電控懸架用可變阻尼減振器動態特性研究

張博強，趙浩翰，馮天培，徐 浩

(1.河南工業大學機電工程學院，河南 鄭州 450001；2.宣城協盈汽車零部件科技有限公司，安徽 宣城 242000)

1 引言

汽車懸架系統電控減振技術可有效改善汽車的操穩性，可變阻尼減振器因其優良的變阻尼特性和減振性能在汽車電控懸架上具有良好的應用前景［1］。

減振器的研究主要分為油液可控和閥口可控兩大類［2］，目前電磁閥式和磁流變液式可變阻尼減振器出于其優良的減振特性逐漸取代了雙筒減振器，磁流變液減振器具有響應迅速能耗小等優良特點［3］，但是由于其昂貴的成本多用于高級車系中，所以電磁閥式可變阻尼減振器結合汽車懸架形成常規半主動懸架的應用更為普及。文獻［4］中設計了一種新型的電磁閥式減振器，并且通過建立復原和壓縮行程中的數學模型和液壓模型，對減振器的外特性進行了研究；文獻［5-6］中以仿真和臺架試驗對比的方式對減振器的外特性進行了研究，驗證了仿真模型的正確性。

在汽車的懸架系統中，電控懸架在自適應魯棒控制、模糊控制等一系列不同的控制方式下懸架的減振性能會得到明顯的改善［7］。2自由度1/4車輛懸架模型作為最簡單的研究模型，國內外研究人員通常在1/4車輛懸架模型中將減振器用簡易彈簧模型代替來對車輛懸架減振性能和優化控制進行研究。我們在以上研究的基礎上對減振器進行精確化建模，進行汽車懸架減振性能的研究和仿真模型的驗證。采用可變阻尼減振器、1/4車輛被動懸架、半主動懸架和C級路面的仿真模型相結合的方法，在對可變阻尼減振器實體模型精確建模的基礎上研究懸架減振能力，驗證了懸架仿真模型的正確性。

2 減振器的力學特性分析和控制原理

2.1 復原行程中力學模型的建立

根據復原行程下減振器內的油液流動路徑，建立油液流動的流體力學［8］模型為：

式中：Q—在復原行程下，活塞上移時上腔產生的油液流量(L/min)；

V—活塞移動的速度(m/s)；A1—活塞腔的橫截面積(m2)；

A2—活塞桿的橫截面積(m2)，計算過程中忽略油液的可壓縮性以及油液在流動過程中的沿程損失與局部損失。

活塞上腔的油液流量為流經復原閥流量與流經電磁閥流量之和，即：

式中：Qf—油液流經復原閥的流量(L/min)；

QEf—油液流經電磁閥的流量(L/min)。

減振器閥口流通孔長度L與孔徑d的關系為：

L/d≤0.5

該流通孔可以視為薄壁小孔，由流體力學可知，復原行程中流經復原閥與電磁閥的流量為：

式中：Cd—小孔流量系數，由試驗得到取值范圍為(0.61～0.62)(無量綱)；As—復原閥閥口面積(m2)；ρ—液壓油密度；Pu—活塞上腔壓力(MPa)；Pd—活塞下腔壓力(MPa)。

式中：Ae—電磁閥開度(m2)；Pc—儲油腔壓力(MPa)；Pz—中間腔壓力(MPa)。

將式(3)和(4)代入式(2)有：

將式(5)代入式(1)得復原行程的工作缸壓力差為：

因為F=PA，有背壓時F=P1A1±P2A2，可得復原行程產生的阻尼力為：

式中：A2—活塞桿橫截面積(m2)

壓縮行程與復原行程中的計算原理相同，此處不再贅述。

2.2 減振器控制原理

閥控式可變阻尼減振器的控制由先導式溢流電磁閥作用，在不同電流的作用下電磁閥中可變節流孔的開度大小不同，油液流量產生的阻尼力大小也隨之改變。在給定電磁閥一定的電流大小的條件下，研究不同速度下的阻尼力值大小得出減振器的工況。

3 可變阻尼減振器建模仿真與驗證

3.1 可變阻尼減振器的結構參數

通過拆解某高端乘用車減振器實物可知，如圖1所示。該減振器主要由三部分結構組成：活塞閥系、底閥系和電磁閥系?；钊y系包括：流通閥片、復原閥片和閥座；底閥系包括：補償閥片、壓縮閥片和閥座；電磁閥(旁路閥)系包括：主閥、恒定節流孔、彈簧元件和先導腔等元件。

圖1 可變阻尼減振器實體圖Fig.1 Solid Diagram of Variable Damping Shock Absorber

3.2 可變阻尼減振器的仿真研究

實測后的減振器參數，如表1所示。

表1 仿真模型主要參數Tab.1 Main Parameters of The Simulation Model

利用多學科領域系統建模AMESim仿真軟件進行建模［9］，模型中分別模擬了減振器的三腔四閥結構，其中先導式電磁閥部分用PID信號源進行控制，建立的可變阻尼減振器仿真模型，如圖2所示。

