惯容与阻尼双天棚悬架系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种惯容与阻尼双天棚悬架系统及其控制方法，属于半主动悬架系统技术领域。

背景技术：

车辆悬架决定和影响着车辆行驶的行驶平顺性。随着经济的发展和人们生活水平的提高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求，而半主动悬架性能优于被动悬架，成本比主动悬架低，是悬架系统发展的主要方向。

国内外学者对半主动控制悬架展开了大量研究，目前已报道的有关汽车悬架控制方法的研究，如先进pid控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、鲁棒控制等，都基于现有悬架结构体系，几乎涉及到控制理论的所有分支，各种控制方法均有其特点和不足之处。其中天棚阻尼控制是提出较早的一种半主动悬架控制方法，其算法简单可靠，且能够有效提升车辆的行驶平顺性。但是这种基于速度负反馈的控制在载荷变化较大时，其行驶平顺性差别往往较大。天棚阻尼控制没有从根本上解决车辆悬架空、满载偏频随载荷变化这一问题，无法使车辆在空、满载时都具有较好的行驶平顺性。

2001年，smith提出了惯容器(inerter，又称为惯性质量蓄能器或惯性蓄能器)的概念，然后于2004年将惯容器应用到车辆悬架中，研制了“惯容－弹簧－阻尼”悬架(inerter-spring-damper，isd)。中国专利201610300526提出了一种天棚惯容控制的半主动悬架系统。天棚惯容的思想是设想将惯容器装在惯性参考系与簧载质量之间，天棚惯容直接控制簧载质量的绝对加速度，而与车轮的绝对加速度无关。因此，天棚惯容可以有效抵消一部分簧载质量的加速度，从而减小簧载质量的加速度，提高车辆的平顺性，使车辆更好地适应载荷的变化。然而当路况变化时，根据最佳阻尼比的基本思想，需要根据不同行驶工况在线匹配最佳阻尼以调节悬架系统阻尼比，而天棚惯容悬架不能调节阻尼，无法实现最佳悬架阻尼比，因此不能很好地适应路面状况的变化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种双天棚悬架系统及其控制方法，以半主动的方式实现天棚惯容，效果相当于增大簧上质量，从而达到降低车身偏频、提高空载时平顺性的目的，使车辆具有更好的空、满载适应能力；同时模拟实现天棚阻尼，动态调节阻尼，从而达到在不同路况下依然保持最佳悬架阻尼比的理想状态，使悬架在不同路况下依然具有良好的适应性。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种双天棚悬架系统，包括簧载质量、弹簧、非簧载质量、轮胎等效弹簧、惯容与阻尼连续可调装置、驱动机构和ecu；所述弹簧和惯容与阻尼连续可调装置设置在簧载质量与非簧载质量之间；所述簧载质量和非簧载质量上分别设有加速度传感器，加速度传感器与ecu连接，ecu通过驱动机构与惯容与阻尼连续可调装置连接；所述惯容与阻尼连续可调装置在执行器独立型双天棚悬架系统中为一套惯质连续可调装置和一套连续可调阻尼减振器，在以惯容控制为主导的执行器关联型双天棚悬架b、以阻尼控制为主导的执行器关联型双天棚悬架c中均为一套液力式惯容与阻尼一体化连续可调装置。

本发明还提供了一种双天棚悬架系统控制方法及半主动实现方式，包括如下步骤：

步骤1：在双天棚悬架系统中调整天棚惯容系数bsky的值和天棚阻尼系数csky的值，两者可以根据与悬架阻尼比ξ的关系确定，按下式计算：

步骤2：通过加速度传感器分别获取非簧载质量加速度簧载质量加速度并传送给ecu；

步骤3：ecu根据获取的和值，可根据需要按下列三种方式计算可调惯容和可调阻尼的大小：

a.执行器独立型

b.以惯容控制为主导的执行器关联型

c(x)＝α·b(x)

c.以阻尼控制为主导的执行器关联型

b(x)＝c(x)/α

式中，bmax和bmin分别为可调惯容装置的最大和最小惯质系数，cmax和cmin分别为可调阻尼装置的最大和最小阻尼系数，α为液力式惯容与阻尼一体化连续可调装置的阻尼惯容比；

步骤4：ecu10按照动态惯质系数b(x)和动态阻尼系数c(x)的大小控制驱动机构驱动和调节惯容与阻尼连续可调装置，实现天棚惯容和天棚阻尼。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种天棚惯容和天棚阻尼协调控制方法，以半主动的方式实现天棚惯容，其控制效果相当于增大了簧载质量，始终模拟满载工况，从而降低了车身偏频，提高了车辆在空载时的平顺性，使车辆具有更好的空、满载适应能力；同时模拟实现天棚阻尼，随路况动态调节阻尼，从而在不同路况下依然保持最佳悬架阻尼比，使车辆对路况具有更好的适应性。

