汽車主動(dòng)式電子液力懸架測(cè)試系統(tǒng)方法研究

張?zhí)烊A

摘 要：文章簡(jiǎn)要介紹了汽車主動(dòng)式電子液力懸架測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理，以主動(dòng)式電子液力懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)電液懸架系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)試分析。用試驗(yàn)測(cè)試手段來(lái)驗(yàn)證CDC減震器的實(shí)際使用效果，對(duì)改進(jìn)和提高減振器的性能和研究汽車主動(dòng)式電子液力懸架具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

關(guān)鍵詞：汽車；主動(dòng)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(dòng)部件的總稱。汽車在行駛過(guò)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(dòng)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(gè)承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的正常行駛。汽車懸架的好壞對(duì)車輛的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性和通過(guò)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(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)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(dòng)懸架的一種。這套系統(tǒng)可以獨(dú)立控制每個(gè)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(shí)對(duì)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(dòng)。提高車輛高速行駛和過(guò)彎的穩(wěn)定性[1]。隨著人們生活水平的提高，對(duì)車輛整體性能要求也隨之提高，開(kāi)發(fā)高性能的懸架系統(tǒng)勢(shì)在必行。所以，對(duì)汽車主動(dòng)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(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電液主動(dòng)懸架系統(tǒng)組成

電液主動(dòng)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(jī)、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(guò)液壓管路連接，液壓泵然后通過(guò)連軸器連接直流電機(jī)，直流電機(jī)再連接蓄電池，蓄電池和直流電機(jī)之間連接控制器。該電液主動(dòng)懸架系統(tǒng)不采用液壓閥件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向來(lái)調(diào)節(jié)定量泵的流量，從而控制液壓缸的阻尼力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)懸架系統(tǒng)的主動(dòng)控制[3]。

1-液壓缸；2-液壓泵；3-直流電機(jī)；4-控制器；5-蓄電池；6-彈簧

圖1 電液主動(dòng)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(gè)腔室，油液可通過(guò)聯(lián)通兩個(gè)腔室間的孔隙流動(dòng)，在車輪顛簸時(shí)，減振器內(nèi)的活塞便會(huì)在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，其腔內(nèi)的油液便在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的作用下在兩個(gè)腔室間往返流動(dòng)。油液分子間的相互摩擦以及油液與孔壁之間的摩擦對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)形成阻力，將震動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量，熱量通過(guò)減震器外殼散發(fā)到空氣中，這樣就實(shí)現(xiàn)了減震器過(guò)程[4]。

汽車行駛過(guò)程中，當(dāng)車輪受到地面沖擊而向上跳動(dòng)時(shí)，懸架彈簧收縮并且吸收強(qiáng)大的能量，沖擊過(guò)后懸架彈簧通過(guò)伸張?jiān)噲D釋放存儲(chǔ)的能量，從而使車身發(fā)生上下振動(dòng)，減振器的功用就是通過(guò)對(duì)車身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻尼力，使振動(dòng)能量迅速消散、減小甚至消除車身的振動(dòng)[5]。另外，在汽車轉(zhuǎn)彎行駛、緊急制動(dòng)和緊急加速等行駛狀態(tài)下，汽車行駛姿勢(shì)發(fā)生變化，給汽車的行駛安全性和操縱穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響，此時(shí)也可以通過(guò)改變減振器的阻尼力，使汽車保持穩(wěn)定的行駛姿勢(shì)。

2 電液主動(dòng)懸架測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的組成和原理

如圖2所示為主動(dòng)懸架測(cè)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(dòng)模擬裝置等。除上述相關(guān)器件之外，還包括四個(gè) CDC減震器應(yīng)力檢測(cè)傳感器、上位機(jī)系統(tǒng)、四個(gè)減震器處的激勵(lì)電機(jī)及直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)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(pán)位置、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、制動(dòng)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(dú)控制減振器，從而在盡可能最大范圍的運(yùn)行條件下改善行駛平順性和舒適度。

