半主动液压互联悬架客车的平顺性研究

曾繁鑫, 郑敏毅, 刘 军, 綦衡敏, 张 农

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009; 2.湖南大学 机械与运载工程学院,湖南 长沙 410082)

悬架的功能是传递和减缓车轮与车身之间的力和力矩,缓和由于路面凹凸不平引起的振动及噪声,减小车辆的侧倾、俯仰和垂向振动等状态,保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性[1-2]。由于传统被动悬架的刚度和阻尼不可调,造成悬架设计过程中难以兼顾汽车在不同工况下对平顺性和操纵稳定性的需求。与被动悬架不同,半主动悬架可以通过调节弹性元件的刚度或阻尼元件的阻尼以适应不同路面激励,从而达到最优减振效果[3]。实现刚度或阻尼可控,以便更好地兼顾汽车行驶平顺性和操纵稳定性需求,是汽车悬架未来的发展趋势[4]。

国内外专家在阻尼可调的半主动悬架方面已做了大量研究。文献[5]从试验方面证明了阻尼连续可控的悬架相比于传统悬架可以更好地改善汽车行驶的平顺性和提高车轮的路面附着力;文献[6]对装有阻尼连续可调减振器的重型车辆进行了硬件在环测试,试验结果表明车身振动加速度降低了28%,轮胎动载荷降低了21%。国内研究中,文献[7]详细分析了半主动悬架的研究现状和最新研究成果,并探讨了半主动悬架的发展趋势;文献[8]对汽车半主动悬架进行了集成化仿真研究,该研究方法对提高汽车行驶平顺性和安全性具有较优的效果;文献[9]通过控制节流面积设计了三级阻尼可调的油气悬架,其具体结构是在油气悬架与蓄能器之间并联3条支路,通过控制支路上电磁阀的通断来控制可调阻尼阀的节流面积,从而实现阻尼力的分级调节;文献[10]设计了阻尼连续可调油气悬架并进行了台架试验,验证了阻尼可调功能的可行性。上述研究的阻尼调节装置多是应用在油气悬架上,而应用在液压互联悬架上的研究较少。

本文针对半主动液压互联悬架的机理进行了分析,比较了ON-OFF控制策略和模糊控制策略对1/4车模型的控制效果,并以某客车为对象研究了半主动液压互联悬架系统对其行驶平顺性的影响。

1 液压互联悬架阻尼阀建模

可调阻尼阀是半主动液压互联悬架系统的重要部件,由环形阀片、单向阀和电磁比例溢流阀组成,该装置结构如图1所示,通过改变电磁比例溢流阀开度大小可实现阻尼连续可调。

该可调阻尼机构的具体工作原理是将连接车身与车轮的作动器的运动分为压缩和复原2个过程。如图1所示,作动器在压缩时,作动器无杆腔内的油液流经单向阀和压缩环形阀片,最终流入有杆腔和蓄能器,此过程产生的阻尼力即为压缩行程阻尼力;作动器在复原时,作动器有杆腔内的油液通过复原环形阀片2和电磁比例溢流阀4这2条路径流入无杆腔,此过程产生的阻尼力即为复原行程阻尼力。压缩环形阀片与复原环形阀片存在一定的预紧力,当压差满足阀片开启压力时,环形阀片开启。在复原时通过控制电磁比例溢流阀的输入电流,可以实现阻尼力的调节。

图1 半车液压互联悬架模型

1.1 单缸作动器阻尼阀模型

为研究可调阻尼阀的阻尼特性,使用单缸作动器阻尼阀模型进行可调阻尼的研究,该研究方案可以近似模拟液压互联悬架受到垂向激励时系统的阻尼特性,同时兼顾了单轮激励工况下的阻尼特性。

1.2 可调阻尼阀AMESim建模和模型验证

根据单缸作动器可调阻尼阀的结构特点和工作原理,建立液压互联悬架单缸作动器可调阻尼阀的AMESim物理模型。该模型的主要仿真参数见表1所列。

表1 可调阻尼阀模型的仿真参数

液压互联悬架单缸作动器阻尼阀AMESim仿真模型如图2所示。

为了验证AMESim仿真模型的正确性,对单缸作动器阻尼阀进行台架试验,包括单缸作动器系统的弹性力试验和环形阀片的阻尼特性试验。

(1) 单缸作动器系统的弹性力试验。试验频率选择0.01 Hz,单缸作动器运动行程选择±40 mm[11],蓄能器预充压力为2 MPa。试验得到单缸作动器弹性力性能的试验曲线如图3所示。

图2 可调阻尼阀AMESim模型

图3 单缸作动器弹性力试验与仿真曲线

由图3可知,在试验特性曲线中,压缩和复原的2条弹性曲线并不重合,这是由于液压缸的密封件及活塞杆之间相对运动时存在摩擦力,压缩和复原2个行程正反2个方向运动时的摩擦力大小相等,摩擦力是曲线差值的1/2。因为单缸作动器上、下腔相连,所以进出蓄能器油液有限,液压系统基本上呈线性。图3所示AMESim单缸作动器系统模型仿真曲线(虚线)与试验曲线(实线)吻合较好,证明仿真模型中建立的弹性力和摩擦力模型是正确的。

