曾繁鑫, 鄭敏毅, 劉 軍, 綦衡敏, 張 農(nóng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

懸架的功能是傳遞和減緩車輪與車身之間的力和力矩,緩和由于路面凹凸不平引起的振動及噪聲,減小車輛的側(cè)傾、俯仰和垂向振動等狀態(tài),保證汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性[1-2]。由于傳統(tǒng)被動懸架的剛度和阻尼不可調(diào),造成懸架設(shè)計過程中難以兼顧汽車在不同工況下對平順性和操縱穩(wěn)定性的需求。與被動懸架不同,半主動懸架可以通過調(diào)節(jié)彈性元件的剛度或阻尼元件的阻尼以適應(yīng)不同路面激勵,從而達(dá)到最優(yōu)減振效果[3]。實現(xiàn)剛度或阻尼可控,以便更好地兼顧汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性需求,是汽車懸架未來的發(fā)展趨勢[4]。

國內(nèi)外專家在阻尼可調(diào)的半主動懸架方面已做了大量研究。文獻(xiàn)[5]從試驗方面證明了阻尼連續(xù)可控的懸架相比于傳統(tǒng)懸架可以更好地改善汽車行駛的平順性和提高車輪的路面附著力;文獻(xiàn)[6]對裝有阻尼連續(xù)可調(diào)減振器的重型車輛進(jìn)行了硬件在環(huán)測試,試驗結(jié)果表明車身振動加速度降低了28%,輪胎動載荷降低了21%。國內(nèi)研究中,文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了半主動懸架的研究現(xiàn)狀和最新研究成果,并探討了半主動懸架的發(fā)展趨勢;文獻(xiàn)[8]對汽車半主動懸架進(jìn)行了集成化仿真研究,該研究方法對提高汽車行駛平順性和安全性具有較優(yōu)的效果;文獻(xiàn)[9]通過控制節(jié)流面積設(shè)計了三級阻尼可調(diào)的油氣懸架,其具體結(jié)構(gòu)是在油氣懸架與蓄能器之間并聯(lián)3條支路,通過控制支路上電磁閥的通斷來控制可調(diào)阻尼閥的節(jié)流面積,從而實現(xiàn)阻尼力的分級調(diào)節(jié);文獻(xiàn)[10]設(shè)計了阻尼連續(xù)可調(diào)油氣懸架并進(jìn)行了臺架試驗,驗證了阻尼可調(diào)功能的可行性。上述研究的阻尼調(diào)節(jié)裝置多是應(yīng)用在油氣懸架上,而應(yīng)用在液壓互聯(lián)懸架上的研究較少。

本文針對半主動液壓互聯(lián)懸架的機理進(jìn)行了分析,比較了ON-OFF控制策略和模糊控制策略對1/4車模型的控制效果,并以某客車為對象研究了半主動液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)對其行駛平順性的影響。

1 液壓互聯(lián)懸架阻尼閥建模

可調(diào)阻尼閥是半主動液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的重要部件,由環(huán)形閥片、單向閥和電磁比例溢流閥組成,該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,通過改變電磁比例溢流閥開度大小可實現(xiàn)阻尼連續(xù)可調(diào)。

該可調(diào)阻尼機構(gòu)的具體工作原理是將連接車身與車輪的作動器的運動分為壓縮和復(fù)原2個過程。如圖1所示,作動器在壓縮時,作動器無桿腔內(nèi)的油液流經(jīng)單向閥和壓縮環(huán)形閥片,最終流入有桿腔和蓄能器,此過程產(chǎn)生的阻尼力即為壓縮行程阻尼力;作動器在復(fù)原時,作動器有桿腔內(nèi)的油液通過復(fù)原環(huán)形閥片2和電磁比例溢流閥4這2條路徑流入無桿腔,此過程產(chǎn)生的阻尼力即為復(fù)原行程阻尼力。壓縮環(huán)形閥片與復(fù)原環(huán)形閥片存在一定的預(yù)緊力,當(dāng)壓差滿足閥片開啟壓力時,環(huán)形閥片開啟。在復(fù)原時通過控制電磁比例溢流閥的輸入電流,可以實現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)。

圖1 半車液壓互聯(lián)懸架模型

1.1 單缸作動器阻尼閥模型

為研究可調(diào)阻尼閥的阻尼特性,使用單缸作動器阻尼閥模型進(jìn)行可調(diào)阻尼的研究,該研究方案可以近似模擬液壓互聯(lián)懸架受到垂向激勵時系統(tǒng)的阻尼特性,同時兼顧了單輪激勵工況下的阻尼特性。

