天棚惯容控制半主动悬架的性能分析

张孝良, 何 海, 聂佳梅, 陈 龙

(江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013)

半主动悬架[1]可以根据需要调节悬架刚度或阻尼,其性能优于被动悬架,成本比主动悬架低得多,是今后悬架系统发展的主要方向[2].刚度调节可以通过空气弹簧或油气弹簧来实现,然而,由于汽车弹性元件需承载车身的载荷,因此,实施刚度控制比阻尼控制困难得多.目前,在汽车半主动悬架研究中,对阻尼控制的研究较多[3-4].不论是阻尼还是刚度可调的半主动悬架,与传统被动悬架一样,都基于经典隔振理论建立在“弹簧-阻尼”悬架结构体系之上,这限制了悬架性能的进一步提高.

文献[5]基于机电相似理论提出惯容器的概念并设计了实现装置.惯容器的出现及“惯容-弹簧-阻尼”悬架结构新体系的提出,摆脱了悬架技术发展固有观念的束缚,突破了基于经典隔振理论的“弹簧-阻尼”结构体系对悬架性能进一步提高的瓶颈制约,为悬架技术发展提供了一个崭新的平台[6-7].

天棚阻尼控制是较早提出的一种半主动悬架控制方法.由于天棚阻尼控制算法简单,且能够有效提高车辆的行驶平顺性,因此是目前研究最多,也是应用最多的控制方法[8-9].然而,天棚阻尼控制没有从根本上解决悬架空载、满载偏频随载荷变化这一问题,无法使车辆在空满、满载时都具有较好的平顺性[10].

笔者提出一种连续可调惯容器装置,基于“惯容-弹簧-阻尼”悬架结构新体系,发展一种惯容连续调节的半主动悬架.惯容调节是继半主动悬架刚度与阻尼调节之后的第3种调节方式.基于连续可调惯容装置提出一种天棚惯容控制方法,以半主动的方式模拟实现理想天棚惯容,其控制效果相当于增大了簧载质量,降低空载状态下的车身偏频,提高空载状态下车辆的行驶平顺性,使车辆具有更好的空满、满载适应能力.同时,针对连续可调惯容器装置产生的寄生阻尼问题,通过建立天棚惯容半主动悬架的系统动力学模型,研究寄生阻尼对悬架性能的影响.

1 液力式连续可调惯容器

提出的液力式连续可调惯容器装置如图1所示,包括液压缸和惯容调节阀.惯容调节阀阀体具有2个直径不同的内圆面,分别为大内圆面和小内圆面.阀芯的外表面与阀体的小内圆面相配合将阀体分为左右2个腔,阀芯的外表面上设有螺旋通道,将左右2个腔连通.缸筒和阀体左右两端各设有1个开口,开口之间由液压管连接.当阀芯运动时,螺旋通道的长度随着阀芯的运动而变化,螺旋通道中液体的质量相应变化,由此实现惯容连续可调.

图1 液力式连续可调惯容器

对于液压缸,设S1为活塞的有效横截面积,z为活塞相对于缸筒的位移.对于惯容调节阀,A1为阀芯的有效横截面积,A2为半圆形螺旋槽的横截面积,x为阀芯与阀体的相对位移,l(x)为螺旋通道的长度,ρ为液体的密度,u为螺旋通道中液体的平均速度，R为阀芯半径,r为活塞杆半径,rh为螺旋槽的半径,Ph为螺旋槽的螺距,w为阀芯的宽度.阀芯的实际工作宽度与形成的螺旋通道的长度线性相关,若选择阀体的中心作为坐标原点,则阀芯的工作宽度为w/2-x, 显然,阀芯必须运行于-w/2和w/2之间,即x∈[-w/2,w/2].

根据文献[11]中的定惯容液力惯容器假设条件与建模推导过程,当阀芯相对于阀体运动到某一位置时,设此时阀芯与阀体的相对位移为x,由体积守恒可得

(1)

螺旋通道中液体储存的能量为

(2)

由于活塞杆和活塞的惯性通常远小于惯容器表现出的惯性,因此,在不考虑活塞杆与活塞惯性的情况下,液力惯容器储存的动能就等于螺旋通道中液体储存的动能,即

(3)

由式(1),(3)可计算得到连续可调惯容装置的惯容系数为

(4)

取S1=A1,可调惯容系数又可表示为

(5)

由于液体的黏度,液力式连续可调惯容器会产生寄生阻尼.考虑到寄生阻尼建模和后续悬架建模及仿真的复杂度,为简化模型,认为螺旋通道中液体流动状态为层流状态,也就是雷诺数(Re)小于2×103.根据哈根-泊肃叶层流方程可得

(6)

式中:μ为油液的黏度;Δp为液体流过螺旋通道时产生的压力损失.

