汽車主動式電子液力懸架測試系統(tǒng)方法研究

張?zhí)烊A

摘 要：文章簡要介紹了汽車主動式電子液力懸架測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，以主動式電子液力懸架系統(tǒng)為研究對象，對電液懸架系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行了測試分析。用試驗測試手段來驗證CDC減震器的實際使用效果，對改進(jìn)和提高減振器的性能和研究汽車主動式電子液力懸架具有非?，F(xiàn)實的意義。

關(guān)鍵詞：汽車；主動式電子液力懸架；CDC減震器

引言

懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳動部件的總稱。汽車在行駛過程中，懸架的功用是把由于路面的顛簸而作用于車輪上的垂直反力（支撐力）、縱向力（牽引力和制動力）和側(cè)向力和這些力所產(chǎn)生的力矩傳遞給車身，并且緩和路面不平傳給車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由于沖擊引起的整個承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的正常行駛。汽車懸架的好壞對車輛的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、制動性和通過性等有著重要的影響，選擇優(yōu)質(zhì)的懸架可以保證汽車在不平路面和載荷變化時有理想的運動特性。電子液力式可調(diào)懸架也稱連續(xù)減震控制系統(tǒng)（CDC），它也是主動懸架的一種。這套系統(tǒng)可以獨立控制每個車輪的懸掛阻尼。其電子感應(yīng)器能根據(jù)讀取路況信息，適時對減震器作出調(diào)整，使之在軟硬間頻繁切換。從而更迅速準(zhǔn)確地控制車身的側(cè)傾、俯仰以及橫擺跳動。提高車輛高速行駛和過彎的穩(wěn)定性[1]。隨著人們生活水平的提高，對車輛整體性能要求也隨之提高，開發(fā)高性能的懸架系統(tǒng)勢在必行。所以，對汽車主動式電液懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究有十分重要的意義。

1 CDC主動懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電液主動懸架系統(tǒng)組成

電液主動懸架的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)主要由液壓缸、液壓泵、直流電機、控制器、蓄電池和彈簧組成[2]。其連接方式為平行安裝的液壓缸和彈簧與車身和車橋相連，液壓缸再與液壓泵通過液壓管路連接，液壓泵然后通過連軸器連接直流電機，直流電機再連接蓄電池，蓄電池和直流電機之間連接控制器。該電液主動懸架系統(tǒng)不采用液壓閥件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作范圍寬。其工作原理為：根據(jù)懸架系統(tǒng)的狀態(tài)反饋，通過控制直流電機的轉(zhuǎn)速和方向來調(diào)節(jié)定量泵的流量，從而控制液壓缸的阻尼力，實現(xiàn)整個懸架系統(tǒng)的主動控制[3]。

1-液壓缸；2-液壓泵；3-直流電機；4-控制器；5-蓄電池；6-彈簧

圖1 電液主動懸架裝置

1.2 CDC懸架減震系統(tǒng)原理

系統(tǒng)核心部件由中央控制單元、CDC減震器、車身加速度傳感器、車輪加速度傳感器以及CDC控制閥構(gòu)成，其中減震器是基于傳統(tǒng)的液壓減震器構(gòu)造，減震器內(nèi)注有油液，有內(nèi)外兩個腔室，油液可通過聯(lián)通兩個腔室間的孔隙流動，在車輪顛簸時，減振器內(nèi)的活塞便會在套筒內(nèi)上下移動，其腔內(nèi)的油液便在活塞的往復(fù)運動的作用下在兩個腔室間往返流動。油液分子間的相互摩擦以及油液與孔壁之間的摩擦對活塞的運動形成阻力，將震動的動能轉(zhuǎn)化為熱量，熱量通過減震器外殼散發(fā)到空氣中，這樣就實現(xiàn)了減震器過程[4]。

汽車行駛過程中，當(dāng)車輪受到地面沖擊而向上跳動時，懸架彈簧收縮并且吸收強大的能量，沖擊過后懸架彈簧通過伸張試圖釋放存儲的能量，從而使車身發(fā)生上下振動，減振器的功用就是通過對車身運動產(chǎn)生一定的阻尼力，使振動能量迅速消散、減小甚至消除車身的振動[5]。另外，在汽車轉(zhuǎn)彎行駛、緊急制動和緊急加速等行駛狀態(tài)下，汽車行駛姿勢發(fā)生變化，給汽車的行駛安全性和操縱穩(wěn)定性帶來不利影響，此時也可以通過改變減振器的阻尼力，使汽車保持穩(wěn)定的行駛姿勢。

2 電液主動懸架測試系統(tǒng)

2.1 測試系統(tǒng)的組成和原理

如圖2所示為主動懸架測試系統(tǒng)框圖，包括前后兩側(cè)懸架（含輪胎）、CDC電液控制部分（包含電子懸架控制模塊、CDC控制系統(tǒng)傳感器、車輪垂直加速度傳感器、車輪碰撞吸能執(zhí)行器、車輪速度傳感器、CDC電磁閥、帶阻尼調(diào)節(jié)執(zhí)行器的避震等）、駕駛員信息中心顯示屏、路況振動模擬裝置等。除上述相關(guān)器件之外，還包括四個 CDC減震器應(yīng)力檢測傳感器、上位機系統(tǒng)、四個減震器處的激勵電機及直線往復(fù)運動機構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。懸架控制模塊根據(jù)車速、方向盤位置、發(fā)動機扭矩、制動壓力、車身和前輪垂直加速度等因素控制阻尼力。懸架控制模塊估算這些輸入值，以單獨控制減振器，從而在盡可能最大范圍的運行條件下改善行駛平順性和舒適度。

