基于电磁阀式阻尼连续可调减振器的半主动悬架试验研究

李罡　张晗　王彧　王祥

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州　511434）

基于电磁阀式阻尼连续可调减振器的半主动悬架试验研究

李罡张晗王彧王祥

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州511434）

研制了一种电磁阀式阻尼连续可调减振器，并在此基础上进行了半主动悬架整车试验研究。阐明了系统结构和工作原理，通过台架试验测试了电磁阀的外特性和减振器阻尼力在不同电流下的速度特性，并开展了实车道路试验。试验结果表明：该电磁阀式减振器可以较好地实现阻尼力的调节，且对整车行驶平顺性、操纵稳定性的提高具有积极作用。

主题词：电磁阀减振器半主动悬架试验

1　前言

传统悬架系统无法较好地协调操纵稳定性与行驶平顺性的矛盾，零部件技术参数一旦确定，整车性能就随之固定。而半主动悬架系统由于阻尼力或刚度可调，使得其性能可以根据实际道路状况作出相应调节，在操纵稳定性与平顺性上均获得良好表现，因而具有广阔的应用前景。在各种半主动悬架系统技术方案中，基于电磁阀式阻尼连续可调减振器的半主动悬架具有一定优势。

阻尼连续可调减振器及其相关技术在国外已经得到了较为充分的研究。但在我国尚处于起步阶段，仅有的研究工作较多地由院校主持开展：吉林大学郭孔辉院士团队［1～4］对阀控阻尼可调减振器的工作原理进行了分析，并研制了样机，研究了相应的控制算法；合肥工业大学陈无畏教授团队［5～8］对电磁阀式减振器的相关理论进行了深入研究，推导了阀控减振器的外特性数学解析表达式，分析了主要结构参数对阻尼特性的影响规律，设计了ESP与电磁阀式减振器系统的协调控制算法；刘伟哲［9］、陈龙［10］等进行了电磁阀式减振器仿真台架试验，验证了其功能性。

整体而言，国内现有的研究更偏向理论层面，在工程应用领域的研究工作较少。本文自主设计、研制了一款电磁阀式阻尼连续可调减振器，研究了基于该系统的半主动悬架控制策略，进行了整车级道路试验，为半主动悬架技术在工程领域的应用提供了一定的理论与试验参考。

2　电磁阀式阻尼连续可调减振器工作原理

电磁阀式减振器结构如图1所示，传统减振器主要由储油缸、活塞杆及阀系、底阀系等组成，而电磁阀式减振器增加了中间缸与电磁阀。中间缸布置在传统减振器的储油缸与工作缸之间，通过常通小孔与减振器内筒的伸张行程腔室相连接；电磁阀组件进油孔与中间缸相连，出油孔与储油缸相连。

图1　电磁阀式减振器结构示意

减振器处于压缩行程时，由于活塞的挤压使得无杆腔（即压缩行程腔室）的部分油液从底阀流至储油缸，另一部分油液则通过活塞阀流至工作缸中的有杆腔（即伸张行程腔室），再经由中间腔与工作缸有杆腔之间的常通孔流入中间腔，进入电磁阀总成。当电磁阀关闭时，压力达到开阀压力后油液从电磁阀系中的单向溢流阀流至储油缸；电磁阀通电导通后，压力未达到溢流阀开阀压力时，油液经由比例流量阀回流至储油缸，此时，根据电流大小的不同，比例流量阀开度不同，从而达到调节阻尼力大小的目的，当压力达到溢流阀开阀压力时，油液从溢流阀流入储油缸。

减振器处于伸张行程时，由于无杆腔（即压缩行程腔室）形成低压，部分油液由储油缸从底阀进入无杆腔，另一部分油液则由于活塞的挤压由有杆腔流入中间腔，进而流入电磁阀。油液进入电磁阀后的工作原理与压缩行程类似。

电磁阀式阻尼连续可调减振器的核心零件是电磁阀，电磁阀的特性与减振器外特性息息相关。对自行研制的电磁阀进行了台架试验，测试结果如图2所示。

图2　不同驱动方式对电磁阀流量特性的影响

由电磁阀的外特性曲线可以看出，驱动频率对于电磁阀的外特性具有一定的影响。采用500 Hz驱动频率虽然死区电流范围更小，但是控制电流相同的情况下其流量小于1 000 Hz驱动频率。

3　半主动悬架系统原理

悬架系统可用2自由度模型表示，如图3所示。图3a为传统悬架模型，传统悬架的阻尼为被动阻尼，任何路况或者驾驶员操纵行为下，其外特性表现均一致；而由电磁阀式阻尼连续可调减振器构成的半主动悬架系统，由于阻尼系数为变量，因此可以表示为图3b所示的系统模型。电磁阀式减振器内部阀系本身所具有的不随工况变化而变化的黏性阻尼可以表示为cv，而根据不同道路条件、驾驶员操纵行为而改变的可调阻尼力则表示为Fm，是电磁阀通电后改变等效节流面积引起的阻尼力变化量。

图3　悬架系统模型

根据牛顿第二定律，传统悬架系统动力学方程为：

式中，ms为簧载质量；mu为非簧载质量；ks为悬架刚度；kt为轮胎刚度；cv为悬架阻尼；xs为簧载质量位移；xu为非簧载质量位移；q为路面位移。

半主动悬架的系统动力学方程可以表示为：

4　控制策略

由电磁阀式阻尼连续可调减振器构成的半主动悬架系统控制原理如图4所示。本文设计的控制系统具有舒适和运动2种模式，通过配置在车身与车轮处的加速度传感器分别测得车身加速度与车轮加速度，根据辨识算法对路面工况与悬架运动状态进行识别用于垂向控制，再通过制动踏板的位移传感器、转向盘转角传感器对驾驶员操纵动作进行识别用于纵向控制与侧向控制。根据不同控制电流实现电磁阀节流面积的改变，从而实现阻尼力调节的目的。