附图说明

图1是理想双天棚悬架系统。

图2是半主动独立型双天棚悬架系统。

图3是半主动关联型双天棚悬架系统。

图4是液力式惯容与阻尼一体化连续可调装置示意图。

图5是悬架阻尼比为0.16时各种悬架的车身加速度均方根值对比图。

图6是悬架阻尼比为0.25时各种悬架的车身加速度均方根值对比图。

图7是悬架阻尼比为0.35时各种悬架的车身加速度均方根值对比图。

图中，1-天棚惯容；2-簧载质量；3-弹簧；4-非簧载质量；5-轮胎等效弹簧；6-天棚阻尼；7-加速度传感器；8-1惯质连续可调装置a；8-2连续可调阻尼减振器b；8-3液力式惯容与阻尼一体化连续可调装置c；9-驱动机构；10-ecu；11-液压缸；12-惯容阻尼调节阀；13-缸筒；14-活塞；15-活塞杆；16-阀体；17-螺旋槽；18-阀芯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是理想双天棚悬架系统，包括天棚惯容1、簧载质量2、弹簧3、非簧载质量4、轮胎等效弹簧5和天棚阻尼6。所述弹簧3设置在簧载质量2与非簧载质量4之间；所述天棚惯容1和天棚阻尼6设置在惯性参考系和簧载质量2之间。所述天棚惯容1会产生一个与簧载质量加速度方向相反的惯性力，力的大小等于天棚惯容系数与簧载质量加速度的乘积，由该惯性力直接控制簧载质量的绝对加速度，而与车轮的绝对加速度无关，因此，天棚惯容可以有效抵消一部分簧载质量的加速度，从而减小簧载质量的加速度。所述天棚阻尼6会产生一个与簧载质量速度方向相反的阻尼力，力的大小等于天棚阻尼系数与簧载质量速度的乘积，由天棚阻尼直接控制簧载质量的绝对速度，而与车轮的绝对速度无关，因此，天棚阻尼可以有效抵消一部分簧载质量的速度，从而减小簧载质量的速度。

图2是半主动独立型双天棚悬架系统，包括簧载质量2、弹簧3、非簧载质量4、轮胎等效弹簧5、加速度传感器7、惯质连续可调装置a8-1、连续可调阻尼减振器b8-2、驱动机构9和ecu10。所述弹簧3、惯质连续可调装置a8-1和连续可调阻尼减振器b8-2设置在簧载质量2与非簧载质量4之间；所述的两个加速度传感器7分别设置在簧载质量2和非簧载质量4上，采集簧载质量和非簧载质量的加速度信号并传至ecu10，ecu10根据独立型双天棚控制方法，控制驱动机构9驱动和调节惯质连续可调装置a8-1和连续可调阻尼减振器b8-2，模拟实现天棚惯容和天棚阻尼。

上述方案中，半主动独立型双天棚悬架系统采用两套独立执行机构分别对惯容和阻尼实现动态调节，实施例为一套惯质连续可调装置和一套连续可调阻尼减振器。执行器控制策略如下所示：

a.执行器独立型：

式中，bmax和bmin分别为可调惯容装置的最大和最小惯质系数，cmax和cmin分别为可调阻尼装置的最大和最小阻尼系数。

图3是半主动关联型双天棚悬架系统，包括簧载质量2、弹簧3、非簧载质量4、轮胎等效弹簧5、加速度传感器7、惯容与阻尼一体化连续可调装置c8-3、驱动机构9和ecu10。所述弹簧3、惯容与阻尼一体化连续可调装置c8-3设置在簧载质量2与非簧载质量4之间；所述的两个加速度传感器7分别设置在簧载质量2和非簧载质量4上，采集簧载质量和非簧载质量的加速度信号并传至ecu10，ecu10根据关联型双天棚控制方法，控制驱动机构9驱动和调节惯容与阻尼一体化连续可调装置c8-3，模拟实现天棚惯容和天棚阻尼。

上述方案中，关联型双天棚悬架系统均采用一套机构实现对惯容和阻尼的协调控制，可采用一种位移速度双相关的液力式惯容与阻尼一体化连续可调装置，包括液压缸11和惯容与阻尼调节阀12，如图4所示。执行器控制策略如下所示：

b.以惯容控制为主导的执行器关联型

c(x)＝α·b(x)

c.以阻尼控制为主导的执行器关联型

b(x)＝c(x)/α

式中，α为惯容与阻尼一体化连续可调装置的阻尼惯容比。

图4中，位移速度双相关的液力式惯容与阻尼一体化连续可调装置的阻尼系数c(x)可表示为

式中，

其中，ρ为该装置工作液体密度，w是阀芯宽度，x是阀芯相对于阀体的位移，，dc是液压缸直径，dc液压缸活塞杆直径，ph是阀芯螺旋槽螺距，d是阀芯直径，rh是阀芯螺旋槽半径，dh是阀芯螺旋管水力直径，rh是阀芯螺旋管曲率半径，μ是工作液体的粘度

