基于新型減振支柱的半主動懸架特性研究

江浩斌,盛立志,張　云,張孝良

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

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基于新型減振支柱的半主動懸架特性研究

江浩斌,盛立志,張云,張孝良

(江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇鎮江212013)

摘要：為了解決傳統半主動懸架減振器有限的阻尼調節范圍很難滿足所有控制策略要求的問題，提出了剛度和阻尼偶聯可調的一體式懸架減振支柱結構。介紹了該減振支柱的結構組成、阻尼和剛度的調節原理與耦合關系，分析了新型減振支柱的非線性剛度和阻尼特性。建立了采用新型減振支柱的二自由度半主動懸架系統模型，運用MATLAB/SIMULINK對半主動懸架模型進行仿真計算。根據仿真結果得到了路面條件、車速、懸架阻尼和空氣彈簧初始氣壓對半主動懸架性能的影響規律。仿真結果顯示：在三種典型路面和車速工況下，當減振器的阻尼狀態為“高”、空氣彈簧的初始氣壓為0.4 MPa時，半主動懸架的車身加速度、輪胎動載荷和懸架動行程分別比原車被動懸架至少降低6%、10%和18%。表明采用新型減振支柱的半主動懸架可以根據車輛行駛工況，對減振支柱的剛度特性和阻尼特性進行匹配，實現降低車身加速度、輪胎動載荷和懸架動行程的目標，從而改善車輛行駛平順性、行駛安全性以及機動性。

關鍵詞：新型減振支柱；非線性剛度；非線性阻尼；半主動懸架；性能仿真

0引言

近年來，主動懸架和半主動懸架技術在多方面快速發展，其中一體式減振支柱的空氣彈簧與減振器采用了同軸一體的緊湊結構，在國外的許多高檔乘用車的電控懸架上得到廣泛應用，這類電控懸架中，分別采用不同的兩套裝置對其中的空氣彈簧剛度和減振器阻尼進行單獨控制，實現剛度和阻尼的可調節。文獻[1]以豐田公司LS600h轎車中的一體式減振支柱為例，對其中空氣彈簧與減振器的耦合作用力進行了理論分析，并通過試驗對一體式減振支柱的靜剛度特性進行了研究。文獻[2-5]對剛度和阻尼偶聯可調的一體式減振支柱的結構特點、調節原理、建模方法及剛度和阻尼特性進行了研究，研究結果顯示了這種新型減振支柱具有良好的減振性能和一定的魯棒性。

新型一體式減振支柱的剛度特性和阻尼特性均呈明顯的非線性，由于特殊的雙氣室結構使其剛度特性與傳統的空氣彈簧的剛度特性有較大不同，新型一體式減振支柱在性能上和傳統阻尼可調式半主動懸架存在差異，因此本文在文獻[2-5]的研究基礎上，針對新型一體式減振支柱非線性的剛度特性和阻尼特性，采用不同初始氣壓空氣彈簧和不同阻尼檔位進行匹配[6-9]的方法，對可調式一體式減振支柱的半主動懸架系統性能及其剛度、阻尼的匹配規律進行研究，為掌握該減振支柱在整車半主動懸架系統中的控制方法奠定基礎。

1新型一體式減振支柱的結構組成及調節原理

新型一體式減振支柱采用了空氣彈簧和單筒液壓減振器同軸一體的組成結構，單筒液壓減振器被空氣彈簧包裹在其中，如圖1所示[3-4]。

1.電機; 2.保持架; 3.上密封板; 4.橡膠氣囊; 5.氣囊支架; 6.氣嘴; 7.柱塞; 8.支承座; 9.浮動活塞;

空氣彈簧的剛度主要與氣囊初始充氣壓力有關，減振器的阻尼狀態由電機驅動的調節機構在高、中、低三種狀態之間變化，調節原理如圖2所示[4]。通氣口H將位于減振器浮動活塞與底座之間的浮動氣室與空氣彈簧的主氣室聯系起來，使空氣彈簧與液壓減振器建立動力學聯系，使減振支柱的剛度和阻尼可以聯動變化。通氣口H的開閉與浮動活塞上的柱塞振幅有關，當懸架振動時，隨著浮動活塞振幅的變化，通氣口H具有三種狀態：全開、部分開、關閉，如圖3所示。