圖2 AMESim減振器仿真模型Fig.2 AMESim Shock Absorber Simulation Model

圖中：A—油液特性；B—激勵輸入；C—活塞腔；D—活塞閥系；E—底閥系；F—電磁閥系。

3.3 臺架試驗研究

參考國家汽車行業減振器臺架試驗標準QC/T545，在該標準下進行可變阻尼減振器特性試驗研究［10］。采用正弦激勵方式［11］：

式中：V—減振器內活塞運行速度(m/s)；

n—正弦輸入頻率；

S—減振器行程(mm)。

表2 激勵參數Tab.2 Excitation Parameters

試驗硬件參數設置，如表3所示。

表3 試驗硬件參數Tab.3 Test Hardware Parameters

測試試驗如下：通過控制臺施加激勵并拾取響應，設置激振行程為40mm，固定正弦輸入。給定電磁閥輸入電流1.8A、電壓12.3V、激振速度為0.05m/s-1.00m/s。臺架試驗臺，如圖3所示。

圖3 臺架示功試驗臺Fig.3 Indicator Power Test Bench

3.4 仿真與試驗結果對比

通過仿真與試驗在輸入設定的參數的條件下，仿真與實驗得出的示功特性曲線圖，如圖4所示。

通過臺架試驗和AMESim仿真研究，最后得出了可變阻尼減振器外特性的研究結果，試驗結果與仿真結果的力值大小在誤差范圍內基本相符，最大誤差為15.6%，示功圖線形飽滿而且沒有空程畸變現象。由以上分析可以說明AMESim所建減振器模型的精確性，同時得出該模型可用于研究車輛1/4半主動懸架和被動懸架對于車輛的減振效果。

4 基于1/4車輛懸架模型的仿真研究

汽車被動懸架因不能根據路況來調節阻尼大小，使汽車的操縱穩定性較差，逐漸被半主動懸架和主動懸架取代［12］。而汽車主動懸架成本較高、結構復雜而且耗能大，多應用于高級轎車［13］。半主動懸架因結構簡單，擁有與主動懸架相近的性能，應用廣泛。

將對被動懸架和半主動懸架做對比研究，依據國產某車型的懸架系統建模分析，所需參數如表4所示。

表4 懸架系統主要參數Tab.4 Main Parameters of Suspension System

4.1 1/4汽車懸架的動力學仿真模型建立

根據車輛懸架的結構特點，將車身懸架部分劃分為多種自由度，文中所研究的汽車懸架的振動方向均為z軸垂向，在被動懸架的研究中建立了2自由度1/4車輛懸架仿真模型，如圖5所示。

圖5 1/4車輛被動懸架模型Fig.5 1/4 Vehicle Passive Suspension Model

在可變阻尼減振器系統的基礎上建立了半主動空氣懸架模型，模型中分別加入了空氣彈簧、車身、輪胎和路面信號激勵等子模型，建立的仿真模型，如圖6所示。

圖6 1/4車輛半主動懸架仿真模型Fig.6 Simulation Model of 1/4 Vehicle Semi-Active Suspension

4.2 懸架的控制策略

PID控制具有運算量小，實時性好等優點，所以在可變阻尼減振器空氣懸架中采用PID控制。PID控制器由比例單元，積分單元和微分單元組成，其原理公式如下：

式中：e(t)—系統誤差；Kp—比例系數；Ki—積分系數；Kd—微分系數；u(t)—控制器的輸出力。

將PID控制器作用于懸架的減振系統中，然后在該控制器的控制下進一步研究兩種不同懸架的減振器性能。

4.3 不同路面信號源激勵下懸架性能對比

路面的好壞程度會影響懸架的性能。在下列研究中應用白噪聲發生源，搭建了車輛速度20m/s的C級路面激勵模型和路面激勵信號［14］，如圖7所示。

圖7 C級路面激勵模型、信號示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Excitation Model and Signal of C-Grade Road Surface

將隨機路面信號作為激勵信號傳輸到被動懸架和半主動懸架中，通過對比時域內車身的速度、位移和加速度幅值，可以得出兩種懸架的減振能力，仿真結果，如圖8所示。

圖8 車身垂向速度、位移、加速度時域響應對比曲線、及車身垂向加速度功率譜密度對比示意圖Fig.8 Comparison Curve of Time-Domain Response of Vehicle Vertical Velocity，Displacement and Acceleration and the Body Vertical Acceleration Power Spectrum Density Comparison Diagram

通過對比車身加速度的功率譜密度可以說明在頻域內不同懸架振動能量的差別，如圖8(d)所示。

由圖8可得：時域內輸入C級路面激勵得出的車身和簧下質量塊的運動狀態，半主動懸架車輛車身垂向的位移、速度和加速度的幅值均比被動懸架的低。在車身縱向加速度的功率譜密度對比中，被動懸架密度值0.63(W/Hz)，半主動懸架密度值0.25(W/Hz)。

5 結論

利用可變阻尼減振器、1/4車輛被動懸架、半主動懸架和C級路面的仿真模型相結合的方法，對可變阻尼減振器進行了動態特性研究，仿真和試驗結果表明：(1)通過分析可變阻尼減振器的實際構造、工作原理和內部的油液流動情況等機理，建立了可變阻尼減振器的仿真模型，與臺架試驗對比驗證了可變阻尼減振器模型以及參數的正確性。(2)在C級路面激勵下，半主動懸架車身振動的幅值低于被動懸架，半主動懸架的功率譜密度值較被動懸架低，有效得出了建立的仿真模型的準確性。(3)研究結果對可變阻尼減振器的應用以及懸架系統的設計開發提供了可靠的理論依據和研究方法，降低了調試和開發難度。