液壓互聯懸架能耗分析與參數優化

陳 龍，張承龍，汪若塵，葉 青

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013)

互聯懸架是指單個車輪的運動引起其他車輪或車輪組發生變化的懸架系統的總稱。其中液壓反向互聯懸架可以通過左右懸架系統內油液的耦合，在乘坐舒適性不變差的前提下，較大程度的改善車輛的操縱穩定性[1-4]。油液在系統的傳動過程中，油液與管壁之間存在摩擦，油液分子間存在內摩擦，管道方向、斷面積的改變都會造成系統壓力的損失。這部分壓力損失的能量都以熱能的形式耗散掉，從而衰減車身的振動[5]。

喻凡等[6]對被動懸架阻尼器功耗進行了估算，并分析了主動懸架設計中回收能量的潛力；方志剛等[7]提出了懸架能量耗散因子的概念，并推導出能量耗散的計算方法；于長淼等[8]通過CARSIM軟件仿真分析了車輛在不同車速及路面下懸架阻尼器的能耗。

上述研究表明，目前相關學者對懸架節能潛力研究主要是針對傳統被動懸架減振器開展，尚未對液壓互聯懸架節能潛力進行分析。筆者以液壓互聯懸架為研究對象，研究其系統各液壓元器件的能耗特性，選取不同的阻尼孔孔徑，對懸架動力學性能及節能性進行協調性優化。

1 液壓互聯懸架能耗分析

1.1 液壓互聯懸架結構形式及減振原理

筆者采用的研究對象為反向互聯懸架，其結構形式如圖1。左右懸架的液壓缸均為雙作用液壓缸，其通過連接管道實現反向互聯，每根連接管道上都安裝一個阻尼閥和一個蓄能器。

該懸架系統的阻尼力主要通過阻尼孔提供，其工作原理為：當車架和車身間受路面激勵引起相對運動時，液壓缸內的活塞上下運動，迫使油液從高壓腔通過互聯管路流向低壓腔。當油液流經阻尼閥時，阻尼孔與油液間的摩擦以及油液分子間的內摩擦對車身振動行成阻尼力，使得汽車振動能量轉化為油液的熱能，從而起到衰減車身振動、改善乘坐舒適性的作用。

圖1 反向互聯式懸架結構布置Fig.1 Reverse interconnected suspension structure arrangement

1.2 系統流量計算

在路面激勵的作用下，左右液壓缸內的活塞往復運動，使得油液從壓力大的腔體流入壓力小的腔體。活塞將缸體分隔為有桿腔和無桿腔，則進出有桿腔和無桿腔油液的流量可用式(1)表示[9]：

(1)

由活塞桿導致容積變化響應問題通過蓄能器中油液進行補償，則進出蓄能器的流量可用式(2)表示：

(2)

1.3 系統能耗計算

1.3.1 液壓缸

為保證系統的密封性，液壓缸采用密封圈，使得活塞與液壓缸壁相對運動過程中產生摩擦，同時油液也存在黏性摩擦力。因此，筆者采用庫侖+黏性摩擦模型[10]。以左液壓缸為例，則其摩擦損失的功耗PLf可用式(3)表示：

(3)

式中：Ff為液壓缸摩擦力；b為液壓缸黏性系數；Fc為庫倫摩擦力。

1.3.2 蓄能器

筆者采用皮囊式液壓蓄能器，由于蓄能器消耗的功率較小，因此對蓄能器的模型作適當簡化，其結構示意如圖2。

圖2 皮囊式蓄能器結構示意Fig.2 Peltry energy accumulator structure diagram

蓄能器的能耗主要通過油液流經連接短管形成局部壓力損失造成的，以左蓄能器為例，其功率損耗Pl蓄可用式(4)表示：

(4)

式中：ΔPl蓄為蓄能器壓降；ζ為連接短管的局部阻力系數；A蓄為連接短管的截面積。

1.3.3 阻尼閥

以左阻尼孔為例，阻尼閥工作時的壓降可用薄壁小孔公式來計算，如式(5)：

(5)

阻尼閥壓力損失功率Pl阻可用式(6)表示：

(6)

式中：cq為油液的流量系數；A阻為阻尼閥開口面積。

1.3.4 管 路

油液在管路流動時，克服黏性阻力也需要消耗一部分能量。以左管路為例，由于左蓄能器安裝位置與左液壓缸有桿腔出油口位置接近，忽略這一段管路的壓力損失，故左管路的沿程壓力損失可用式(7)表示：

