基于车身高度控制的主动液压悬架建模与仿真

潘公宇，候观遠青

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



基于车身高度控制的主动液压悬架建模与仿真

潘公宇，候观遠青

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

车辆在紧急制动、起步加速或者有较大承重时车身高度发生变化，这对车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性很不利。为解决这一问题，在AMESim软件中搭建1/4车辆二自由度的液压悬架模型，并与传统的被动悬架模型进行仿真对比，验证了建模的可行性。在建立的液压悬架模型的基础上加入主动控制系统，建立主动液压悬架系统，实现了对车身高度的调节控制,使得车身高度由最初加载后的-10 cm调节到-2 cm，优化了80%，并且大大缩短了调节所用的时间，车身到达平衡位置所用时间由10 s缩短到了3 s，优化了70%。该方法提高了车辆在不同负载和不同工况下的乘坐舒适性和操纵稳定性。

AMESim；主动悬架；液压悬架；车身高度控制

国内外学者对车身高度的控制大部分采用的是空气悬架形式[1-3]。空气悬架充放气时间较长，需要额外的空气压缩机，而且在控制过程中高速排放的空气噪声较大。目前车辆上主要采用液压悬架，并且液压控制系统反应时间短，控制灵活性高[4]。国内外对主动液压悬架高度控制的研究尚处于起步阶段，因此，研究主动液压悬架的车身高度控制具有更好的现实指导意义。

AMESim是一种多学科的建模仿真平台，在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模和仿真，如机械、液压、控制、气动、电和磁等领域。不同领域模块之间直接的物理连接方式使得AMESim成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境[5]。普通悬架由弹簧和减震器组成，而且一旦选定便只有一种刚度和阻尼。要达到控制车身高度的目的，需要构建刚度或阻尼可调的主动空气悬架。本文选用液压悬架代替普通的机械悬架，以便达到控制车身高度的研究目的。液压悬架的基本构造如图1所示[6]。

当车辆受到突然作用的外力时，车辆的车身和轮胎位移发生变化，而控制器可根据车辆的实时状态调整伺服阀的开关，以此对液压缸中的液体压力进行调节，进而控制液压缸产生作用力的大小、方向，补偿由于突然作用负载引起的车身和轮胎的位移变化，使得车辆快速回复到理想高度。这样，车辆在不同负载和工况下可以始终保持在乘坐舒适性和操纵稳定性良好的驾驶高度。

图1 液压悬架示意图

1 液压悬架建模

1.1 液压悬架阻尼特性

本文将1/4车辆模型作为研究对象，所选取的某车辆机械式悬架参数如表1所示[7]。

表1 某车辆机械式悬架参数

首先建立与机械悬架具有等效刚度和阻尼的液压悬架。在液压悬架中，不同的元件参数决定不同的性能，其中刚度参数主要由蓄能器的参数决定，而阻尼参数主要由节流孔、单向阀等确定[8]。

先考虑等效阻尼。要想得到一个阻尼c=1 400 N/(m/s)的液压系统，首先取定活塞的作用面积A=10 cm2，并假设来自路面的最大速度激励v0=1 m/s。在面积为10 cm2的活塞上作用1 400 N的力需要ΔP0=1.4 MPa的压力差,相应所需的流量为60 L/min。同时注意到ΔP1=0.5 MPa，q1=30 L/min和ΔP2=0.25 MPa，q2=15 L/min,同样可以满足设计要求。在此选择ΔP2=0.25 MPa，q2=15 L/min。

在AMESim中相应的节流孔的孔径由Bernoulli公式(1)给出。

(1)

1.2 液压悬架刚度特性

液压悬架的刚度效应主要由蓄能器产生，如图2所示。为了得到与机械式悬架中弹簧等效的刚度，必须计算蓄能器储气室中的初始压力P0、初始体积V0和油液的初始压力Pi。

图2 液压蓄能器

因为在外部激励输入之前蓄能器的初始状态是一个平衡态，可以假设这个初始状态是等温的，则有

P0·V0=Pi·Vi

(2)

同时假设蓄能器是绝热的，有

P·Vγ=const

(3)

已知机械刚度是由式(4)定义的。

(4)

等效液压刚度计算公式如下：

(5)

对式(3)进行求导可得：

dP·Vγ+γ·P·Vγ-1dV=0

(6)

所以有

(7)

为了平衡车身自重，悬架中的初始油液压力为

(8)

考虑到根据实际情况，悬架行程选取为Xmax=10 cm，可以得到储气室的最小初始体积为V0 min=2·Xmax·A=200 cm3,在本文选取V0=350 cm3。

由式(2)(5)(7)可得储气室初始压力为

(9)

1.3 模型验证

在AMEsim中搭建液压悬架模型[9]，并将元件参数依据上述计算进行设置。搭建好的模型如图3所示。

图3 机械式悬架与液压悬架模型对比

对两种悬架模型在同一种路面阶跃输入下的时域响应进行对比分析，结果如图4所示。

图4 两种悬架对路面阶跃输入的响应

通过AMESim搭建的液压悬架的特性和机械悬架的特性基本是一致的，说明这两种模型的悬架是等效的，所建立的模型是符合实际情况的，可以在建立的液压悬架基础上做进一步分析。

