天棚控制的共享气室悬架系统平顺性研究

王德志，李 美，张少波，谭偲龙

（海南大学机电学院，海南 海口 570228）

1 引言

空气悬架以其优良的特性，在车辆工程领域有着广泛的应用前景，特别在当今汽车工业高度发展和人们对汽车性能要求不断提高的形势下，各种空气悬架的研究日益增多，其中不乏互联式，带附加气室式以及双气室式等类型，文献[1]提出一种横向互联的空气悬架结构，分析了其不同参数对车辆平顺性的影响，表明该型悬架能够减少车身损伤并增加车辆使用时间；文献[2]对双腔室空气悬架进行建模，为该型悬架的正向设计提供了理论依据。但是未见共享气室空气悬架的相关研究。共享气室空气悬架则是在悬架系统中增设一个共享气室，悬架系统中各个弹簧均通过连接管路连接至共享气室，通过控制电磁阀开闭来控制弹簧和共享气室的连通状态。根据行驶路况适时调节共享气室内的气体量及气体压力，改变空气弹簧刚度，充分发挥空气弹簧的非线性动态特性。

研究空气弹簧参数对悬架系统平顺性的影响是目前的热点，文献[3]对一种新型的双气室空气弹簧进行分析，通过改变不同气室气压及弹簧高度以研究其对被动悬架系统的影响；文献[4]将双气室空气弹簧与被动悬架结合，分析了空气弹簧气压、连接管路内径等参数对被动悬架的影响。但已有研究均以被动悬架为基础展开，少见将空气悬架与半主动悬架结合以研究其参数对半主动悬架平顺性的影响。本研究考虑在各种控制方式中天棚阻尼控制除对于提高车辆乘坐舒适性效果并不明显外，其他方面性能较为均衡，且易于实现[5]，且空气弹簧本身较其他弹簧具有更加舒适的优点，故采用天棚阻尼控制的半主动悬架系统与共享气室空气弹簧结合研究。

2 动刚度拟合模型的建立

根据动刚度求解过程，正弦激励下求解动刚度时只需求解共享气室空气弹簧工作高度位置的等效最大气压和等效最小气压，根据等效压差与研究的空气弹簧工作高度位置处有效面积的乘积作为等效载荷差值，得到动刚度[6]。

将共享气室初始气压为0.15MPa、连接管路内径为16mm时不同容积比和不同激振频率下试验得到的空气弹簧工作高度位置的等效压差数据利用Matlab中的Surface Fitting Tool（sftool）进行拟合，得到0.15MPa的等效压差P（x，y）=Δp等效（p0=0.15MPa）。

等效压差受弹簧内部初始气压的影响，在连接管路内径一定时（不影响共享气室作用时的管径，取管径为16mm），同时还受共享气室与主气室容积比Vf∕Vm（Vm=20L）和激振频率的影响。为求解等效压差与初始气压的关系，以0.15MPa初始气压为基准气压，对工作高度位置不同初始气压相对于p0=0.15MPa时的等效压差的差值进行拟合得到PP（x，y）=Δ（Δp等效）。选取多项式（Polynomial）函数得到拟合曲面，其中对Vf∕Vm选取二阶拟合，对初始气压p0选取三阶拟合，拟合得到的曲面，如图1所示。

图1 拟合曲面Fig.1 The Fitting Aurface

将得到的不同初始气压与0.15MPa初始气压差值的拟合函数和0.15MPa拟合得到的等效压差拟合函数相加即可得到各初始气压的拟合函数，即：

在工作高度h0（275mm）位置，有效面积为Ae（0.042m2），激振幅值A0（1mm）的正弦激励下，等效气压下空气弹簧主气室承受的载荷可表示为：

经过误差分析及试验数据对比，可得弹簧系统的动刚度模型为：

其中，x=Vf∕Vm，激振频率y与悬架激励q相同，z=p0。

3 1∕4车辆动力学模型的建立

1∕4车辆二自由度振动模型与复杂的整车模型比较，它所涉及的设计参数最少，能够提取并反映车辆运动的关键动态特征，并且控制效果具有较高的可信度，同时简化了动力特性分析及控制器设计的复杂度，因而，1∕4车辆二自由度模型是悬架系统振动控制研究的最基本和最常用模型[7]。

