高曉東， 顧 亮， 管繼富， 李 毅， 劉 銳， 邢艷明

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院 北京，100081) (2.中國北方車輛研究所底盤部件技術(shù)部 北京，100072) (3.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司科研所 包頭，014032)

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履帶車輛肘內(nèi)式半主動油氣懸掛性能研究*

高曉東1,2， 顧 亮1， 管繼富1， 李 毅3， 劉 銳3， 邢艷明3

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院 北京，100081) (2.中國北方車輛研究所底盤部件技術(shù)部 北京，100072) (3.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司科研所 包頭，014032)

肘內(nèi)式油氣懸掛與傳統(tǒng)油氣彈簧相比，能夠以較小的體積和質(zhì)量，提供更高的負(fù)載能力。將履帶車輛肘內(nèi)式油氣懸掛單輪模型與半主動控制相結(jié)合，進行了半主動肘內(nèi)式油氣懸掛動態(tài)特性分析，提出了基于天棚算法的半主動雙環(huán)控制策略，外環(huán)控制器計算目標(biāo)阻尼力對應(yīng)的閥芯位置，內(nèi)環(huán)控制器控制閥芯跟蹤目標(biāo)位置，從而達到改善履帶車輛平順性的目的。探索了Virtual.Lab,AMESim和Matlab之間的集成接口，搭建了機電液耦合系統(tǒng)的聯(lián)合仿真虛擬試驗平臺，并在該平臺對控制算法進行了驗證，結(jié)果表明肘內(nèi)式油氣懸掛半主動性能顯著優(yōu)于被動懸掛。

肘內(nèi)式油氣懸掛； 半主動懸掛； 聯(lián)合仿真； 天棚算法

引 言

軍用履帶車輛應(yīng)滿足在惡劣路面能夠高速行駛的要求。為了提高行進間火炮的射擊精度，需提高履帶車輛行動部分的隔振效果。肘內(nèi)式油氣懸掛誕生于20世紀(jì)70年代，它不僅減振性能優(yōu)越，而且結(jié)構(gòu)緊湊，較常用的扭桿彈簧懸掛節(jié)省了大量車內(nèi)空間[1]。各國都十分重視這一懸掛的應(yīng)用。埃及軍方于1984年底委托美國泰萊達因大陸汽車公司為其裝備的蘇制T-54加裝了肘內(nèi)式油氣懸掛[2]。韓國軍方已經(jīng)在K2和K21型履帶車輛上列裝了肘內(nèi)式油氣懸掛，并在懸掛控制方面進行了許多的研究[3]。

筆者所在的項目組開發(fā)的肘內(nèi)式油氣懸掛集成了彈性元件和阻尼元件，在對肘內(nèi)式油氣懸掛彈性及阻尼特性分析的基礎(chǔ)上，進行了基于天棚控制算法的肘內(nèi)式半主動油氣懸掛性能研究，并在虛擬仿真平臺中對算法進行了驗證。

1 肘內(nèi)式基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 肘內(nèi)式基本結(jié)構(gòu)

肘內(nèi)式油氣懸掛的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，此懸掛集成了彈性元件和阻尼元件，主要由液壓缸、主活塞、活塞連桿、葉片減振器以及高壓氣室等部件組成。懸掛上支臂與履帶車輛車體固連，負(fù)重輪安裝于肘體輪軸處[4]。

圖1 肘內(nèi)式油氣懸掛基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of in-arm suspension unit

1.2 肘內(nèi)式油氣懸掛工作原理

肘內(nèi)式油氣懸掛以平衡肘軸心為圓心，運動過程分為兩步：當(dāng)負(fù)重輪受到路面向上的激勵時，負(fù)重輪與車體垂直方向的距離縮小，動力缸油液被擠壓通過節(jié)流孔進入氣室下端油腔，氣室內(nèi)高壓氮氣被壓縮，產(chǎn)生彈性力；當(dāng)激勵消失，氣室擴張，肘體回彈，負(fù)重輪與車體垂直方向的距離增加。肘內(nèi)式油氣懸掛具有非線性剛度特性。

肘內(nèi)式油氣懸掛內(nèi)部減振器位于肘體回轉(zhuǎn)中心，屬于同軸式減振器，如圖2所示。肘內(nèi)式油氣懸掛減振器內(nèi)部工作空間注有油液，整個工作空間被葉片和隔板分為4個區(qū)域，葉片隨肘體在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動，使葉片運動前方的工作空間形成高壓腔，通過葉片上的常通阻尼孔，比例流量閥以及葉片與殼體，隔板與殼體之間的縫隙等流向低壓腔，從而產(chǎn)生阻尼力。