1.2 可調(diào)阻尼閥AMESim建模和模型驗證

根據(jù)單缸作動器可調(diào)阻尼閥的結(jié)構(gòu)特點和工作原理,建立液壓互聯(lián)懸架單缸作動器可調(diào)阻尼閥的AMESim物理模型。該模型的主要仿真參數(shù)見表1所列。

表1 可調(diào)阻尼閥模型的仿真參數(shù)

液壓互聯(lián)懸架單缸作動器阻尼閥AMESim仿真模型如圖2所示。

為了驗證AMESim仿真模型的正確性,對單缸作動器阻尼閥進(jìn)行臺架試驗,包括單缸作動器系統(tǒng)的彈性力試驗和環(huán)形閥片的阻尼特性試驗。

(1) 單缸作動器系統(tǒng)的彈性力試驗。試驗頻率選擇0.01 Hz,單缸作動器運動行程選擇±40 mm[11],蓄能器預(yù)充壓力為2 MPa。試驗得到單缸作動器彈性力性能的試驗曲線如圖3所示。

圖2 可調(diào)阻尼閥AMESim模型

圖3 單缸作動器彈性力試驗與仿真曲線

由圖3可知,在試驗特性曲線中,壓縮和復(fù)原的2條彈性曲線并不重合,這是由于液壓缸的密封件及活塞桿之間相對運動時存在摩擦力,壓縮和復(fù)原2個行程正反2個方向運動時的摩擦力大小相等,摩擦力是曲線差值的1/2。因為單缸作動器上、下腔相連,所以進(jìn)出蓄能器油液有限,液壓系統(tǒng)基本上呈線性。圖3所示AMESim單缸作動器系統(tǒng)模型仿真曲線(虛線)與試驗曲線(實線)吻合較好,證明仿真模型中建立的彈性力和摩擦力模型是正確的。

(2) 環(huán)形閥片阻尼特性試驗。試驗采用MTS公司的減振器測試系統(tǒng),最大載荷為2.5 kN,運動行程為400 mm,最大速度為3.5 m/s,滿足液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)作動器(70/28 mm)試驗條件。根據(jù)文獻(xiàn)[12],對單作動器測試方案進(jìn)行示功特性和速度特性測試。

采用某70/28單缸作動器進(jìn)行阻尼特性測試,測試行程為±50 mm,根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn),測試速度點為0.13、0.26、0.39、0.52 m/s。得到環(huán)形閥片位移速度特性曲線，如圖4所示。

圖4 仿真與試驗位移阻尼特性曲線

從圖4可以看出,當(dāng)試驗激振速度較低時,測試阻尼力具有小幅振動,在高速激勵試驗時,測試阻尼力有較大的波動,但是曲線基本趨勢正常。圖4中可調(diào)阻尼閥阻尼力的仿真數(shù)據(jù)(實線)與試驗數(shù)據(jù)(虛線)基本吻合,驗證了環(huán)形閥片仿真模型的正確性。

2 半主動懸架控制策略研究

汽車的平順性主要由其垂向運動模態(tài)決定,因此，針對汽車平順性的半主動懸架控制策略研究往往采用1/4車輛模型,不僅可以較好地模擬汽車的垂向振動,而且模型簡單、參數(shù)少。

2.1 基于“天棚”控制的ON-OFF控制

“天棚”阻尼器是一種理想的阻尼器,通過合理選擇參數(shù),可徹底消除汽車懸架系統(tǒng)的共振,其模型如圖5a所示。但是實際車身上無法安裝這樣理想的阻尼器,因此“天棚”阻尼器只具有參考價值。一般來說可在系統(tǒng)中增加一個產(chǎn)生主動作用力的元件模擬“天棚”阻尼器的作用,得到等效的減振效果[13]。

ON-OFF控制的半主動懸架振動模型如圖5b所示。

圖5 懸架振動模型

基于天棚控制的ON-OFF控制方法可以等效地實現(xiàn)“天棚”阻尼,屬于一種懸架系統(tǒng)的半主動控制方法，可以根據(jù)需要控制阻尼器在“軟硬”阻尼間切換,其控制方法簡單,僅需測量車身加速度和懸架動位移。目前此方法應(yīng)用較多。

根據(jù)牛頓第二定律,得到ON-OFF控制方法的動力學(xué)方程為:

(1)

(2)

其中,ms為1/4車身質(zhì)量;mt為單輪質(zhì)量;ks為懸架剛度;kt為輪胎剛度;cs為懸架阻尼;q為路面激勵;zs為1/4車身位移;zt為車輪位移;cs ky為天棚阻尼系數(shù),可根據(jù)懸架的參數(shù)及性能指標(biāo)確定一個最優(yōu)值。

