基于車身高度控制的主動液壓懸架建模與仿真

潘公宇，候觀遠(yuǎn)青

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于車身高度控制的主動液壓懸架建模與仿真

潘公宇，候觀遠(yuǎn)青

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

車輛在緊急制動、起步加速或者有較大承重時車身高度發(fā)生變化，這對車輛的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性很不利。為解決這一問題，在AMESim軟件中搭建1/4車輛二自由度的液壓懸架模型，并與傳統(tǒng)的被動懸架模型進行仿真對比，驗證了建模的可行性。在建立的液壓懸架模型的基礎(chǔ)上加入主動控制系統(tǒng)，建立主動液壓懸架系統(tǒng)，實現(xiàn)了對車身高度的調(diào)節(jié)控制,使得車身高度由最初加載后的-10 cm調(diào)節(jié)到-2 cm，優(yōu)化了80%，并且大大縮短了調(diào)節(jié)所用的時間，車身到達平衡位置所用時間由10 s縮短到了3 s，優(yōu)化了70%。該方法提高了車輛在不同負(fù)載和不同工況下的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。

AMESim；主動懸架；液壓懸架；車身高度控制

國內(nèi)外學(xué)者對車身高度的控制大部分采用的是空氣懸架形式[1-3]。空氣懸架充放氣時間較長，需要額外的空氣壓縮機，而且在控制過程中高速排放的空氣噪聲較大。目前車輛上主要采用液壓懸架，并且液壓控制系統(tǒng)反應(yīng)時間短，控制靈活性高[4]。國內(nèi)外對主動液壓懸架高度控制的研究尚處于起步階段，因此，研究主動液壓懸架的車身高度控制具有更好的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

AMESim是一種多學(xué)科的建模仿真平臺，在統(tǒng)一的平臺上實現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程的建模和仿真，如機械、液壓、控制、氣動、電和磁等領(lǐng)域。不同領(lǐng)域模塊之間直接的物理連接方式使得AMESim成為多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模和仿真的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[5]。普通懸架由彈簧和減震器組成，而且一旦選定便只有一種剛度和阻尼。要達到控制車身高度的目的，需要構(gòu)建剛度或阻尼可調(diào)的主動空氣懸架。本文選用液壓懸架代替普通的機械懸架，以便達到控制車身高度的研究目的。液壓懸架的基本構(gòu)造如圖1所示[6]。

當(dāng)車輛受到突然作用的外力時，車輛的車身和輪胎位移發(fā)生變化，而控制器可根據(jù)車輛的實時狀態(tài)調(diào)整伺服閥的開關(guān)，以此對液壓缸中的液體壓力進行調(diào)節(jié)，進而控制液壓缸產(chǎn)生作用力的大小、方向，補償由于突然作用負(fù)載引起的車身和輪胎的位移變化，使得車輛快速回復(fù)到理想高度。這樣，車輛在不同負(fù)載和工況下可以始終保持在乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性良好的駕駛高度。

圖1 液壓懸架示意圖

1 液壓懸架建模

1.1 液壓懸架阻尼特性

本文將1/4車輛模型作為研究對象，所選取的某車輛機械式懸架參數(shù)如表1所示[7]。

表1 某車輛機械式懸架參數(shù)

首先建立與機械懸架具有等效剛度和阻尼的液壓懸架。在液壓懸架中，不同的元件參數(shù)決定不同的性能，其中剛度參數(shù)主要由蓄能器的參數(shù)決定，而阻尼參數(shù)主要由節(jié)流孔、單向閥等確定[8]。

先考慮等效阻尼。要想得到一個阻尼c=1 400 N/(m/s)的液壓系統(tǒng)，首先取定活塞的作用面積A=10 cm2，并假設(shè)來自路面的最大速度激勵v0=1 m/s。在面積為10 cm2的活塞上作用1 400 N的力需要ΔP0=1.4 MPa的壓力差,相應(yīng)所需的流量為60 L/min。同時注意到ΔP1=0.5 MPa，q1=30 L/min和ΔP2=0.25 MPa，q2=15 L/min,同樣可以滿足設(shè)計要求。在此選擇ΔP2=0.25 MPa，q2=15 L/min。

在AMESim中相應(yīng)的節(jié)流孔的孔徑由Bernoulli公式(1)給出。

(1)

1.2 液壓懸架剛度特性

液壓懸架的剛度效應(yīng)主要由蓄能器產(chǎn)生，如圖2所示。為了得到與機械式懸架中彈簧等效的剛度，必須計算蓄能器儲氣室中的初始壓力P0、初始體積V0和油液的初始壓力Pi。

