旋转轴阀门控制式空气弹簧及其控制方法与流程

本发明属于车辆悬架系统技术，具体涉及一种旋转轴阀门控制式空气弹簧及其控制方法。

背景技术：

空气弹簧利用空气的可压缩性实现其弹性作用，能缓和冲击、刚度随气压变化等特点，应用于车辆悬架具有偏频低、车身高度不随载荷变化等优点。由于车辆工况和道路环境复杂，能够主动调节功能的空气弹簧比普通空气弹簧更能适应整车性能要求，如何开发能主动控制的空气弹簧结构及其控制方法受到广大工程技术人员的广泛关注，比较常见的方法是通过改变空气弹簧工作容积来调控空气弹簧的力学特性。

譬如，专利(专利号：ZL205112913U)提出了空气弹簧外置三种不同容积的附加气室，每个附加气室与空气弹簧主气室分别通过三个电磁阀实现开关通断，将三种不同容积的附加气室依次组合，从而实现空气悬架的多级刚度调节。其不足之处是：附加气室结构较为复杂，空间占有量大，成本高，因附加气室外接管路较长且复杂，由于管路的节流作用使得空气弹簧工作容积难以快速改变，导致调节周期长。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种旋转轴阀门控制式空气弹簧及其控制方法，使得空气弹簧悬架性能能够主动跟踪整车性能要求变化，进一步提高车辆动态行驶品质，且具有结构紧凑、维修方便等特点。

技术方案：本发明一种旋转轴阀门控制式空气弹簧，包括上盖板、橡胶气囊、执行机构和下底座，所述上盖板、橡胶气囊和下底座从上往下依次设置连接，其中，橡胶气囊的上封口连接于上盖板的上封口连接面，橡胶气囊的下封口连接于下底座的下封口连接面；所述下底座上横向设置有第一隔板，上盖板、橡胶气囊内壁和第一隔板上表面组成空气弹簧主气室，下底座内第一隔板下方分设有有第一副气室和第二副气室，且第一副气室和第二副气室为同轴线圆柱体；第一隔板上开有第一阀座孔和第二阀座孔，第一副气室和第二副气室分别通过第一阀座孔和第二阀座孔与主气室相通；下底座内中部竖直设置有中空套筒，中空套筒中穿有执行机构，执行机构的顶端设有T型旋转轴；所述T型旋转轴上设置有可落于第一阀座孔和第二阀座孔的阀片；第一阀座孔和第二阀座孔的开启或关闭由T型旋转轴控制，从而使得空气弹簧工作容积可以在V、2V、3V和4V间切换。

进一步的，所述下底座整体呈三层圆台结构，最上层为与橡胶气囊连接的连接层，中间层为橡胶气囊的工作层，最下层为第一副气室和第二副气室；三层圆台的直径从上往下依次增大。

进一步的，所述第一副气室和第二副气室的容积比为1:2，第一副气室和第二副气室之间竖直设有第二隔板，且第一阀座孔和第二阀座孔的孔径相等，两个阀座孔中距与两阀片的中心距相等，两个阀座孔中心与中空套筒中心在同一条直线上。

进一步的，所述执行机构包括步进电机、联轴器、传动轴和T型旋转轴，传动轴上端连接于T型旋转轴，传动轴下端通过联轴器与步进电机连接，联轴器上安装有电磁锁止装置；在空气弹簧不调节时，电磁锁止装置锁住传动轴，防止其转动；而需要调节时，电磁锁止装置先解锁，步进电机驱动传动轴旋转并转动到目标位置后，电磁锁止装置再次锁住。