(2) 环形阀片阻尼特性试验。试验采用MTS公司的减振器测试系统,最大载荷为2.5 kN,运动行程为400 mm,最大速度为3.5 m/s,满足液压互联悬架系统作动器(70/28 mm)试验条件。根据文献[12],对单作动器测试方案进行示功特性和速度特性测试。

采用某70/28单缸作动器进行阻尼特性测试,测试行程为±50 mm,根据测试标准,测试速度点为0.13、0.26、0.39、0.52 m/s。得到环形阀片位移速度特性曲线，如图4所示。

图4 仿真与试验位移阻尼特性曲线

从图4可以看出,当试验激振速度较低时,测试阻尼力具有小幅振动,在高速激励试验时,测试阻尼力有较大的波动,但是曲线基本趋势正常。图4中可调阻尼阀阻尼力的仿真数据(实线)与试验数据(虚线)基本吻合,验证了环形阀片仿真模型的正确性。

2 半主动悬架控制策略研究

汽车的平顺性主要由其垂向运动模态决定,因此，针对汽车平顺性的半主动悬架控制策略研究往往采用1/4车辆模型,不仅可以较好地模拟汽车的垂向振动,而且模型简单、参数少。

2.1 基于“天棚”控制的ON-OFF控制

“天棚”阻尼器是一种理想的阻尼器,通过合理选择参数,可彻底消除汽车悬架系统的共振,其模型如图5a所示。但是实际车身上无法安装这样理想的阻尼器,因此“天棚”阻尼器只具有参考价值。一般来说可在系统中增加一个产生主动作用力的元件模拟“天棚”阻尼器的作用,得到等效的减振效果[13]。

ON-OFF控制的半主动悬架振动模型如图5b所示。

图5 悬架振动模型

基于天棚控制的ON-OFF控制方法可以等效地实现“天棚”阻尼,属于一种悬架系统的半主动控制方法，可以根据需要控制阻尼器在“软硬”阻尼间切换,其控制方法简单,仅需测量车身加速度和悬架动位移。目前此方法应用较多。

根据牛顿第二定律,得到ON-OFF控制方法的动力学方程为:

(1)

(2)

其中,ms为1/4车身质量;mt为单轮质量;ks为悬架刚度;kt为轮胎刚度;cs为悬架阻尼;q为路面激励;zs为1/4车身位移;zt为车轮位移;cs ky为天棚阻尼系数,可根据悬架的参数及性能指标确定一个最优值。

根据动力学方程(1),在Matlab/Simulink中搭建ON-OFF控制的半主动悬架仿真模型,如图6所示。

图6 ON-OFF控制的半主动悬架模型

2.2 模糊控制

在设计模糊控制器时,选择车身垂向加速度和速度作为模糊控制的输入量,将可调阻尼力作为模糊控制的输出量。采用三角形曲线作为输入、输出变量隶属度函数曲线的形状。根据文献[14-15]总结出车辆半主动悬架系统的模糊控制规则,见表2所列。

表2 模糊控制规则

以汽车平顺性为优化目标,需要控制车身的垂向加速度。因此模糊控制选取控制量的变化规则为:

(1) 当车身垂向加速度较大时,选取的控制力应较大,以尽快消除为主。

(2) 当加速度指标较小时,选取控制力应较小,防止超调,以系统的稳定性为主[16]。

2.3 模糊控制和ON-OFF控制对比

在仿真分析中,设汽车以20 km/h的车速在C级路面上行驶,利用Matlab/Simulink建立路面激励模型。

分别对ON-OFF控制的半主动悬架模型、模糊控制的半主动悬架模型和被动悬架模型进行仿真分析,对比仿真得到的汽车车身垂向加速度和悬架动行程,3种模型的时域仿真曲线如图7所示。其中,a为车身垂向加速度;fd为悬架动行程。

为了更好地反映随机路面激励下3种悬架模型的性能,分别计算出2个性能指标的均方根值,从而反映出在不同控制策略下的控制效果。2个性能指标见表3所列。

图7 车身垂向加速度和悬架动行程

表3 平顺性能指标

由表3可知,相比于被动悬架,半主动液压互联悬架各个平顺性能指标均得到改善;在车身垂向加速度均方根值方面,模糊控制的效果相对优于ON-OFF 控制,但是在悬架动行程方面,模糊控制效果相对差一点。

为进一步比较2种控制方法的控制效果,从悬架性能指标进行功率谱分析。从频域上比较分析半主动悬架系统性能指标的功率谱,仿真结果如图8所示。

从图8可以看出,2种控制方法对半主动液压互联悬架在车身垂向加速度和悬架动行程2个性能指标上都有显著的改善作用,有效地提高了汽车的乘坐舒适性;通过对比可知,ON-OFF控制方法对车身加速度和悬架动行程的控制效果更优。