圖2 液壓蓄能器

因為在外部激勵輸入之前蓄能器的初始狀態(tài)是一個平衡態(tài)，可以假設(shè)這個初始狀態(tài)是等溫的，則有

P0·V0=Pi·Vi

(2)

同時假設(shè)蓄能器是絕熱的，有

P·Vγ=const

(3)

已知機械剛度是由式(4)定義的。

(4)

等效液壓剛度計算公式如下：

(5)

對式(3)進行求導(dǎo)可得：

dP·Vγ+γ·P·Vγ-1dV=0

(6)

所以有

(7)

為了平衡車身自重，懸架中的初始油液壓力為

(8)

考慮到根據(jù)實際情況，懸架行程選取為Xmax=10 cm，可以得到儲氣室的最小初始體積為V0 min=2·Xmax·A=200 cm3,在本文選取V0=350 cm3。

由式(2)(5)(7)可得儲氣室初始壓力為

(9)

1.3 模型驗證

在AMEsim中搭建液壓懸架模型[9]，并將元件參數(shù)依據(jù)上述計算進行設(shè)置。搭建好的模型如圖3所示。

圖3 機械式懸架與液壓懸架模型對比

對兩種懸架模型在同一種路面階躍輸入下的時域響應(yīng)進行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種懸架對路面階躍輸入的響應(yīng)

通過AMESim搭建的液壓懸架的特性和機械懸架的特性基本是一致的，說明這兩種模型的懸架是等效的，所建立的模型是符合實際情況的，可以在建立的液壓懸架基礎(chǔ)上做進一步分析。

2 車身高度液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 車身高度控制系統(tǒng)搭建

車身高度控制是通過外加的主動控制力使得車輛在不同載荷、不同工況下都可以保持最佳的車身高度，以達到車輛在不同的行駛環(huán)境中都能保持性能最優(yōu)的目的。

車輛在制動或轉(zhuǎn)彎時會有一個力的作用，相對于正常行駛時的高度會有下降。首先用一個外加力模擬車輛的外加載荷作用在已建立的液壓懸架模型上，如圖5所示。

圖5 外加載荷的液壓懸架系統(tǒng)

在t=2 s時，加載F=2 500 N的負(fù)載，為分析方便起見將路面輸入設(shè)置為0。液壓懸架車輛模型的響應(yīng)見圖6。從圖6可以看出：在外加載荷作用后車身位移下降了10 cm左右。這個變化也可以從圖7車身和車輪之間的相對位移看出。

圖6 車身位移響應(yīng)曲線

圖7 車身與車輪相對位移

在上述的液壓懸架基礎(chǔ)上加入位置傳感器、液壓閥和具有恒定壓力的液壓源，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過傳感器采集到的信號控制液壓閥的開關(guān)和開度大小，從而對液壓缸中的壓力進行調(diào)整，達到調(diào)節(jié)車身高度的目的。本文選取三位三通液壓閥，如圖8所示。主要參數(shù)設(shè)置見表2。

圖8 三位三通液壓閥表2 三位三通液壓閥參數(shù)

參數(shù)數(shù)值閥口最大開度/mm210閥口壓降/MPa1閥口最大流量/(L·min-1)1

在AMEsim中搭建的1/4車身高度控制系統(tǒng),如圖9所示。

圖9 車身高度控制系統(tǒng)

考慮到車輛在制動或轉(zhuǎn)彎時由于會有一個力的作用，車身高度相對于正常行駛時會有所下降。用一個外加力模擬車輛的外加載荷。為了分析簡便，在此同樣將路面輸入設(shè)置為0。在t=2 s時加載F=2 500 N的外加載荷后相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖10所示。由圖10可知：加入閉環(huán)控制系統(tǒng)之后的主動懸架車身高度在t=10 s左右恢復(fù)到-2 cm，較之前的-10 cm有了很大的改善。由圖11可知：車身、車輪之間的相對位移也在0上下波動，充分證明該主動懸架調(diào)節(jié)車身高度的可行性。但是，由圖10、11發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)結(jié)果并不好。雖然相對位移維持在0附近，但是幅度有波動，不利于乘坐的舒適性。另外，調(diào)節(jié)時間(10 s)相對較長，說明控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。

圖10 主動懸架車身位移

圖11 主動懸架相對位移

2.2 車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化

本文2.1節(jié)設(shè)計的車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，并且穩(wěn)定性不夠。為了提高穩(wěn)定性、加快響應(yīng)速度，對部分參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