进一步的，所述T型旋转轴包括第一轴、第二轴和第三轴，第一轴、第二轴和第三轴均连接于回转中心且三者相互呈90°夹角，且第一轴、第二轴和第三轴的末端分别安装有第一阀片、第二阀片和第三阀片；三个阀片的中心距于两个阀座孔的中心距；工作时，步进电机驱动联轴器使得T型转动轴旋转，初始位置，T型旋转轴为0度，第一阀片和第三阀片分别落在于第一阀座孔和第二阀座孔上，此时空气弹簧工作容积为V；T型旋转轴从初始位置顺时针转动90度后，第二阀片落在于第二阀座孔而第一阀座孔开启，此时空气弹簧工作容积为2V；T型旋转轴从初始位置逆时针转动90度后，第二阀片落在于第一阀座孔而第二阀座孔开启，此时空气弹簧工作容积为3V；T型旋转轴从初始位置逆时针转动45度后，第一阀座孔和第二阀座孔均开启，此时空气弹簧工作容积为4V。

本发明还公开了一种旋转轴阀门控制式空气弹簧的控制方法，依次包括以下步骤：

(1)应用拉格朗日方程法建立含上述空气弹簧的悬架车辆系统动力学模型及路面模型，并转化成状态空间表征，通过实验测试上述空气弹簧的力学特性随工作容积的关系，应用最小二乘法拟合成曲线族；

(2)根据步骤(1)建立的悬架车辆系统动力学模型，应用MATLAB/Simulink软件建立悬架车辆系统仿真模型，并且进行仿真和实车测试，分析比较相同条件下的仿真结果和实车实验结果，以此修正车辆系统动力学模型并验证其正确性；

(3)构建空气弹簧悬架控制策略：悬架控制的目标是在满足车辆操纵稳定性的前提下提高乘坐舒适性，选择车身垂向加速度、轮胎动载荷和悬架动行程三者加权之和为目标函数J值，目标函数越小，说明悬架系统的控制品质越好；为了使目标函数J值最小，需要合适的车身垂向加速度、轮胎动载荷和悬架动行程，而这三个参数受空气弹簧刚度影响，而弹簧刚度又受其工作容积影响，工作容积是通过执行机构的T型旋转轴来决定的，算法的任务就是寻找到相应的T型旋转轴的位置角度值；将目标函数的倒数作为抗体的亲和力、问题的解(T型旋转轴的旋转方向和位置角度)作为抗体；将抗体采用二进制编码，每个抗体有2个基因段构成；其中，角度值对应抗体所在字符串的低位编码；旋转方向对应抗体所在字符串的高位编码，应用免疫克隆算法求解T型旋转轴的位置角度值，具体求解步骤有抗体初始化、亲和力计算、抗体选择、抗体克隆、抗体变异、抗体选择、抗体记忆、判断是否满足进化代数和终止种群进化过程等，抗体解码为相应T型旋转轴的旋转方向和位置角度值；

(4)根据车辆技术参数、步骤(1)的空气弹簧外特性、步骤(2)的车辆系统模型和步骤(3)的免疫克隆算法，应用C语言编写成控制软件，控制软件经过离线仿真、在线仿真和实车标定后下载到悬架控制器存储器中；

(5)车辆启动行驶后，悬架控制器根据车辆行驶速度、悬架动行程和车身垂向加速度等信号，应用步骤(4)控制软件进行计算、判断和决策，实时调控T型旋转轴，使得空气弹簧满足车辆性能要求始终，并且一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直到车辆停止发动机熄火为止。

有益效果：在悬架控制器的调控下，本发明的空气弹簧工作容积能跟随整车性能要求进行变化，在满足车辆操纵稳定性前提下，可以提高车辆乘坐舒适性。另外，本发明的空气弹簧结构简单，安装空间小，成本低，出现故障后便于维修。