(a) 低檔阻尼狀態

(a) 通氣口全開

圖4　一體式減振支柱的簡化力學模型Fig.4　Simplified mechanical model of integrated shock strut

空氣彈簧和減振器是采用同軸一體式結構并通過浮動氣室來建立聯動耦合關系的。由圖1可知，浮動活塞9將油缸筒內的液壓油與空氣隔開，并與支承座8及油缸筒13構成浮動氣室。外筒12與油缸筒13則構成容積不變的氣道，并在外筒上端開設通氣孔B從而使主氣室與浮動氣室連通。因此新型減振支柱的主氣室和減振器內的浮動氣室可以等效成兩個并聯的空氣彈簧，圖4是研究減振支柱氣液力耦合關系的一體式減振支柱的簡化力學模型。

當活塞壓縮及拉伸運動時，受到上、下腔油液壓差的影響，上、下面壓力不同而產生阻尼力，下腔油壓P3在浮動活塞的作用下，與浮動氣室中空氣壓強P2始終保持動平衡，并且浮動氣室通過節氣孔中的氣體流動進而對主氣室空氣壓強P1產生影響，從而影響空氣彈簧的剛度和彈性力。同理可以推導，主氣室氣體壓強P1也通過浮動氣室、浮動活塞等結構對減振器油腔壓力和上、下腔油液壓差產生影響，進而影響活塞上下運動時受到的阻尼力。同時，通氣口H的開啟程度對減振支柱的剛度有一定影響。減振支柱的阻尼狀態變化會影響懸架的振幅，間接地影響浮動活塞的振幅和通氣口H的開啟程度。因此，減振支柱的彈性力與阻尼力之間具有較強的耦合關系。

該減振支柱在半主動懸架系統工作過程中，可以將由系統參數匹配不當、系統非線性、控制時滯、外界干擾等引起的內部動力學沖突轉化為浮動活塞的自調整運動，經空氣和油液吸收衰減后迅速達到平衡，因此具有良好的魯棒性。此外，當懸架大幅度振動時，通氣口H完全關閉，浮動氣室剛度迅速變大，使懸架能夠承受一定的沖擊，同時對減振器起到壓縮限位保護作用。

2新型減振支柱的特性分析

通過仿真和試驗驗證，得到某輕型車后懸架新型減振支柱的剛度特性和阻尼特性如圖5所示[3-6]。

(a) 三種初始充氣壓力下的減振支柱剛度特性

(b) 三種阻尼狀態下的阻尼力—速度特性

(c) 三種阻尼狀態下的示功圖

(初始充氣壓力=0.5 MPa)

圖5新型減振支柱的工作特性

Fig.5The operating characteristics of the new strut

由圖5(a)、(b)可見，新型減振支柱的剛度與阻尼特性具有明顯的非線性特點。當減振器壓縮行程小于20 mm(即位移大于-20 mm)時，減振支柱的剛度平緩增加;當減振器壓縮行程達到20 mm(即位移等于-20 mm)時，減振支柱的剛度突增10 kN/m，并在之后的壓縮過程中持續增大，這是由于通氣口H(如圖3)完全關閉，減振支柱雙氣室空氣彈簧的結構發生改變，造成剛度突然的增大，可以避免惡劣路況下的懸架擊穿。圖5(c)中在初始氣壓為0.5 MPa時，使用不同阻尼狀態下的示功圖傾斜程度有所差異，說明減振支柱不同阻尼檔位會對其剛度產生相應的影響，二者之間具有聯動關系。

3基于新型一體式減振支柱的半主動懸架性能仿真與分析

圖6　1/4車輛二自由度半主動懸架模型Fig.6　Two degrees of freedom model of semi-active suspension vehicle 1/4

基于所設計的新型一體式減振支柱，建立1/4車輛半主動懸架系統模型[7-9]，該模型為二自由度，如圖6所示。

根據牛頓第二定律，半主動懸架系統的動力學微分方程[10-12]為：

(1)

為研究在不同行駛工況下的半主動懸架系統性能，選擇了B、C、D級三種路面和80 km/h、60 km/h、40 km/h三種車速工況，考慮了三種空氣彈簧的初始充氣壓力：0.4 MPa，0.5 MPa, 0.6 MPa。懸架模型中的主要參數如表1所示。