根據(jù)動力學(xué)方程(1),在Matlab/Simulink中搭建ON-OFF控制的半主動懸架仿真模型,如圖6所示。

圖6 ON-OFF控制的半主動懸架模型

2.2 模糊控制

在設(shè)計模糊控制器時,選擇車身垂向加速度和速度作為模糊控制的輸入量,將可調(diào)阻尼力作為模糊控制的輸出量。采用三角形曲線作為輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)曲線的形狀。根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]總結(jié)出車輛半主動懸架系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則,見表2所列。

表2 模糊控制規(guī)則

以汽車平順性為優(yōu)化目標(biāo),需要控制車身的垂向加速度。因此模糊控制選取控制量的變化規(guī)則為:

(1) 當(dāng)車身垂向加速度較大時,選取的控制力應(yīng)較大,以盡快消除為主。

(2) 當(dāng)加速度指標(biāo)較小時,選取控制力應(yīng)較小,防止超調(diào),以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主[16]。

2.3 模糊控制和ON-OFF控制對比

在仿真分析中,設(shè)汽車以20 km/h的車速在C級路面上行駛,利用Matlab/Simulink建立路面激勵模型。

分別對ON-OFF控制的半主動懸架模型、模糊控制的半主動懸架模型和被動懸架模型進(jìn)行仿真分析,對比仿真得到的汽車車身垂向加速度和懸架動行程,3種模型的時域仿真曲線如圖7所示。其中,a為車身垂向加速度;fd為懸架動行程。

為了更好地反映隨機路面激勵下3種懸架模型的性能,分別計算出2個性能指標(biāo)的均方根值,從而反映出在不同控制策略下的控制效果。2個性能指標(biāo)見表3所列。

圖7 車身垂向加速度和懸架動行程

表3 平順性能指標(biāo)

由表3可知,相比于被動懸架,半主動液壓互聯(lián)懸架各個平順性能指標(biāo)均得到改善;在車身垂向加速度均方根值方面,模糊控制的效果相對優(yōu)于ON-OFF 控制,但是在懸架動行程方面,模糊控制效果相對差一點。

為進(jìn)一步比較2種控制方法的控制效果,從懸架性能指標(biāo)進(jìn)行功率譜分析。從頻域上比較分析半主動懸架系統(tǒng)性能指標(biāo)的功率譜,仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出,2種控制方法對半主動液壓互聯(lián)懸架在車身垂向加速度和懸架動行程2個性能指標(biāo)上都有顯著的改善作用,有效地提高了汽車的乘坐舒適性;通過對比可知,ON-OFF控制方法對車身加速度和懸架動行程的控制效果更優(yōu)。

ON-OFF控制方法屬于離散型的控制方法,適用于分級阻尼控制的半主動懸架;而對于連續(xù)可調(diào)阻尼閥,選擇模糊控制作為半主動液壓互聯(lián)懸架的控制方法更為合適。

圖8 車身垂向加速度和懸架動行程功率譜密度

3 整車建模與模型驗證

3.1 整車建模

TruckSim是專門針對車輛動力學(xué)研究的仿真軟件,該仿真平臺無需關(guān)注汽車的具體結(jié)構(gòu),即可對輕型貨車、客車、重型卡車等車型的整車機械系統(tǒng)建模仿真[17]。

AMESim軟件對液壓系統(tǒng)建模具有簡單高效、計算精度高等優(yōu)點。

根據(jù)各軟件特點，利用TruckSim軟件平臺對某板簧客車的整車機械系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)化建模;利用AMESim軟件平臺建立包含可調(diào)阻尼閥的液壓系統(tǒng)模型;在Simulink中建立模糊控制器。

Simulink-AMESim-TruckSim聯(lián)合仿真模型如圖9所示。

仿真模型參數(shù)見表4所列。

圖9 整車仿真模型

表4 整車液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)主要參數(shù)

3.2 整車模型驗證

為了驗證聯(lián)合仿真平臺建立整車模型的正確性,通過雙移線試驗和蛇形試驗對模型進(jìn)行驗證。

3.2.1 雙移線試驗

雙移線試驗按照文獻(xiàn)[18]標(biāo)準(zhǔn)實行,汽車以80 km/h車速駛過標(biāo)樁區(qū),測量車身側(cè)傾角、側(cè)向加速度和橫擺角速度的數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖10所示。