響應(yīng)速度主要由圖8所示三位三通液壓閥的動態(tài)特性所決定的，因此對液壓閥的主要參數(shù)進行調(diào)整，如表3所示。

表3 三位三通液壓閥參數(shù)優(yōu)化

為了增加響應(yīng)結(jié)果的穩(wěn)定性，在此將蓄能器和液壓缸連接的節(jié)流孔置換為圖12所示的單向閥。

優(yōu)化后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線與優(yōu)化前的對比如圖13、14所示。

圖12 節(jié)流孔與單向閥

圖13 優(yōu)化前后車身位移對比

圖14 優(yōu)化前后相對位移對比

由圖13和圖14不難看出：優(yōu)化后車身高度調(diào)節(jié)到達平衡位置所需的時間由10 s縮短到了3 s，優(yōu)化了70%，使得響應(yīng)速度得到了很大提升；優(yōu)化后的響應(yīng)曲線震蕩得到明顯消除，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。以上結(jié)果證明優(yōu)化效果是比較理想的。

3 結(jié)束語

建立了液壓懸架模型，對1/4車輛模型進行了階躍響應(yīng)的時域分析，與機械式懸架進行對比，驗證了所建立的液壓懸架的可行性。

在建立的液壓懸架的基礎(chǔ)上加入車身高度控制系統(tǒng)構(gòu)成了主動懸架系統(tǒng)，實現(xiàn)了在不同工況和負(fù)載條件下車身都可以進行調(diào)整。

通過對關(guān)鍵元器件的參數(shù)進行調(diào)試，優(yōu)化了控制系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到增強，響應(yīng)速度得到提高，從而很好地實現(xiàn)了車輛車身高度的實時調(diào)節(jié)，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

[1] 宋寧.空氣懸架車輛車身高度PID控制的仿真研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007，21(2)：1-4.

[2] 汪少華.半主動空氣懸架混雜系統(tǒng)的多模式切換控制研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2013.

[3] KIRAT R.Simulation and control design of a railway vehicle tilting system using differential pulse width modulation control of air springs[J].Proceedings of the 1995 14th IAVSD Symposium on the Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks,1995(25)：340-358.

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[5] 付永領(lǐng)，祁曉野．AMESim系統(tǒng)建模和仿真：從入門到精通[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

[6] 丁繼斌．基于AMESim的車高控制系統(tǒng)仿真研究[J]．新技術(shù)新工藝，2010(7)：18-20.

[7] 杜恒.大型輪式車輛油氣懸架及電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

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[9] AMESim4.2 User Manual[M].[S.l.]:IMAGINE S A,2004.

(責(zé)任編輯 楊文青)

Modeling and Simulation of Active Hydraulic Suspension Based on the Vehicle Height Control

PAN Gong-yu, HOU GUANG Yuan-qing

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

The height of the vehicle has a change under the condition of emergency braking, initial accelerating or getting heavy load. This lead to a negative effect on the handling stability and riding comfortable. To solve these problems, a kind of two degrees of freedom 1/4 body vehicle model with hydraulic suspension is established in the AMESim software, and which is compare with the traditional positive suspension. A simulation is taken to valid the possibility of the model. Otherwise the active control system is added into the hydraulic suspension as to build an active suspension system which can regular the height of the vehicle in real time,making the body height from the initial loading of the -10 cm regulator to -2 cm, optimized for 80%;and greatly reduced the time to adjust the body to reach the balance, shorten to 3 s from 10 s,optimized for 70%. It greatly promoted the handling stability and comfort level forriding vehicles in different load and working conditions.

AMESim; active suspension; hydraulic suspension; vehicle height control

2016-02-18 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375212)；江蘇省汽車工程重點實驗室開放基金資助項目(QC201304)

潘公宇(1965—)，男，江蘇丹徒人，博士，教授，主要從事車輛系統(tǒng)動力學(xué)、車輛動態(tài)設(shè)計理論、車輛控制技術(shù)等方面研究；通訊作者 候觀遠(yuǎn)青(1990—)，男，山西晉中人，碩士研究生，主要從事車輛系統(tǒng)動力學(xué)、車輛控制技術(shù)等方面研究，E-mail:15252906990@163.com。

潘公宇，候觀遠(yuǎn)青.基于車身高度控制的主動液壓懸架建模與仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(11):1-6.

format：PAN Gong-yu, HOU GUANG Yuan-qing.Modeling and Simulation of Active Hydraulic Suspension Based on the Vehicle Height Control[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):1-6.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.001

U461.4

A

1674-8425(2016)11-0001-06