圖2 電液主動(dòng)懸架測(cè)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(jī)，各電動(dòng)機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，可以模擬各種復(fù)雜的震動(dòng)。通過(guò)CDC采樣頻率來(lái)確定交流振動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的頻率。然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡向激勵(lì)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(hào)、車輪加速度傳感器、車身加速度傳感器檢測(cè)到的實(shí)車傳感器信號(hào)值傳遞到ECU控制器中，調(diào)制后的ECU電磁閥控制PWM信號(hào)又返回到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以以太網(wǎng)通訊的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊，從而達(dá)到對(duì)CDC工況的模擬。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)激振實(shí)現(xiàn)

CDC模擬路況裝置采用諧振式激勵(lì)設(shè)備，簡(jiǎn)稱激振平臺(tái)，它是測(cè)試系統(tǒng)激振實(shí)現(xiàn)的重要部件。激振實(shí)現(xiàn)是通過(guò)激振平臺(tái)采用振動(dòng)原理測(cè)量懸掛性能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，裝置中的激勵(lì)電機(jī)采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)均由獨(dú)立的變頻器控制，可以調(diào)節(jié)激勵(lì)的頻率，然后各測(cè)力傳感器將測(cè)得的對(duì)應(yīng)激勵(lì)電機(jī)的信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖3所示為激振實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖。該裝置有著無(wú)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(diǎn)。

3 測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試通過(guò)在減震系統(tǒng)與激勵(lì)系統(tǒng)間加裝壓應(yīng)力傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)CDC執(zhí)行液壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特征。在與傳統(tǒng)懸架減震效果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，通過(guò)斷開(kāi)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(lái)控制電磁閥，以此將CDC減震器暫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)被動(dòng)式懸架減震器。通過(guò)展現(xiàn)有CDC控制單元和無(wú)CDC控制單元時(shí)，減震壓應(yīng)力的變化來(lái)展現(xiàn)CDC與傳統(tǒng)懸架減震效果的對(duì)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(guò)常規(guī)的電機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)即可完成該上限頻率的激震。單輪激勵(lì)振幅6mm（經(jīng)過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，6mm的激勵(lì)傳遞到車輛時(shí)，引起的振動(dòng)已經(jīng)十分明顯），前后輪總共四套激勵(lì)裝置。四個(gè)電動(dòng)機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，可以模擬各種復(fù)雜的震動(dòng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，向四個(gè)激勵(lì)變頻器發(fā)送往復(fù)頻率控制，從而達(dá)到對(duì)于CDC工況的模擬。經(jīng)過(guò)對(duì)整車懸架系統(tǒng)的諧振式掃頻測(cè)試，當(dāng)懸掛處于共振頻率時(shí)，對(duì)地面振動(dòng)的吸收率最低，即人體感覺(jué)的振動(dòng)最強(qiáng)烈的，而主動(dòng)減震器懸架就能夠非常好的吸收共振頻率產(chǎn)生的振動(dòng)，確保汽車振動(dòng)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(shí)為懸架的共振頻率階段，在主動(dòng)懸架起作用時(shí)，可以很好的吸收振動(dòng)力，在主動(dòng)懸架未起作用時(shí)，此階段的懸架吸收效率較低。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章從總體上描述了主動(dòng)式電液懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和減震系統(tǒng)原理，并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和激振實(shí)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(duì)比來(lái)進(jìn)行實(shí)車仿真測(cè)試，逐步證實(shí)了主動(dòng)式電液懸架在車輛行駛過(guò)程中的行駛平順性和操作穩(wěn)定性。

對(duì)于主動(dòng)式液力懸架系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)的改變液力懸架的油壓差，以及實(shí)時(shí)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(shí)懸架會(huì)自動(dòng)變硬，提高車身穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)退傩旭倳r(shí)，懸架會(huì)變軟降低振動(dòng)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(guò)對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)研究，有力地推動(dòng)了主動(dòng)懸架在汽車上應(yīng)用的進(jìn)程，可望進(jìn)一步通過(guò)實(shí)車測(cè)試來(lái)驗(yàn)證主動(dòng)式液力懸架電控系統(tǒng)的有效性，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，主動(dòng)懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題必將得到滿意解決，主動(dòng)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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