對比結(jié)果表明，仿真得到的車身側(cè)傾角峰值和側(cè)向加速度峰值均與整車試驗測試數(shù)據(jù)基本吻合。

圖10 雙移線試驗的仿真?zhèn)葍A角和仿真?zhèn)认蚣铀俣惹€

3.2.2 蛇形試驗

蛇形試驗按照文獻(xiàn)[18]標(biāo)準(zhǔn)實行,在試驗場地上布置5根標(biāo)樁,標(biāo)樁間距L=50 m,汽車以75 km/h的穩(wěn)定車速駛過標(biāo)樁區(qū),測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車身橫擺角速度、側(cè)向加速度以及側(cè)傾角等數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,仿真得到的車身側(cè)傾角和側(cè)向加速度與整車試驗測試得到的數(shù)據(jù)基本吻合。

圖11 蛇行試驗測試的仿真?zhèn)葍A角和仿真?zhèn)认蚣铀俣惹€

4 整車平順性仿真試驗與分析

上文通過試驗驗證了被動液壓互聯(lián)懸架整車模型及參數(shù)的準(zhǔn)確性,將AMESim模型中的被動阻尼閥替換成可調(diào)阻尼閥,建立半主動液壓互聯(lián)懸架的整車模型,并分析整車的平順性能。車身垂向加速度是評價車輛平順性的直接評價指標(biāo)[19],因此本節(jié)選取車身質(zhì)心處的垂向加速度均方根值作為評價比較指標(biāo)。

4.1 隨機路面激勵仿真分析

根據(jù)文獻(xiàn)[20],在Matlab/Simulink 中建立車輛以20 m/s速度在B級路面行駛時的路面位移信號,輸入到TruckSim中建立隨機路面模型。在相同路面、不同的車速范圍內(nèi),懸架相對運動速度會處于不同的范圍,則可調(diào)阻尼閥的阻尼力值范圍就會不同?；诳烧{(diào)阻尼閥的阻尼特性,本節(jié)對不同車速下的整車質(zhì)心加速度進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果如圖12所示。

由仿真曲線求解得到被動液壓互聯(lián)懸架和半主動液壓互聯(lián)懸架在不同車速下的整車質(zhì)心加速度均方根值,見表5所列。

圖12 3種不同車速下的整車質(zhì)心加速度

表5 平順性能指標(biāo)

由表5可知,在不同的行駛速度下,半主動液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的垂向加速度均方根值相對于被動液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)有較明顯的改善,有效提高了車輛的行駛平順性。

4.2 脈沖路面激勵仿真分析

脈沖激勵屬于沖擊較大的路面輸入,是車輛平順性測試的重要內(nèi)容。根據(jù)文獻(xiàn)[21],在TrucKsim中設(shè)置高度h=40 mm的凸塊,以車身垂向加速度為仿真目標(biāo),車輛以20、30、40 km/h的速度行駛時,測得的被動液壓互聯(lián)懸架車身垂向加速度與半主動液壓互聯(lián)懸架車身垂向加速度仿真對比曲線如圖13所示。

圖13 3種不同車速下的車身垂向加速度

由圖13可知,在車身垂向加速度上半主動液壓互聯(lián)懸架相比于被動液壓互聯(lián)懸架的改善效果更明顯。被動液壓互聯(lián)懸架和半主動液壓互聯(lián)懸架在脈沖激勵工況下，以不同車速行駛時的垂向加速度峰值見表6所列。

表6 脈沖激勵垂向加速度峰值

由表6可知,在不同行駛速度下,半主動液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)的垂向加速度峰值相對于被動液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)有顯著的降低,減小了車輛行駛時的垂向振動,有效地提高了車輛的行駛平順性。

5 結(jié) 論

本文分析了可調(diào)阻尼閥的工作原理和可調(diào)阻尼閥在液壓互聯(lián)懸架上應(yīng)用的優(yōu)勢,以提高車輛行駛平順性為目標(biāo),利用Matlab/Simulink建立了1/4 車輛模型,對比分析了ON-OFF 控制、模糊控制2種控制策略的控制效果。分析比較結(jié)果表明，模糊控制不僅控制效果好,而且還可實現(xiàn)阻尼連續(xù)控制?；贛atlab/Simulink、AMESim、TruckSim的仿真平臺,搭建了整車聯(lián)合仿真模型,并通過客車操穩(wěn)性試驗的試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比,驗證了聯(lián)合仿真模型的準(zhǔn)確性。利用聯(lián)合仿真模型分析了半主動液壓互聯(lián)懸架客車的平順性, 通過隨機路面試驗和脈沖試驗的仿真分析證明了半主動液壓互聯(lián)懸架能夠較好地改善車輛的平順性能。