(7)

左管路沿程損失功率Pl沿可用式(8)表示：

(8)

式中：L為管路的等效長度；Vv為油液的運動黏度；d管為管路的直徑。

2 能耗分析

某商用車的仿真參數如表1。

表1 仿真模型主要參數

筆者將在B級路面下車速分別為20、40 m/s；C級路面下車速為40 m/s的這3種工況進行仿真分析。各液壓元器件平均功耗如表2。

表2 各液壓元器件平均功耗

懸架能耗的時域響應如圖3。

由圖3及表2可知：①隨著車速提高和路面等級變差，互聯懸架系統內各液壓元器件的功耗也不斷增加；②隨著車速提高和路面等級變差，阻尼閥功耗占懸架系統功耗比重由第1種工況的59.8%降為第3種工況的48.6%，有下降的趨勢，然而阻尼閥的功耗占比依然是系統中最大的。

圖3 懸架能耗仿真時域Fig.3 Response of suspension energy consumption in time domain

3 懸架參數的優化設計

通過能耗仿真分析，若要實現車輛節能減排，可對阻尼閥相關參數進行優化設計，同時還應兼顧車輛的動力學性能。

3.1 DOE分析

以車身加速度為乘坐舒適性評價指標，以阻尼閥功耗為節能性指標，以阻尼孔孔徑為設計變量，對模型參數進行DOE分析[11]。阻尼孔變化時，對車身加速度均方根值和阻尼閥功耗的影響如圖4。

由圖4可知：① 隨著阻尼孔孔徑增加，車身加速度均方根值下降，乘坐舒適性提高；阻尼閥功耗上升，車輛的節能性變差。② 車身加速度均方根值與阻尼閥功耗存在制約關系，為了權衡乘坐舒適性和節能性，需要對二者進行協調性優化。

3.2 多目標優化

NSGA-Ⅱ采用快速非支配排序算法，計算復雜度比 NSGA 大大降低，同時引入精英策略，擴大采樣空間，防止最佳個體丟失，提高了算法運算速度和魯棒性。選擇的遺傳算法參數包括：種群數量60、遺傳代數20、交叉概率0.9、交叉分布指數10、變異分布指數20。

筆者采用線性加權和法將多目標函數轉化為單目標函數求解。考慮到子目標函數在量綱和量級上存在差異，先對各子目標函數進行歸一化處理，即將各子目標函數除以各自的最大值，多目標優化模型如式(9)[12]：

(9)

式中：f1(x)為車身加速度均方根；f1(x)max為該函數極大值點；f2(x)為阻尼閥功耗；f2(x)max為其極大值點，由3.1節可知，f1(x)max=1.10、f2(x)max=600；w1、w2分別為對應的權重系數，均取0.5；d為阻尼孔直徑；Dmax為允許的最大動行程取180 mm。

通過計算得到最優阻尼孔孔徑為3.6 mm。在C級路面、車速為40 m/s的工況下，分別將優化前后阻尼孔孔徑代入模型，進行對比分析。結果如表3。

表3 優化前后結果對比

仿真得到的車身加速度、阻尼閥功耗時域信號對比如圖5。

仿真結果表明：經過優化后的液壓互聯懸架在乘坐舒適度上有了較大的改善，同時也降低了阻尼閥的功耗，有效提升了車輛節能減排的潛力。

4 結 論

1)從能耗角度出發，筆者通過仿真，分析了3種城市工況下，液壓互聯懸架各液壓元件的能耗，并發現阻尼閥能耗占比較大，為進一步懸架的優化設計提供理論支持。

2)通過DOE分析，發現乘坐舒適性與阻尼閥能耗存在制約關系。采用線性加權和法及NSGA-Ⅱ遺傳算法對該多目標函數進行協調性優化求解。優化后的車身加速度降低了5.98%，阻尼閥功耗下降了4.82%，這對提高車輛底盤性能具有實際意義。

[1] 丁飛，張農，韓旭．安裝液壓互聯懸架貨車的機械液壓多體系統建模及模態分析[J].機械工程學報，2012，48(6)：116-123.

