汽车主动式电子液力悬架测试系统方法研究

张天华

摘 要：文章简要介绍了汽车主动式电子液力悬架测试系统的基本结构和原理，以主动式电子液力悬架系统为研究对象，对电液悬架系统的动力特性进行了测试分析。用试验测试手段来验证CDC减震器的实际使用效果，对改进和提高减振器的性能和研究汽车主动式电子液力悬架具有非常现实的意义。

关键词：汽车；主动式电子液力悬架；CDC减震器

引言

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传动部件的总称。汽车在行驶过程中，悬架的功用是把由于路面的颠簸而作用于车轮上的垂直反力（支撑力）、纵向力（牵引力和制动力）和侧向力和这些力所产生的力矩传递给车身，并且缓和路面不平传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由于冲击引起的整个承载系统的振动，以保证汽车的正常行驶。汽车悬架的好坏对车辆的行驶平顺性、操纵稳定性、制动性和通过性等有着重要的影响，选择优质的悬架可以保证汽车在不平路面和载荷变化时有理想的运动特性。电子液力式可调悬架也称连续减震控制系统（CDC），它也是主动悬架的一种。这套系统可以独立控制每个车轮的悬挂阻尼。其电子感应器能根据读取路况信息，适时对减震器作出调整，使之在软硬间频繁切换。从而更迅速准确地控制车身的侧倾、俯仰以及横摆跳动。提高车辆高速行驶和过弯的稳定性[1]。随着人们生活水平的提高，对车辆整体性能要求也随之提高，开发高性能的悬架系统势在必行。所以，对汽车主动式电液悬架系统进行研究有十分重要的意义。

1 CDC主动悬架系统结构与原理

1.1 电液主动悬架系统组成

电液主动悬架的基本结构，如图1所示。系统主要由液压缸、液压泵、直流电机、控制器、蓄电池和弹簧组成[2]。其连接方式为平行安装的液压缸和弹簧与车身和车桥相连，液压缸再与液压泵通过液压管路连接，液压泵然后通过连轴器连接直流电机，直流电机再连接蓄电池，蓄电池和直流电机之间连接控制器。该电液主动悬架系统不采用液压阀件，结构简单，成本低，工作范围宽。其工作原理为：根据悬架系统的状态反馈，通过控制直流电机的转速和方向来调节定量泵的流量，从而控制液压缸的阻尼力，实现整个悬架系统的主动控制[3]。

1-液压缸；2-液压泵；3-直流电机；4-控制器；5-蓄电池；6-弹簧

图1 电液主动悬架装置

1.2 CDC悬架减震系统原理

系统核心部件由中央控制单元、CDC减震器、车身加速度传感器、车轮加速度传感器以及CDC控制阀构成，其中减震器是基于传统的液压减震器构造，减震器内注有油液，有内外两个腔室，油液可通过联通两个腔室间的孔隙流动，在车轮颠簸时，减振器内的活塞便会在套筒内上下移动，其腔内的油液便在活塞的往复运动的作用下在两个腔室间往返流动。油液分子间的相互摩擦以及油液与孔壁之间的摩擦对活塞的运动形成阻力，将震动的动能转化为热量，热量通过减震器外壳散发到空气中，这样就实现了减震器过程[4]。

汽车行驶过程中，当车轮受到地面冲击而向上跳动时，悬架弹簧收缩并且吸收强大的能量，冲击过后悬架弹簧通过伸张试图释放存储的能量，从而使车身发生上下振动，减振器的功用就是通过对车身运动产生一定的阻尼力，使振动能量迅速消散、减小甚至消除车身的振动[5]。另外，在汽车转弯行驶、紧急制动和紧急加速等行驶状态下，汽车行驶姿势发生变化，给汽车的行驶安全性和操纵稳定性带来不利影响，此时也可以通过改变减振器的阻尼力，使汽车保持稳定的行驶姿势。

2 电液主动悬架测试系统

2.1 测试系统的组成和原理

如图2所示为主动悬架测试系统框图，包括前后两侧悬架（含轮胎）、CDC电液控制部分（包含电子悬架控制模块、CDC控制系统传感器、车轮垂直加速度传感器、车轮碰撞吸能执行器、车轮速度传感器、CDC电磁阀、带阻尼调节执行器的避震等）、驾驶员信息中心显示屏、路况振动模拟装置等。除上述相关器件之外，还包括四个 CDC减震器应力检测传感器、上位机系统、四个减震器处的激励电机及直线往复运动机构、数据采集系统。悬架控制模块根据车速、方向盘位置、发动机扭矩、制动压力、车身和前轮垂直加速度等因素控制阻尼力。悬架控制模块估算这些输入值，以单独控制减振器，从而在尽可能最大范围的运行条件下改善行驶平顺性和舒适度。