ON-OFF控制方法属于离散型的控制方法,适用于分级阻尼控制的半主动悬架;而对于连续可调阻尼阀,选择模糊控制作为半主动液压互联悬架的控制方法更为合适。

图8 车身垂向加速度和悬架动行程功率谱密度

3 整车建模与模型验证

3.1 整车建模

TruckSim是专门针对车辆动力学研究的仿真软件,该仿真平台无需关注汽车的具体结构,即可对轻型货车、客车、重型卡车等车型的整车机械系统建模仿真[17]。

AMESim软件对液压系统建模具有简单高效、计算精度高等优点。

根据各软件特点，利用TruckSim软件平台对某板簧客车的整车机械系统模型进行参数化建模;利用AMESim软件平台建立包含可调阻尼阀的液压系统模型;在Simulink中建立模糊控制器。

Simulink-AMESim-TruckSim联合仿真模型如图9所示。

仿真模型参数见表4所列。

图9 整车仿真模型

表4 整车液压互联悬架系统主要参数

3.2 整车模型验证

为了验证联合仿真平台建立整车模型的正确性,通过双移线试验和蛇形试验对模型进行验证。

3.2.1 双移线试验

双移线试验按照文献[18]标准实行,汽车以80 km/h车速驶过标桩区,测量车身侧倾角、侧向加速度和横摆角速度的数据。试验数据与仿真数据的对比结果如图10所示。

对比结果表明，仿真得到的车身侧倾角峰值和侧向加速度峰值均与整车试验测试数据基本吻合。

图10 双移线试验的仿真侧倾角和仿真侧向加速度曲线

3.2.2 蛇形试验

蛇形试验按照文献[18]标准实行,在试验场地上布置5根标桩,标桩间距L=50 m,汽车以75 km/h的稳定车速驶过标桩区,测量转向盘转角、车身横摆角速度、侧向加速度以及侧倾角等数据。试验数据与仿真数据的对比结果如图11所示。由图11可知,仿真得到的车身侧倾角和侧向加速度与整车试验测试得到的数据基本吻合。

图11 蛇行试验测试的仿真侧倾角和仿真侧向加速度曲线

4 整车平顺性仿真试验与分析

上文通过试验验证了被动液压互联悬架整车模型及参数的准确性,将AMESim模型中的被动阻尼阀替换成可调阻尼阀,建立半主动液压互联悬架的整车模型,并分析整车的平顺性能。车身垂向加速度是评价车辆平顺性的直接评价指标[19],因此本节选取车身质心处的垂向加速度均方根值作为评价比较指标。

4.1 随机路面激励仿真分析

根据文献[20],在Matlab/Simulink 中建立车辆以20 m/s速度在B级路面行驶时的路面位移信号,输入到TruckSim中建立随机路面模型。在相同路面、不同的车速范围内,悬架相对运动速度会处于不同的范围,则可调阻尼阀的阻尼力值范围就会不同。基于可调阻尼阀的阻尼特性,本节对不同车速下的整车质心加速度进行了仿真分析,结果如图12所示。

由仿真曲线求解得到被动液压互联悬架和半主动液压互联悬架在不同车速下的整车质心加速度均方根值,见表5所列。

图12 3种不同车速下的整车质心加速度

表5 平顺性能指标

由表5可知,在不同的行驶速度下,半主动液压互联悬架系统的垂向加速度均方根值相对于被动液压互联悬架系统有较明显的改善,有效提高了车辆的行驶平顺性。

4.2 脉冲路面激励仿真分析

脉冲激励属于冲击较大的路面输入,是车辆平顺性测试的重要内容。根据文献[21],在TrucKsim中设置高度h=40 mm的凸块,以车身垂向加速度为仿真目标,车辆以20、30、40 km/h的速度行驶时,测得的被动液压互联悬架车身垂向加速度与半主动液压互联悬架车身垂向加速度仿真对比曲线如图13所示。

图13 3种不同车速下的车身垂向加速度

由图13可知,在车身垂向加速度上半主动液压互联悬架相比于被动液压互联悬架的改善效果更明显。被动液压互联悬架和半主动液压互联悬架在脉冲激励工况下，以不同车速行驶时的垂向加速度峰值见表6所列。

表6 脉冲激励垂向加速度峰值

由表6可知,在不同行驶速度下,半主动液压互联悬架系统的垂向加速度峰值相对于被动液压互联悬架系统有显著的降低,减小了车辆行驶时的垂向振动,有效地提高了车辆的行驶平顺性。

5 结 论

本文分析了可调阻尼阀的工作原理和可调阻尼阀在液压互联悬架上应用的优势,以提高车辆行驶平顺性为目标,利用Matlab/Simulink建立了1/4 车辆模型,对比分析了ON-OFF 控制、模糊控制2种控制策略的控制效果。分析比较结果表明，模糊控制不仅控制效果好,而且还可实现阻尼连续控制。基于Matlab/Simulink、AMESim、TruckSim的仿真平台,搭建了整车联合仿真模型,并通过客车操稳性试验的试验数据与仿真数据的对比,验证了联合仿真模型的准确性。利用联合仿真模型分析了半主动液压互联悬架客车的平顺性, 通过随机路面试验和脉冲试验的仿真分析证明了半主动液压互联悬架能够较好地改善车辆的平顺性能。