2 车身高度液压控制系统设计

2.1 车身高度控制系统搭建

车身高度控制是通过外加的主动控制力使得车辆在不同载荷、不同工况下都可以保持最佳的车身高度，以达到车辆在不同的行驶环境中都能保持性能最优的目的。

车辆在制动或转弯时会有一个力的作用，相对于正常行驶时的高度会有下降。首先用一个外加力模拟车辆的外加载荷作用在已建立的液压悬架模型上，如图5所示。

图5 外加载荷的液压悬架系统

在t=2 s时，加载F=2 500 N的负载，为分析方便起见将路面输入设置为0。液压悬架车辆模型的响应见图6。从图6可以看出：在外加载荷作用后车身位移下降了10 cm左右。这个变化也可以从图7车身和车轮之间的相对位移看出。

图6 车身位移响应曲线

图7 车身与车轮相对位移

在上述的液压悬架基础上加入位置传感器、液压阀和具有恒定压力的液压源，构成闭环控制系统。通过传感器采集到的信号控制液压阀的开关和开度大小，从而对液压缸中的压力进行调整，达到调节车身高度的目的。本文选取三位三通液压阀，如图8所示。主要参数设置见表2。

图8 三位三通液压阀表2 三位三通液压阀参数

参数数值阀口最大开度/mm210阀口压降/MPa1阀口最大流量/(L·min-1)1

在AMEsim中搭建的1/4车身高度控制系统,如图9所示。

图9 车身高度控制系统

考虑到车辆在制动或转弯时由于会有一个力的作用，车身高度相对于正常行驶时会有所下降。用一个外加力模拟车辆的外加载荷。为了分析简便，在此同样将路面输入设置为0。在t=2 s时加载F=2 500 N的外加载荷后相应的响应曲线如图10所示。由图10可知：加入闭环控制系统之后的主动悬架车身高度在t=10 s左右恢复到-2 cm，较之前的-10 cm有了很大的改善。由图11可知：车身、车轮之间的相对位移也在0上下波动，充分证明该主动悬架调节车身高度的可行性。但是，由图10、11发现：调节结果并不好。虽然相对位移维持在0附近，但是幅度有波动，不利于乘坐的舒适性。另外，调节时间(10 s)相对较长，说明控制系统的响应速度较慢。

图10 主动悬架车身位移

图11 主动悬架相对位移

2.2 车身高度调节系统的优化

本文2.1节设计的车身高度调节系统的响应速度较慢，并且稳定性不够。为了提高稳定性、加快响应速度，对部分参数进行优化设计。

响应速度主要由图8所示三位三通液压阀的动态特性所决定的，因此对液压阀的主要参数进行调整，如表3所示。

表3 三位三通液压阀参数优化

为了增加响应结果的稳定性，在此将蓄能器和液压缸连接的节流孔置换为图12所示的单向阀。

优化后系统的响应曲线与优化前的对比如图13、14所示。

图12 节流孔与单向阀

图13 优化前后车身位移对比

图14 优化前后相对位移对比

由图13和图14不难看出：优化后车身高度调节到达平衡位置所需的时间由10 s缩短到了3 s，优化了70%，使得响应速度得到了很大提升；优化后的响应曲线震荡得到明显消除，系统的稳定性得到提高。以上结果证明优化效果是比较理想的。

3 结束语

建立了液压悬架模型，对1/4车辆模型进行了阶跃响应的时域分析，与机械式悬架进行对比，验证了所建立的液压悬架的可行性。

在建立的液压悬架的基础上加入车身高度控制系统构成了主动悬架系统，实现了在不同工况和负载条件下车身都可以进行调整。

通过对关键元器件的参数进行调试，优化了控制系统，使得控制系统的稳定性得到增强，响应速度得到提高，从而很好地实现了车辆车身高度的实时调节，提高了车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性。

[1] 宋宁.空气悬架车辆车身高度PID控制的仿真研究[J].湖北汽车工业学院学报，2007，21(2)：1-4.

[2] 汪少华.半主动空气悬架混杂系统的多模式切换控制研究[D].镇江：江苏大学，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.

[4] 潘公宇，陈云.主动液压悬架建模及最优控制[J]．重庆理工大学学报(自然科学)，2015(4):1-6．

[5] 付永领，祁晓野．AMESim系统建模和仿真：从入门到精通[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006．

[6] 丁继斌．基于AMESim的车高控制系统仿真研究[J]．新技术新工艺，2010(7)：18-20.

[7] 杜恒.大型轮式车辆油气悬架及电液伺服转向系统研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[8] 杨非，雷金柱.基于AMESim 的工程车辆液压悬架系统仿真[J].液压气动与密封,2008(2):75-77.

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

(责任编辑 杨文青)

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 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375212)；江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目(QC201304)

潘公宇(1965—)，男，江苏丹徒人，博士，教授，主要从事车辆系统动力学、车辆动态设计理论、车辆控制技术等方面研究；通讯作者 候观遠青(1990—)，男，山西晋中人，硕士研究生，主要从事车辆系统动力学、车辆控制技术等方面研究，E-mail:15252906990@163.com。

潘公宇，候观遠青.基于车身高度控制的主动液压悬架建模与仿真[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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