表1　懸架模型主要參數

由于新型減振支柱的空氣彈簧與減振器之間具有動力學耦合關系，剛度和阻尼均有較強的非線性[13-15]，用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真時，不能采用與線性懸架相同的方式直接求解式(1)。因此，先將減振支柱的剛度和阻尼特性曲線進行分段線性化處理，然后搭建減振支柱的作用力模塊，以簧載質量質心處的垂直位移和垂直速度為輸入，以減振支柱的總成作用力為輸出，最后與積分白噪聲模塊(路面輸入)和1/4懸架系統模塊聯合完成求解。通過計算，得到該懸架系統在典型工況下的車身加速度、懸架動行程及輪胎動載荷。

由圖7可以看出，在C級路面60 km/h工況下，空氣彈簧初始氣壓為0.4 MPa與減振器各阻尼狀態的匹配方案在各頻率下都有良好的性能，其中與低阻尼匹配時的性能最佳；使用其他組合匹配時在0～2.5 Hz時會出現比原懸架性能稍差，在其他頻段都能很好的提高車輛的行駛平順性。

(a) 低檔阻尼時使用不同初始氣壓空氣彈簧仿真曲線

(b) 0.4 MPa初始氣壓下使用不同檔位阻尼仿真曲線

圖7C級路面60 km·h-1工況下各剛度阻尼匹配時車身加速度功率譜密度仿真曲線

Fig.7C-class road 60 km·h-1conditions of each match rigidity damping body

acceleration power spectral density of the simulation curves

通過對比圖8中C級路面60 km/h工況下各剛度阻尼匹配時車身加速度可以發現，在各檔位阻尼下，減振支柱氣囊初始氣壓越小，車身加速度越小，效果越好。對各剛度阻尼匹配時車身加速度的均方根值進行求解，在C級路面60 km/h工況下，使用低檔位阻尼、初始氣壓為0.4 MPa的空氣彈簧時改善車身加速度的效果最好，與原懸架相比加速度均方根值減少了12.4%。

(a) 低檔阻尼

(b)中檔阻尼

(c)高檔阻尼

表2是在C級路面60 km/h的工況下，半主動懸架與原車被動懸架的三個主要性能指標均方根值的仿真結果對比。由表2可以看出,路面條件、車速、懸架阻尼和空氣彈簧初始氣壓對半主動懸架性能的影響規律：①在相同的路面和車速情況下，車身加速度隨懸架阻尼和空氣彈簧初始氣壓的提高而增大;輪胎動載荷隨懸架阻尼提高而降低、隨空氣彈簧初始氣壓的提高而增大;懸架動行程隨懸架阻尼和空氣彈簧初始氣壓的提高而降低。②在減振支柱空氣彈簧初始氣壓和阻尼檔位不變的情況下，當路面條件惡化，即路面不平度增大時，車身加速度、輪胎動載荷和懸架動行程均逐漸增大。

表2　三種典型工況下不同匹配下的性能指標

針對不同行駛工況，要有選擇性的提高車輛不同性能。對于B級路面80 km/h，要在保證行駛平順性的同時兼顧操縱穩定性和車身穩定性；對于C級路面60 km/h，在改善行駛平順性的同時兼顧操縱穩定性和對路面的友好性；對于D級路面40 km/h，路面不平度較大，在盡量調節行駛平順性的同時要考慮道路友好性。

綜合比較表2中半主動懸架與原車被動懸架在C級路面60 km/h的工況下車身加速度、輪胎動載荷和懸架動行程這三項性能指標，可以看出，在C級路面60 km/h的工況下，使用阻尼狀態為“高”、初始氣壓為0.4 MPa的匹配模式時，半主動懸架的三項性能指標均優于原車被動懸架，其中，車身加速度降低6%以上，輪胎動載荷降低12%以上，懸架動行程降低29%以上。通過同樣的方法,根據不同工況的行駛需求,可以得出三種典型工況下剛度和阻尼良好匹配的新型一體式懸架減振支柱，其中，在B級路面80 km/h的工況下，選擇阻尼狀態為“高”、初始氣壓為0.4 MPa的匹配模式，在D級路面40 km/h的工況下，選擇阻尼狀態為“高”、初始氣壓為0.5MPa的匹配模式具體性能指標及改善程度如表3所示，半主動懸架的三項性能指標均優于原車被動懸架，其中，在B級路面80 km/h和C級路面60 km/h的工況下，車身加速度降低6%以上，在D級路面40 km/h的工況下，為了保證輪胎動載荷和懸架動行程，使用了剛度較大的空氣彈簧，對車身加速度的改善不明顯；在各路況下，輪胎動載荷都降低8%以上；在B級路面80 km/h的工況下，懸架動行程降低18%以上，隨著路面不平度的增大，在C級路面60 km/h和D級路面40 km/h的工況下，由于新型減振支柱的剛度在壓縮行程大于0.02 m時突增的特點，懸架動行程降低29%以上。