天棚阻尼控制是在车体和假想的“天棚”之间安装一个天棚阻尼器，如图2（a）所示。该阻尼器只起耗能的作用，当阻尼系数达到一定值时，能获取一定的减振效果。在实际应用中因并不存在假想的“天棚”，故在簧上质量和簧下质量之间通过添加一个半主动的阻尼调节器Fs，该阻尼器可产生与悬架行程成比例的阻尼力，与天棚阻尼控制的理念一致，从而实现阻尼可调[8]，如图2（b）所示。

图2 1∕4共享气室悬架模型Fig.2 The Quarter Shared Chamber Air Suspension Model

由牛顿力学定律，结合共享气室空气弹簧模型，建立实际天棚的共享气室空气悬架1∕4车辆动力学模型：

式中：M、m—簧上、簧下质量；Z1、Z2—簧下、簧上质量位移；Csky—天棚阻尼；Cs—悬架自带阻尼器阻尼力；K1—轮胎刚度；K2—弹簧刚度（拟合模型确定）；Fs—阻尼调节器产生的等效天棚阻尼力；（Z2-Z1）—悬架动挠度；q—同弹簧系统同频率的正弦激励；K1（Z1-q）—轮胎动载荷。

4 试验台架的搭建

共享气室空气悬架系统试验平台，如图3所示。系统主要由INSTRON 8800数控液压伺服激振系统、压力传感器、数据采集系统、计算机和基于LabView的测试软件等组成。悬架上端固定，下端通过激振系统施加激励，通过气压传感器采集连接管路两端气体压力，INSTRON 8800数控液压伺服激振系统可以采集空气悬架载荷和位移以及加速度数据。采取控制变量法，对每一个可变参数进行单独研究，变量如表1所示。

图3 空气悬架试验台架Fig.3 The Experimental Device of Suspension

表1 研究的可变参数Tab.1 The Variable Parameter of Air Spring

5 仿真及试验结果分析

以某型客车为研究对象对悬架系统平顺性进行仿真及试验研究，其车型参数，如表2所示。其中空气弹簧刚度由第二小节拟合模型求得，属过程量。仿真可变参数与试验相同，如表1所示。由文献[9]研究结果设定天棚阻尼Csky为2788.8N·s∕m。

表2 车型参数Tab.2 The Parameters of Vehicle

共享气室空气悬架作为一个系统，其空气弹簧的连接管路内径，共享气室容积以及共享气室气压等对系统整体性能均有不可忽略的影响。

5.1 连接管路内径影响

设定共享气室气压为0.15MPa，共享气室容积为10L，分别对连接管路内径为8mm，12mm，16mm，20mm的空气弹簧系统进行阻尼效果仿真，阻尼效果，如图4所示。

图4 不同连接管路内径空气弹簧阻尼效果Fig.4 The Damping Effect With Difference Diameters

由图5可看出，随连接管路内径增大，弹簧阻尼效果越来越小，当增加到16mm后，阻尼作用已非常微小；同时对不同连接管路内径的弹簧系统联合悬架系统进行仿真得到不同连接管路内径对悬架系统平顺性的影响，如图5所示。可见，当管径增大到12mm后，管径对于弹簧系统各平顺性指标的影响已无法分辨。考虑到空气弹簧阻尼效果不在本研究范围内，故在后续研究中采用16mm的管径作为系统的连接管路内径。

图5 悬架参数与连接管路内径关系图Fig.5 The Relationship Between Suspension Parameters and Pipe

5.2 共享气室容积影响

设定共享气室气压为0.15MPa，连接管路内径为16mm，分别对共享气室容积为0L、5L、10L、15L以及20L五种工况平顺性进行仿真及试验，仿真与试验结果，如图6、表3所示。

表3 性能指标最值与气室容积关系Tab.3 The Influence of Chamber Volume and Air Pres⁃sure on the Maximumvalue of Performance Index

图6 悬架参数与共享气室容积关系图Fig.6 The Relationship Between Suspension Parameters and Volume

从图中可以看出，仿真与试验结果基本一致，但是由于搭建试验台架时，簧载质量分布不均匀引起附加的摩擦力与力矩以及空气弹簧自身阻尼作用等因素的影响，试验数据整体出现了约10%的偏差。