附图说明

图1本发明的整体结构图；

图2为本发明中下底座结构图；

图3为本发明中机构执行结构图；

图4为本发明中T型旋转轴的示意图；

图5为本发明中免疫克隆算法流程图；

图6为本发明中悬架控制器的控制软件开发流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明一种旋转轴阀门控制式空气弹簧，包括上盖板1、橡胶气囊4、执行机构和下底座5，上盖板1、橡胶气囊4和下底座5从上往下依次设置连接，其中，橡胶气囊4的上封口连接于上盖板1的上封口连接面，橡胶气囊4的下封口连接于下底座5的下封口连接面；下底座5上横向设置有第一隔板6，上盖板1、橡胶气囊4内壁和第一隔板6上表面组成空主气室8，下底座5内第一隔板6下方分设有第一副气室9和第二副气室10，第一隔板6上开有第一阀座孔7和第二阀座孔18，第一副气室9和第二副气室10分别通过第一阀座孔7和第二阀座孔18与主气室8相通；下底座5内中部竖直设置有中空套筒13，中空套筒13中穿有执行机构，执行机构的顶端设有T型旋转轴11；T型旋转轴11上设置有可落于第一阀座孔7和第二阀座孔18的阀片；第一阀座孔7和第二阀座孔18的开启或关闭由T型旋转轴11控制，从而使得空气弹簧工作容积可以在V、2V、3V和4V间切换。其中，上盖板1通过螺栓3固定于车辆，橡胶气囊4上设有气体通道2穿过上盖板1。

如图2所示，下底座5整体呈三层圆台结构，最上层为与橡胶气囊4连接的连接层51，中间层为橡胶气囊4的工作层52，最下层为第一副气室9和第二副气室10；三层圆台的直径从上往下依次增大；第一副气室9和第二副气室10的容积比为1:2，第一副气室9和第二副气室10之间竖直设有第二隔板19，且第一阀座孔7和第二阀座孔18的孔径相等，两个阀座孔中心到第二隔板19中心的距离相等，阀座中心与中空套筒中心在同一条直线上。第二阀座孔18上设有气管20，气管20连通于第二副气室10。

如图3和图4所示，执行机构包括步进电机15、联轴器14、传动轴12和T型旋转轴11，传动轴12上端连接于T型旋转轴11，传动轴12下端通过联轴器14与步进电机15连接，联轴器14上安装有电磁锁止装置17；在空气弹簧不调节时，电磁锁止装置17锁住传动轴12，防止其转动；而需要调节时，电磁锁止装置先解锁，步进电机15驱动传动轴12旋转并转动到目标位置后，电磁锁止装置17再次锁住。

T型旋转轴11包括第一轴111、第二轴112和第三轴113，第一轴111、第二轴112和第三轴113均连接于回转中心117且三者相互呈90°夹角，且第一轴111、第二轴112和第三轴113的末端分别安装有第一阀片114、第二阀片115和第三阀片116；三个阀片的中心到回转中心117的距离等于两个阀座孔的中心到回转中心117的距离；工作时，步进电机15驱动联轴器14使得转动轴旋转，初始位置，T型旋转轴11为0度，第一阀片和第三阀片分别落在于第一阀座孔7和第二阀座孔18上，此时空气弹簧工作容积为V；T型旋转轴11从初始位置顺时针转动90度后，第二阀片落在于第二阀座孔18而第一阀座孔7开启，此时空气弹簧工作容积为2V；T型旋转轴11从初始位置逆时针转动90度后，第二阀片落在于第一阀座孔7而第二阀座孔18开启，此时空气弹簧工作容积为3V；T型旋转轴11从初始位置逆时针转动45度后，第一阀座孔7和第二阀座孔18均开启，此时空气弹簧工作容积为4V。

如图5和图6所示，本发明还公开了一种旋转轴阀门控制式空气弹簧的控制方法，依次包括以下步骤：

(1)应用拉格朗日方程法建立含上述空气弹簧的悬架车辆系统动力学模型及路面模型，并转化成状态空间表征，通过实验测试上述空气弹簧的力学特性随工作容积的关系，应用最小二乘法拟合成曲线族；

(2)根据步骤(1)建立的悬架车辆系统动力学模型，应用MATLAB/Simulink软件建立悬架车辆系统仿真模型，并且进行仿真和实车测试，分析比较相同条件下的仿真结果和实车实验结果，以此修正车辆系统动力学模型并验证其正确性；