圖2 電液主動懸架測試系統(tǒng)框圖

如系統(tǒng)框圖所示，在四輪減震器下部加裝交流電機，各電動機構(gòu)相互獨立，可以模擬各種復(fù)雜的震動。通過CDC采樣頻率來確定交流振動電機運動的頻率。然后通過數(shù)據(jù)采集卡向激勵變頻器發(fā)送往復(fù)頻率控制，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的模擬橫擺傳感器信號、車輪加速度傳感器、車身加速度傳感器檢測到的實車傳感器信號值傳遞到ECU控制器中，調(diào)制后的ECU電磁閥控制PWM信號又返回到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，再通過網(wǎng)絡(luò)交換機以以太網(wǎng)通訊的方式實現(xiàn)上位機和下位機之間的通訊，從而達(dá)到對CDC工況的模擬。

2.2 測試系統(tǒng)激振實現(xiàn)

CDC模擬路況裝置采用諧振式激勵設(shè)備，簡稱激振平臺，它是測試系統(tǒng)激振實現(xiàn)的重要部件。激振實現(xiàn)是通過激振平臺采用振動原理測量懸掛性能來實現(xiàn)的，裝置中的激勵電機采用交流電機驅(qū)動，每個電機均由獨立的變頻器控制，可以調(diào)節(jié)激勵的頻率，然后各測力傳感器將測得的對應(yīng)激勵電機的信號傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖3所示為激振實現(xiàn)系統(tǒng)框圖。該裝置有著無需制作地基、單輪承重力大、裝置選用的材料和制作工藝良好等優(yōu)點。

3 測試結(jié)果分析

本次測試通過在減震系統(tǒng)與激勵系統(tǒng)間加裝壓應(yīng)力傳感器來實時監(jiān)測CDC減震系統(tǒng)的軟硬，在CDC液壓電磁閥上加裝高靈敏度油壓變送器，用以檢測CDC執(zhí)行液壓機構(gòu)的動作特征。在與傳統(tǒng)懸架減震效果進(jìn)行對比時，通過斷開減震器控制單元與減震液壓電磁閥的連接，改由恒定電壓來控制電磁閥，以此將CDC減震器暫時轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)被動式懸架減震器。通過展現(xiàn)有CDC控制單元和無CDC控制單元時，減震壓應(yīng)力的變化來展現(xiàn)CDC與傳統(tǒng)懸架減震效果的對比。

由于CDC的采樣頻率為1000HZ（根據(jù)原廠資料），根據(jù)采樣定理，所需產(chǎn)生的激震上限為300-500HZ，通過常規(guī)的電機曲柄機構(gòu)即可完成該上限頻率的激震。單輪激勵振幅6mm（經(jīng)過實際現(xiàn)場測試，6mm的激勵傳遞到車輛時，引起的振動已經(jīng)十分明顯），前后輪總共四套激勵裝置。四個電動機構(gòu)相互獨立，可以模擬各種復(fù)雜的震動。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，向四個激勵變頻器發(fā)送往復(fù)頻率控制，從而達(dá)到對于CDC工況的模擬。經(jīng)過對整車懸架系統(tǒng)的諧振式掃頻測試，當(dāng)懸掛處于共振頻率時，對地面振動的吸收率最低，即人體感覺的振動最強烈的，而主動減震器懸架就能夠非常好的吸收共振頻率產(chǎn)生的振動，確保汽車振動平穩(wěn)，接觸力變化曲線如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5所示，在橫坐標(biāo)為1500處，激振頻率約為30HZ，此時為懸架的共振頻率階段，在主動懸架起作用時，可以很好的吸收振動力，在主動懸架未起作用時，此階段的懸架吸收效率較低。

4 結(jié)束語

文章從總體上描述了主動式電液懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和減震系統(tǒng)原理，并對測試系統(tǒng)和激振實現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，然后以電子液力懸架與傳統(tǒng)懸架作對比來進(jìn)行實車仿真測試，逐步證實了主動式電液懸架在車輛行駛過程中的行駛平順性和操作穩(wěn)定性。

對于主動式液力懸架系統(tǒng)，能實時的改變液力懸架的油壓差，以及實時的調(diào)整減振器的阻尼，從而保證行駛的安全性和舒適性，當(dāng)汽車在高速行駛時懸架會自動變硬，提高車身穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)退傩旭倳r，懸架會變軟降低振動提高舒適性，這些都是汽車技術(shù)高速發(fā)展的必然要求。通過對汽車懸架系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)研究，有力地推動了主動懸架在汽車上應(yīng)用的進(jìn)程，可望進(jìn)一步通過實車測試來驗證主動式液力懸架電控系統(tǒng)的有效性，并逐步實現(xiàn)產(chǎn)品化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，主動懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵問題必將得到滿意解決，主動懸架的發(fā)展方向，并且必將向更加節(jié)能、更加環(huán)保的方向發(fā)展。

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