同时，惯质系数b(x)可表示为

因此阻尼惯容比α可表示为

式中，

其中，c1(x)>0时，该装置为位移速度双相关的惯容与阻尼一体化连续可调装置。

特别的，c1(x)＝0时，该装置为位移相关的惯容与阻尼一体化连续可调装置。此时阻尼系数c(x)可以表示为

阻尼惯容比α可以表示为

当需要以加速度为主要控制目标时，则选择惯容主导关联型双天棚进行调节；当需要以速度为主要控制目标时，则选择阻尼主导关联型双天棚进行调节。

为了比较分析双天棚悬架的控制效果，采用振幅为0.1m，频率为0～100hz的正弦波作为路面位移输入，与传统被动悬架、天棚惯容悬架以及天棚阻尼悬架进行对比。这四种悬架空载时的簧载质量m2均为500kg，满载时的簧载质量m2均为1100kg，弹簧刚度k、阻尼系数c、非簧载质量m1、轮胎刚度kt均相等。

为了具体比较分析天棚惯容对载荷适应性的影响，无天棚惯容控制的传统被动悬架和天棚阻尼悬架设置了空、满载两种工况，具有天棚惯容控制的天棚惯容悬架和双天棚悬架仅设置了空载工况。

为了具体比较分析天棚阻尼对路况适应性的影响，根据最佳阻尼比的基本思想，需要根据不同路况在线匹配最佳阻尼以调节悬架系统阻尼比，从而得到最佳平顺性，因此选用三种悬架阻尼比表征三种路况，并保持空载时的悬架阻尼比一致。图5～7是悬架阻尼比分别为0.16、0.25、0.35时各悬架的车身加速度均方根值对比图。

由图5～7均可知，传统被动悬架和天棚阻尼悬架在空、满载时车身偏频变化较大，并且空载时的车身加速度均方根值低频峰值与满载时相差较大，说明这两种悬架空载时平顺性较差，载荷适应性较差；而天棚惯容悬架和双天棚悬架在空载时的车身加速度均方根值低频峰值与传统被动悬架满载时接近，说明这两种悬架在空载时依然具有良好的平顺性，载荷适应性较好。因此，天棚惯容控制的悬架使车辆具有良好的载荷适应性，可以在空载时模拟满载工况。

综合图5～7可知，满载天棚阻尼悬架和空载双天棚悬架(模拟满载)的车身加速度均方根值低频峰值在三种悬架阻尼比下变化较小，并且和传统被动悬架满载时的偏频基本相当，说明这两种悬架在不同路况依然具有良好的平顺性。因此，天棚阻尼控制的悬架使车辆具有良好的路况适应性。

此外，相比空载时的传统被动悬架，独立型双天棚悬架的车身加速度均方根值低频峰值在三种悬架阻尼比下分别降低了43.7％、36.2％、38.6％，惯容主导关联型双天棚悬架分别降低了31.9％、21.3％、19.4％，阻尼主导关联型双天棚悬架分别降低了11％、7.9％、14.2％，说明双天棚悬架具有良好的载荷适应性；并且，相比空载时的天棚阻尼悬架，独立型双天棚悬架的车身加速度均方根值低频峰值在三种悬架阻尼比下分别降低了45.2％、36.4％、33.9％，惯容主导关联型双天棚悬架分别降低了33.6％、21.6％、13.2％，阻尼主导关联型双天棚悬架分别降低了13.3％、8.9％、7.7％，说明双天棚悬架具有良好的路况适应性。因此，天棚惯容和天棚阻尼协调控制时，双天棚悬架同时具有载荷适应性和路况适应性，平顺性较好。需要特别指出的是，独立型双天棚悬架控制效果最好，但是采用两套机构执行控制，工程布置所需空间更大，成本较高；惯容主导关联型和阻尼主导关联型双天棚悬架控制效果次之，但是只需一套机构执行控制，工程布置所需空间更小，成本低。

本发明提供了一种天棚惯容和天棚阻尼协调控制方法，以半主动的方式实现天棚惯容，其控制效果相当于增大了簧载质量，始终模拟满载工况，从而降低了车身偏频，提高了车辆在空载时的平顺性，使车辆具有更好的空、满载适应能力；同时模拟实现天棚阻尼，随路况动态调节阻尼，从而在不同路况下依然保持最佳悬架阻尼比，使车辆对路况具有更好的适应性。