仿真及试验得到的车身加速度均方根（ACC）最大值均出现在垂向激振频率为1Hz到2Hz的低频振动区间，如图6（a）所示。而在人体内脏感知最敏感的垂向激振频率（4～8）Hz内处于较低范围。由表3可以看出，与共享气室容积为零时相比较，随着共享气室容积的增加，车身加速度均方根最大值有明显的下降。仿真得到的具体结果为5L下降19.22%，10L下降30.83%，15L下降38.25%，20L下降42.27%；试验得到的具体结果为5L下降30.662%，10L下降43.244%，15L下降51.761%。

由于悬架动挠度（Def）主要受悬架固有频率以及阻尼器阻尼比影响[5]，对于共享气室参数的变化响应并没有明显规律，如图6（b）所示。当共享气室容积由0L到5L时，悬架动挠度均方根最大值首先出现了小幅下降，但是当继续增大共享气室容积时，最大值又有所增加，并且出现在频率更低的工况下。

从图6（c）可知在低频范围时（5.5Hz以下），轮胎动载荷均方根（DLT））与车身加速度均方根有类似的变化情况。随共享气室容积增加，轮胎动载荷均方根最大值有明显改善，仿真结果具体为5L优化21.06%，10L优化31.34%，15L优化39.81%，20L优化42.75%；试验具体结果为5L优化31.245%，10L优化42.870%，15L优化51.204%。

5.3共享气室气压影响

设定连接管路内径为16mm，共享气室容积为10L，对共享气室气压为0.1MPa，0.15MPa，0.2MPa，0.25MPa四种工况平顺性进行仿真及试验研究结果，如图7、表4所示。

图7 悬架参数与共享气室气压关系图Fig.7 The Relationship Between Suspension Parameters and Pressure

由图7可以看出，随共享气室气压的降低，车身加速度均方根的变化与共享气室容积的影响结果类似，其值在垂向激振频率为（1～2）Hz的低频范围内达到最值后急速降低，同样远离了人体感知敏感频率，且在分析的频率范围内变化趋势一致。由表4可以看出随着共享气室气压的降低，加速度均方根最大值有明显的降低，由此可见共享气室气压越低越有助于平顺性的提高。

表4 性能指标最值与气压关系Tab.4 The Influence of Air Pressure on the Maximum Value of Performance Index

由图7（b）可以看出，共享气室气压对于悬架动挠度的影响同样不明显，仿真和试验的对比中可以发现两者随着共享气室气压的增加悬架动挠度最值甚至出现了不同的变化趋势，与图6（b）相互印证，悬架动载荷主要的影响因素并非空气弹簧。

共享气室气压对于轮胎动载荷均方根最大值的改善类似于共享气室容积的影响，具体如表4所示。通过对比轮胎动载荷随共享气室容积和气压的变化趋势发现（图6（c）及图7（c）），在（5～6）Hz时轮胎动载荷变化趋势均发生转折，高频范围参数的影响与低频相反，气压的影响尤为明显，这是由于连接管路内气体的紊流现象引起的（在空气弹簧工作时，其内部气体的流动相当复杂，紊流现象受气压，容积以及频率等参数的影响不在本研究范围内）。

综合以上分析，考虑到三个参数对平顺性影响的权重，随着共享气室气压降低，平顺性仍然有很大提高[10]。

6 总结

在试验研究的基础上，结合Matlab对新型共享气室空气弹簧的动刚度进行拟合建模，保证了动刚度的可靠性，采用天棚阻尼控制理论建立1∕4半主动车辆二自由度振动模型，保证了整体研究的鲁棒性。

将共享气室空气弹簧与采用天棚阻尼控制的半主动悬架系统结合，以正弦激励作为悬架系统的输入，分析了不同频率下该新型空气弹簧系统参数变化对汽车平顺性的影响。结果表明，连接管路内径越大，共享气室容积越高，共享气室气压越低，对于车辆平顺性的提升越明显。同时发现，在不同的频率范围内平顺性表现差异很大，研究得到的大量不同频率激振下的仿真及试验数据，可为后期基于不同频率范围内路面谱实时气室共享空气弹簧控制算法的开发提供参考。