圖2 葉片式減振器工作原理圖Fig.2 Operation principle drawing of rotary damper

該減振器結(jié)構(gòu)對稱，可以將其液壓回路視為兩套高低壓油腔并聯(lián)作用的結(jié)構(gòu)。比例閥為該葉片式減振器阻尼調(diào)節(jié)裝置，是該減振器核心部件，比例閥安裝在隔板內(nèi)部，為兩位兩通閥形式。電磁鐵驅(qū)動閥芯運動，電流為零時，閥芯不動，閥口全開；當(dāng)電流達到最大時，閥芯達到滿行程，閥口關(guān)閉；一般情況下，開閥度隨電流大小在兩個極限位置間近似線性變化。

2 肘內(nèi)式油氣懸掛特性分析

2.1 肘內(nèi)式油氣懸掛彈性特性

履帶車輛肘內(nèi)式油氣懸掛要同時滿足大載荷和大行程兩個要求，該懸掛油氣彈簧壓力較高，范圍一般在4～30 MPa，需要進行試驗得到其彈簧特性曲線。

在試驗臺架上，激振頭以0.1 Hz激勵肘內(nèi)式油氣懸掛，肘內(nèi)式油氣懸掛初始充氣壓力6 MPa。圖3為肘內(nèi)式油氣懸掛氣室壓力與活塞位移的關(guān)系曲線。圖4為氣室剛度與活塞位移的關(guān)系曲線，表示油氣彈簧由安裝位置到動行程位置的剛度變化，零點位置為活塞位移155 mm處。圖中顯示當(dāng)活塞移動到202 mm的位置時，副氣室打開，氣室剛度瞬時降低，防止在動行程位置氣室壓力過高。

圖3 作動缸壓力-活塞位移關(guān)系Fig.3 Pressure-deflection of ISU unit

圖4 彈簧剛度-活塞位移曲線Fig.4 Spring characteristics of ISU unit

2.2 肘內(nèi)式油氣懸掛阻尼特性

(1)

減振器工作腔內(nèi)油液的總流量等于單位時間內(nèi)葉片掃過的總體積，現(xiàn)假定平衡肘長度為rb，葉片軸角速度為ω，則通過葉片內(nèi)外徑Dn,Dw，寬度為b的葉片一側(cè)流向另一側(cè)的液體流量Q[5-7]為

(2)

(3)

其中：比例閥流量系數(shù)cv為

(4)

圖5 比例流量閥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure of the proportion valve

(5)

式(1)～(5)即系統(tǒng)的阻尼動態(tài)特性模型。圖6為工作溫度為80℃時減振器阻尼力試驗值曲線。由圖6可知，通過增大減振器電磁閥驅(qū)動電流，比例閥閥芯動作使得節(jié)流口由全開到全閉變化，減振器的阻尼隨著呈增大趨勢。當(dāng)控制閥全關(guān)時，新型可控葉片式液壓減振器的輸出阻尼力最大。

圖6 減振器阻尼力試驗曲線Fig.6 Semi-active damping characteristics

3 控制器設(shè)計

3.1 半主動控制算法

(6)

3.2 控制器的設(shè)計

本次試驗將肘內(nèi)式油氣懸掛安裝在浮動墻試驗臺架上，通過安裝傳感器，采集簧上質(zhì)量振動加速度與平衡肘擺角數(shù)據(jù)。簧載質(zhì)量振動速度信息通過對加速度數(shù)據(jù)作積分得到，積分初值設(shè)定為0 m/s。

筆者所用半主動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。控制系統(tǒng)外環(huán)使用天棚阻尼控制算法，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)設(shè)計了基于模型的比例閥電壓控制器，天棚阻尼控制算法產(chǎn)生最優(yōu)目標(biāo)阻尼力輸入控制內(nèi)環(huán)，控制內(nèi)環(huán)將最優(yōu)阻尼力與電液比例閥產(chǎn)生的阻尼力差值進行PID控制，將最優(yōu)阻尼力轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號輸入電液比例閥，使閥芯處于目標(biāo)位置，從而改變比例流量閥開度，產(chǎn)生減振器最優(yōu)阻尼力，實現(xiàn)阻尼力的實時調(diào)節(jié)。