DING Fei, ZHANG Nong, HAN Xu. Modeling and modal analysis of multi-body truck system fitted with hydraulically interconnected suspension[J].JournalofMechanicalEngineering,2012,48(6):116-123.

[2] 王玉龍.安裝液壓互聯懸架的車輛建模及模態分析[D].長沙：湖南大學，2014.

WANG Yulong.ModelingandModelAnalysisofVehiclesFittedwithRollResistantSpecificHydraulicallyInterconnectedSuspensionSystem[D]. Changsha: Hunan University,2014.

[3] 王玉龍，張邦基，鄭敏毅.裝有抗側翻液壓互聯懸架校車的動態特性分析[J].機械科學與技術，2015，34(4)：607- 612.

WANG Yulong, ZHANG Bangji, ZHENG Minyi. Dynamic analysis of school bus fitted with roll resistant specific hydraulically interconnected suspension system[J].MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineering,2015,34(4):607- 612.

[4] 周權.裝有液壓互聯懸架的某校車多體動力學建模與仿真分析[D].長沙：湖南大學，2013.

ZHOU Quan.Multi-BodyDynamicsModelingandSimulationResearchofSchoolBusEquippedHydraulicInterconnectedSuspension[D]. Changsha: Hunan University,2013.

[5] 方志剛.汽車液電饋能式減振器饋能理論及阻尼特性研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

FANG Zhigang.EnergyRecoveryTheoryandDampingCharacteristicResearchofVehicleHydraulicElectromagneticShockAbsorber[D].Wuhan: Wuhan University of Technology,2013.

[6] 喻凡，曹民，鄭雪春.能量回饋式車輛主動懸架的可行性研究[J].振動與沖擊，2005，24(4)：27-30.

YU Fan,CAO Min,ZHENG Xuechun. Research on the feasibility of vehicle active suspension with energy regeneration[J].JournalofVibrationandShock,2005,24(4):27-30.

[7] 方志剛，過學訊，左磊，等.饋能型懸架潛力研究及其敏感性分析[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2013，34(4)：373-377.

FANG Zhigang,GUO Xuexun,ZUO Lei,et al. Potential study and sensitivity analysis of energy-regenerative suspension[J].JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition),2013,34(4):373-377.

[8] 于長淼，王偉華，王慶年.混合動力車輛饋能式懸架的節能潛力[J].吉林大學學報(工學版)，2009，39(4)：841-845.

YU Changmiao, WANG Weihua, WANG Qingnian. Analysis of energy-saving potential of energy regenerative suspension system on hybrid vehicle [J].JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition),2009,39(4):841-845.

[9] 馮俊.交聯懸架系統耦連特性分析及對整車性能影響[D].長春：吉林大學，2014.

FENG Jun.AnalysisonCouplingCharacteristicofInterconnectedSuspensionandItsEffectonVehiclePerformance[D].Changchun: Jilin University,2014.

[10] OWEN W S, CROFT E A. The reduction of stick-slip friction in hydraulic actuators[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2003,8(3):362-371.

[11] 馬天飛，崔澤飛，佟靜.基于Isight和AMESim的液壓減振器關鍵參數集成優化[J].汽車工程，2015(1)：99-101.

MA Tianfei, CUI Zefei, TONG Jing. Integrated optimization of the key parameters of hydraulic shock absorber based on Isight and AMESim software [J].AutomotiveEngineering,2015(1):99-101.

[12] 杜恒，魏建華.基于遺傳算法的連通式油氣懸架平順性與道路友好性參數優化[J].振動與沖擊，2011，30(8)：133-138.

DU Heng,WEI Jianhua. Parameters optimization of interconnected hydro-pneumatic suspension for road comfort and road-friendliness based on genetic algorithm[J].JournalofVibrationandShock, 2011,30(8):133-138.

[13] 張曉波，陳昆山.客車空氣懸架結構件參數化設計系統研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2013，32(1)：126-130.

ZHANG Xiaobo, CHEN Kunshan.Parametric design system of structural parts for bus air suspension[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2013, 32(1): 126-130.

[14] 潘云偉，胡啟國，羅天洪，等.基于遺傳算法的懸架系統的優化和仿真[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2013，32(5)：1068-1070.

PAN Yunwe, HU Qiguo, LUO Tianhong, et al. Simulation and optimization of suspension system based on genetic algorithm [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2013, 32(5): 1068-1070.