因此，采用新型減振支柱的半主動懸架可以根據路面和車速的變化調節懸架阻尼狀態和空氣彈簧充氣壓力，使車身加速度、輪胎動載荷和懸架動行程均得到有效控制，克服了被動懸架不能協調車輛不同性能要求之間矛盾的缺點，使車輛的行駛平順性、行駛安全性、機動性均得到改善。

表3　剛度和阻尼良好匹配的新型懸架與原懸架性能對比

4結語

本文分析了采用同軸一體式結構、剛度和阻尼可調式新型減振支柱的結構組成和工作原理，揭示了該減振支柱的非線性剛度和非線性阻尼特性，以及剛度和阻尼之間的耦合關系。建立了采用新型減振支柱的1/4車輛二自由度半主動懸架系統模型，針對新型減振支柱的非線性特性，搭建了專門的仿真模塊，實現了對半主動懸架性能的仿真計算。通過對三種典型工況下的懸架性能仿真以及與原被動懸架對比分析，得到了路面條件、車速、懸架阻尼和空氣彈簧初始氣壓對半主動懸架性能的影響規律，與原被動懸架性能相比，半主動懸架的三項性能指標均優于原車被動懸架，其中，在B級路面80 km/h和C級路面60 km/h的工況下，車身加速度降低6%以上；在各路況下輪胎動載荷都降低8%以上；在B級路面80 km/h的工況下，懸架動行程降低18%以上，在C級路面60 km/h和D級路面40 km/h的工況下，由于新型減振支柱在壓縮行程大于0.02 m時剛度突增的特點，對減振器起到壓縮限位保護作用，懸架動行程降低29%以上。采用新型減振支柱的半主動懸架可以根據路面和車速的變化對懸架阻尼狀態和空氣彈簧充氣壓力進行匹配，實現對車身加速度、輪胎動載荷和懸架動行程的有效控制。研究結果為進一步研究采用新型減振支柱半主動懸架的剛度和阻尼匹配與控制策略[15-19]提供了理論依據。

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(責任編輯梁健)

Performance of semi-active suspension base on the novel suspension strut

JIANG Hao-bin, SHDNG Li-zhi, ZHANG Yun, ZHANG Xiao-liang

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013，China)

Abstract:In order to solve the problem that the limited damping of traditional semi-active suspension damper is difficult to meet all the requirements of the control strategy. Coupled stiffness and damping adjustable suspension strut integrated structure was studied. The structure of the new stiffness and damping adjustable shock strut，the regulating theory and coupling relationship between stiffness and damping were discussed. Nonlinear stiffness and damping characteristics of the new strut was analyzed. Two degree of freedom semi-active suspension system model using the new strut was set up, the simulation of the semi-active suspension model was finished with MATLAB/SIMULINK. According to the results of simulation, influence of the initial pressure, road conditions, speed, and air spring initial pressure on the performance of semi-active suspension were found. The simulation results show that in three typical road and vehicle speed conditions, when the shock absorber damping state is “high”, the air spring initial pressure is 0.4 MPa, comparing with the original passive suspension, body acceleration, tires dynamic load and suspension distorsion of semi-active suspension were respectively reduced at least by 6%, 10% and 18%. The semi-active suspension of new strut can match the stiffness and damping characteristic of the shock strut in different vehicle operating conditions and achieve the reduction of body acceleration, tires dynamic load and suspension distorsion, thereby improve vehicle ride comfort, driving safety and mobility.

Key words:new struts; nonlinear stiffness; nonlinear damping; semi-active suspension; performance simulation

中圖分類號：U463.33

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0371-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0371

通訊作者：江浩斌(1969—)，江蘇啟東人，江蘇大學教授，博士生導師，工學博士；E-mail: jianghb@ujs.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51405202)；江蘇省第八批“六大人才高峰”項目資助(2011-ZBZZ-023)

收稿日期：2015-11-05；

修訂日期：2015-12-14

引文格式：江浩斌,盛立志,張云,等.基于新型減振支柱的半主動懸架特性研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：0371-0378