通過角度及簧載質(zhì)量速度信息，半主動控制器計算出最優(yōu)阻尼力Fder。此時通過平衡肘擺動角速度，確定出內(nèi)環(huán)肘內(nèi)式油氣懸掛通過阻尼孔的流量和壓降。實際模型產(chǎn)生的阻尼力與外環(huán)天棚算法最優(yōu)阻尼力Fder進行比較，并運用PID控制算法控制追蹤誤差[9]，得到比例流量閥最優(yōu)開度，從而可以通過改變電磁閥電流調(diào)整閥芯位移，實現(xiàn)控制效果。據(jù)此可以制定天棚阻尼控制阻尼力Fdamp為

(7)

阻尼系數(shù)定義為

(8)

其中：Cmin為閥芯位移x=0 mm時的阻尼系數(shù)；Cmax為閥芯位移最大時的阻尼系數(shù)。

圖7 半主動控制示意圖Fig.7 Schematic diagram of semi-active control system

4 肘內(nèi)式油氣懸掛算法驗證

由于肘內(nèi)式油氣懸掛半主動控制系統(tǒng)是一個機電液一體化系統(tǒng)[10]，現(xiàn)利用多軟件平臺進行聯(lián)合建模與仿真分析。具體方法為：通過建立軟件間的仿真接口，某一仿真軟件可將仿真數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)輸入信號通過接口傳遞給另一仿真軟件模型，后者在該信號的作用下產(chǎn)生相應(yīng)響應(yīng)，又可以反饋給前者，由此仿真數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)雙向傳遞。肘內(nèi)式油氣懸掛的多體動力學(xué)模型在LMS Virtual.Lab軟件中搭建。液壓模型在LMS Imagine. Lab AMESim液壓軟件中搭建?？刂颇Ｐ驮赟imulink中搭建。參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖8所示。

如圖9所示，肘內(nèi)式油氣懸掛半主動性能試驗首先采用0～5 Hz正弦輸入，60 mm幅值，天棚阻尼系數(shù)選擇2.4 kNm/s；接下來以某試驗場砂石路面、起伏路面及戈壁路面數(shù)據(jù)輸入做試驗，車速選取30～40 km/h。試驗中懸掛參數(shù)為簧上質(zhì)量為2 000 kg，簧下質(zhì)量為150 kg，阻尼系數(shù)為1.5 kNm/s。

圖8 機械、液壓、控制系統(tǒng)之間的參數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationship between mechanical, hydraulic, control systems

圖9 肘內(nèi)式油氣懸掛幅頻特性Fig.9 Amplitude-frequency characteristics of ISU

如圖9和圖10所示，1 Hz以上的半主動性能遠(yuǎn)優(yōu)于被動懸掛，而1 Hz以下基于天棚算法的半主動懸掛性能沒有得到明顯改善，后期可以通過有限帶寬主動懸掛控制改進。通過3種試驗場路面譜輸入試驗，半主動懸掛在3種路面均方值均有減小，其中：砂石路面減小18.5%；起伏路面減小22%；戈壁路面減小10%。

圖10 簧載質(zhì)量振動時域曲線(4 Hz)Fig.10 Vibration of sprung mass(4 Hz)

結(jié)果表明，利用天棚阻尼算法對肘內(nèi)式油氣懸掛單輪模型進行半主動控制能夠有效降低車身振動加速度，在3種典型路面上仿真，與原被動懸掛相比半主動懸掛簧上質(zhì)量加速度均方值均明顯減小，證明了天棚半主動懸掛系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)束語

項目組開發(fā)的肘內(nèi)式油氣懸掛控制系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)部減振器阻尼閥的開度，使系統(tǒng)最大阻尼力在8～16 kN范圍變化，可有效改善履帶車輛的行駛平順性?；谔炫镒枘崴惴ǖ陌胫鲃涌刂菩阅軆?yōu)良，通過3種路面數(shù)據(jù)輸入測試，性能分別提高了18.5%，22%和10%，簧載加速度得到改善，為新型履帶車輛的研發(fā)提供了保障。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.027

*部級預(yù)研項目(104010210)

2014-07-23；

2014-12-03

U489

高曉東，男，1983年10月生，博士生。主要研究方向為履帶車輛虛擬樣機仿真及油氣懸掛控制。曾發(fā)表《履帶車輛油氣懸掛彈性特性研究》(《拖拉機與農(nóng)用運輸車》2014年第41卷第4期)等論文。 E-mail：bitgaoxiaodong@sina.cn