(3)构建空气弹簧悬架控制策略：将车身垂向加速度、轮胎动载荷和悬架动行程三者加权之和作为目标函数J值，问题的解作为抗体，目标函数的倒数作为抗体的亲和力，问题的解即是T型旋转轴11的旋转方向和位置角度；然后将抗体采用二进制编码，每个抗体有2个基因段构成；其中，位置角度值对应抗体所在字符串的低位编码，旋转方向对应抗体所在字符串的高位编码，应用免疫克隆算法求解T型旋转轴11的位置角度值，具体求解步骤有抗体初始化、亲和力计算、抗体选择、抗体克隆、抗体变异、抗体选择、抗体记忆、判断是否满足进化代数和终止种群进化过程等，抗体解码为相应T型旋转轴11的旋转方向和位置角度值；

(4)根据车辆技术参数、步骤(1)的空气弹簧外特性、步骤(2)的车辆系统模型和步骤(3)的免疫克隆算法，应用C语言编写成控制软件，控制软件经过离线仿真、在线仿真和实车标定后下载到悬架控制器存储器中；

(5)将上述空气弹簧分别安装于车辆左前悬架、右前悬架、左后悬架和右后悬架上，并将其步进电机15控制线连接悬架控制器的信号输出端，而其信号输入端通过信号线分别与车速传感器、车身垂向加速度传感器和悬架动行程传感器相连。车辆启动行驶后，悬架控制器根据车辆行驶速度、悬架动行程和车身垂向加速度等信号，应用步骤(4)控制软件进行计算、判断和决策，实时调控T型旋转轴11，使得空气弹簧满足车辆性能要求始终，并且一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直到车辆停止发动机熄火为止。

上述步骤(3)中，为求出与车辆状态相适应的T型旋转轴11阀门位置角度，所述免疫克隆算法的具体流程为：

(31)抗体初始化：采用二进制编码，每个抗体由2段基因构成，其中高位段为T型轴旋转方向、低位段为其方位角；随机生成抗体群Ab_set(m)，将该抗体群作为记忆抗体群，确定抗体中2段基因变量的范围，种群内抗体个数Ab_size，抗体编码长度Ab_len；

(32)亲和力计算：计算记忆抗体群Ab_set(m)中每个抗体亲和力，亲和力取车辆综合性能指标倒数，抗体亲和力越大，车辆综合性能指标的数值越小，悬架控制效果越好；

(33)抗体选择：按照一定的概率P_r(例如0.3)选择亲和力高的抗体形成一个临时抗体群Ab_set(r)；

(34)抗体克隆：将临时抗体群Ab_set(r)中的抗体进行克隆，抗体i克隆算子为

Ab_clone_num(i)＝round(αP_r)

式中，Ab_clone_num(i)是抗体i克隆数量，α是一个权因子，P_r是概率，round()是朝向最接近整数的自变量算子，更新临时抗体群Ab_set(r)；

(35)抗体变异：将选择前的记忆抗体群Ab_set(m)进行多点变异，变异率为P_m(例如0.6)，更新记忆抗体群Ab_set(m)；

(36)抗体更新：记忆抗体群Ab_set(m)和临时抗体群Ab_set(r)构成新抗体群Ab_set，重新计算新抗体群中每个抗体的亲和力，选择亲和力高的Ab_sizexP_r个抗体更新临时抗体集Ab_set(r)，选择亲和力高Ab_size个抗体，更新记忆抗体群Ab_set(m)；

(37)抗体记忆：将更新后的临时抗体集Ab_set(r)中抗体作为免疫记忆细胞，参与二次免疫应答的克隆过程，将更新后的记忆抗体群Ab_set(r)中抗体作为免疫记忆细胞，参与二次免疫应答的变异过程；

(38)判断进化代数是否满足条件：总代数赋值给进化代数，每进化一代对进化代数减少1，若进化代数不为0，转向步骤(32)；当进化代数为0，转向步骤(39)；

(39)终止种群进化过程，此时免疫细胞的新抗体群中亲和力最高的抗体即为所求。抗体解码为相应的T型旋转轴11阀门角度位置。