti on .In the p ap er ,w e analyse the p erfo rm ance of the sem i 2active su sp en si on and adju stab le dam p er ,estab lish the m athem atical m odels ,design the adju stab le dam p er and carry ou t the veh icle driving tests under differen t road conditi on s.T he resu lts of veh icle driving tests show that the p erfo rm ance of fuzzy 2con tro lled sem i 2active su sp en si on su rp asses that of p assive su sp en si on in ride com fo rt .Key words Su sp en si on ,Road test ,Com fo rtab leness71第6期 陈无畏等:车辆半主动悬架系统的分析设计及试验研究。