目前，半主动悬架控制策略多种多样，但在工程领域得到应用的还是经典的天棚控制策略，重点关注车身加速度和车轮动载荷。

图4　控制原理示意

垂向控制时，舒适模式关注的指标为车身加速度，控制策略应在相应频段内对车身加速度幅值进行衰减；运动模式关注的指标则主要是车轮动载荷，控制策略应在相应频段对车轮动载荷进行控制以取得较好的操控性。

侧向与纵向控制时，对驾驶员操纵习惯进行辨识，采用不同指标阈值进行减振器阻尼力控制。

4.1垂向控制

天棚控制策略实现半主动悬架的控制，控制算法为：

式中，α为调节参数；cmax为减振器阻尼极大值；cmin为减振器阻尼极小值。

4.2纵向控制

当车辆处于加速、制动工况时，由于存在运动惯性，车身会发生俯仰运动，使乘员产生不舒适感。因此，需要对此工况下的车身俯仰运动进行抑制，控制算法为：式中，Fp为制动、加速时减振器的阻尼力；βp为增益系数；Fs为根据垂向控制策略计算得出的阻尼力；ap为俯仰角速度；apth为俯仰角速度阈值。

4.3侧向控制

与纵向控制类似，将侧向加速度与阈值进行实时对比，控制算法为：

式中，Fr为转向时减振器目标力；βr为增益系数；ux为车辆纵向速度；arth为侧倾角速度阈值；i为转向系统角传动比；θ为转向盘转角；L为轴距。

5　实车试验

选用某SUV车型进行了减振器系统的改制，均换装为本文的减振器系统，包含减振器、加速度传感器、ECU等，试验车辆采用的快速控制原型系统如图5所示。对样车进行了大量道路试验，现以垂向控制典型工况进行分析。

图5　快速原型系统与控制器

车辆直线行驶工况，采集对应于4个车轮处的车身加速度、车轮加速度等信号，并根据实测信号估计车轮动载荷，对车身加速度与车轮动载荷进行分析。实车试验在不同路面、车速工况进行，以车速80 km/h在B级路面行驶左前车轮为例，图6、图7所示分别为左前车身加速度与车轮动载荷的频域特性，可以明显看出，在2个共振频段，指标幅值均得到了有效衰减，而在2个共振频段间的过渡频段，指标幅值也并未发生恶化，这是传统悬架系统难以实现的。

图6　左前车身加速度频域特性

图7　左前车轮动载荷频域特性

部分测试数据如表1所示，由表1可知，与传统车型相比，关键位置点的加速度均方根值均得到了有效抑制，取得了较好的减振效果。

表1　平顺性测试结果对比g

6　结束语

本文自主开发设计了一种电磁阀式阻尼连续可调减振器，基于该减振器设计了半主动悬架控制策略，并将自主研发的减振器及其控制系统搭载于某SUV车型进行了实车试验，结果表明，该系统提高了整车行驶平顺性。

1Yu W H，Zhang X J，Guo K H，et al.Adaptive Real-Time Estimation on Road Disturbances Properties Considering Load Variation via Vehicle Vertical Dynamics.Mathematic Problem in Engineering，2013（4）：206～226.

2郭孔辉，余五辉，章新杰，等.自适应半主动悬架系统控制策略.湖南大学学报（自然科学版），2013，40（2）：39～44.

3赵宇.阀控半主动减振器研究及整车应用：［学位论文］.长春：吉林大学，2013.

4余五辉.路面频率与车辆载荷自适应半主动悬架控制研究：［学位论文］.长春：吉林大学，2014.

5夏光，陈无畏，唐希雯，等.新型电磁阀式减振器的仿真与试验研究.汽车工程，2012，34（11）：999～1004.

6夏光，唐希雯，王洪成，等.汽车电磁阀式半主动悬架控制系统设计.合肥工业大学学报（自然科学版），2012，35 （1）：21～24.

7夏光.基于电磁阀式减振器的汽车SASS与ESP集成控制研究：［学位论文］.合肥：合肥工业大学，2013.

8杨柳青，陈无畏，高振刚，等.基于电磁阀减振器的1/4车辆半主动悬架非线性控制.农业机械学报，2014，45（4）：1～7.

9刘伟哲，王忠良，陈昌建，等.电磁阀控制半主动悬架可调减振器的研制.汽车技术，2012（9）：30～33.

10陈龙，喻力，崔晓利.阻尼多状态切换减振器的性能仿真与试验.江苏大学学报（自然科学版），2013，34（3）：249～253.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年7月7日。

Test Research on Semi-active Suspension Based on Solenoid-actuated Damping Continuously Variable Shock Absorber

Li Gang，Zhang Han，Wang Yu，Wang Xiang
（Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.Automotive Engineering Institute，Guangzhou 511434）

A vehicular solenoid-actuated continuously variable shock absorber（SSA）was developed，then road tests of the vehicle equipped with semi-active suspension were carried out.Firstly，system structure and the working principle of SSA were described，the external characteristic of solenoid valve was tested by test bench，the velocity characteristics with different currents were also obtained by bench test，road tests were carried out，the results showed that the SSA can achieve good adjustment of damping force，and contribute to the improvement of vehicle ride comfort and handling stability.

Solenoid valve,Shock absorber,Semi-active suspension,Test

U463.33

A

1000-3703（2016）09-0035-04