图2 电液主动悬架测试系统框图

如系统框图所示，在四轮减震器下部加装交流电机，各电动机构相互独立，可以模拟各种复杂的震动。通过CDC采样频率来确定交流振动电机运动的频率。然后通过数据采集卡向激励变频器发送往复频率控制，将数据采集系统采集到的模拟横摆传感器信号、车轮加速度传感器、车身加速度传感器检测到的实车传感器信号值传递到ECU控制器中，调制后的ECU电磁阀控制PWM信号又返回到数据采集系统中，再通过网络交换机以以太网通讯的方式实现上位机和下位机之间的通讯，从而达到对CDC工况的模拟。

2.2 测试系统激振实现

CDC模拟路况装置采用谐振式激励设备，简称激振平台，它是测试系统激振实现的重要部件。激振实现是通过激振平台采用振动原理测量悬挂性能来实现的，装置中的激励电机采用交流电机驱动，每个电机均由独立的变频器控制，可以调节激励的频率，然后各测力传感器将测得的对应激励电机的信号传递到数据采集系统。如图3所示为激振实现系统框图。该装置有着无需制作地基、单轮承重力大、装置选用的材料和制作工艺良好等优点。

3 测试结果分析

本次测试通过在减震系统与激励系统间加装压应力传感器来实时监测CDC减震系统的软硬，在CDC液压电磁阀上加装高灵敏度油压变送器，用以检测CDC执行液压机构的动作特征。在与传统悬架减震效果进行对比时，通过断开减震器控制单元与减震液压电磁阀的连接，改由恒定电压来控制电磁阀，以此将CDC减震器暂时转变为传统被动式悬架减震器。通过展现有CDC控制单元和无CDC控制单元时，减震压应力的变化来展现CDC与传统悬架减震效果的对比。

由于CDC的采样频率为1000HZ（根据原厂资料），根据采样定理，所需产生的激震上限为300-500HZ，通过常规的电机曲柄机构即可完成该上限频率的激震。单轮激励振幅6mm（经过实际现场测试，6mm的激励传递到车辆时，引起的振动已经十分明显），前后轮总共四套激励装置。四个电动机构相互独立，可以模拟各种复杂的震动。通过数据采集系统的数模转换功能，向四个激励变频器发送往复频率控制，从而达到对于CDC工况的模拟。经过对整车悬架系统的谐振式扫频测试，当悬挂处于共振频率时，对地面振动的吸收率最低，即人体感觉的振动最强烈的，而主动减震器悬架就能够非常好的吸收共振频率产生的振动，确保汽车振动平稳，接触力变化曲线如图4、图5所示。

如图4、图5所示，在横坐标为1500处，激振频率约为30HZ，此时为悬架的共振频率阶段，在主动悬架起作用时，可以很好的吸收振动力，在主动悬架未起作用时，此阶段的悬架吸收效率较低。

4 结束语

文章从总体上描述了主动式电液悬架系统的结构和减震系统原理，并对测试系统和激振实现系统进行了分析研究，然后以电子液力悬架与传统悬架作对比来进行实车仿真测试，逐步证实了主动式电液悬架在车辆行驶过程中的行驶平顺性和操作稳定性。

对于主动式液力悬架系统，能实时的改变液力悬架的油压差，以及实时的调整减振器的阻尼，从而保证行驶的安全性和舒适性，当汽车在高速行驶时悬架会自动变硬，提高车身稳定性，当低速行驶时，悬架会变软降低振动提高舒适性，这些都是汽车技术高速发展的必然要求。通过对汽车悬架系统的理论基础研究，有力地推动了主动悬架在汽车上应用的进程，可望进一步通过实车测试来验证主动式液力悬架电控系统的有效性，并逐步实现产品化。随着科学技术的不断发展，主动悬架系统的关键问题必将得到满意解决，主动悬架的发展方向，并且必将向更加节能、更加环保的方向发展。

参考文献

[1]夏均忠，马宗坡，方中雁，等.汽车平顺性评价方法综述[J].噪声与振动控制，2012，32（4）：9-13.

[2]I.Eski，S.Yidirim.Vibration Control of Vehicle Active Suspension System Using a New Robust Neural Network Control system.Simulation Modelling Practice and Theory，2009，17（5）：778-793.

[3]张玉春，王良曦，丛华，等.电液主动悬架滤波输出反馈控制器的设计及仿真实现[J].汽车工程，2004，26（3）：325-330.

[4]夏江敬，等.新型汽车电流变液体减振器控制系统研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2003，25（2）：53-55.

[5]王冰，韩冰源，王岩，等.汽车磁流变减震器研究综述[J].森林工程，2008，24（4）：39-43.