因此,连续可调惯容装置的寄生阻尼系数为

(7)

式(7)还可以表示为

(8)

从式(5),(8)可以看出,B(x),cp(x)均为关于x的函数,而且寄生阻尼系数与可调惯容系数存在如下关系:

(9)

式中α为阻尼惯容比.

式(9)表明,阻尼惯容比α与μ,ρ,rh有关.液力式连续可调惯容器装置的参数:阀芯半径R为0.05 m;阀体活塞杆半径r为0.006 m;螺旋槽半径rh为0.008 m;螺距Ph为0.04 m;活塞宽度w为0.12 m;液压缸活塞半径Rc为0.05 m;液压缸活塞杆半径rc为0.006 m.

2 天棚惯容的半主动实现

天棚惯容的模拟实现方式如图2所示.

传统悬架空载时的1/4车辆模型(图2a)的动力学方程为

(10)

式中:m1为非簧载质量;m2为簧载质量;c为减振器阻尼系数;k为弹簧刚度;kt为轮胎刚度;z0为路面位移;z1为非簧载质量位移;z2为簧载质量位移.

传统悬架满载时的1/4车辆模型(图2b)的动力学方程为

(11)

式中mc为运载质量.

理想天棚惯容悬架(图2c)的动力学方程为

(12)

式中bsky为天棚惯容系数.

图2 天棚惯容的模拟实现方式

天棚惯容的设计思想是将惯容器装在惯性参考系与簧载质量之间,天棚惯容直接控制簧载质量的绝对加速度,而与车轮的绝对加速度无关.因此,天棚惯容可以有效抵消一部分簧载质量的加速度,提高车辆的平顺性.当bsky=mc时,式(11)和式(12)完全相同,也就是,理想天棚惯容悬架可以看作为满载时的传统悬架,因此,天棚惯容相当于只增加了车辆的簧载质量,但不会增加非簧载质量.这有利于降低车身固有频率,提高车辆的平顺性,同时不会使非簧载质量的振动状况恶化.

天棚惯容要求惯容器与惯性参考系相连,但在车辆悬架系统中,惯容器不可能与惯性参考系相连,这使得天棚惯容不能被真实地实现.以半主动形式实现的天棚惯容悬架Sa(图2d)的动力学方程为

(13)

令阻尼系数c=0,即去掉减震器,对图2d天棚惯容悬架Sa进行简化,简化后的天棚惯容悬架Sb如图3所示.

在理想天棚惯容悬架中,天棚惯容对簧载质量施加一个与其加速度方向相反的惯性力：

(14)

图3 简化后的天棚惯容悬架Sb

在天棚惯容悬架Sa和Sb中,可调惯容器对m2施加的作用力包括惯性力和寄生阻尼力,合力为

(15)

由式(9)可知,式(15)还可表示为

(16)

当用可调惯容器模拟实现理想天棚惯容时F=Fs,即

(17)

由式(17)可知,天棚惯容控制的惯容系数调节律为

(18)

(19)

3 天棚惯容悬架建模与分析

传统悬架空载时,簧载质量m2=500.0 kg,传统悬架满载时,簧载质量m2+mc=1 500.0 kg.为保持空满、满载时的车身偏频基本不变,当车辆处于空载状态时,采用天棚惯容控制方法模拟传统悬架满载时的情况,此时,天棚惯容悬架Sa,Sb均为空载,其簧载质量m2=500.0 kg,bsky=1 000.0 kg.传统悬架和天棚惯容悬架Sa的弹簧刚度k、阻尼系数c、非簧载质量m1、轮胎刚度kt均相等,对天棚惯容悬架Sa,Sb中的可调惯容器均取阻尼惯容比α=0.25 N·s·m-1·kg-1.

在Matlab/Simulink中搭建传统悬架和天棚惯容Sa,Sb悬架系统的1/4车辆模型,并对其性能进行对比分析.仿真采用某型军用越野车的后悬参数：非簧载质量m1为122.5 kg；簧载质量空载时,m2为500.0 kg；簧载质量满载时,m2为1 500.0 kg；天棚惯容系数bsky为1 000.0 kg；轮胎刚度kt为584.0 kN·m-1；主弹簧刚度k为77.9 kN·m-1；阻尼系数c为3 kN·s·m-1.

图4 车身加速度均方根值对比方案1

图5 悬架动行程均方根值对比方案1

图6 轮胎动载荷均方根值对比方案1

从图4可以看出：传统悬架空载时车身偏频为1.88 Hz,满载时车身偏频为1.06 Hz,传统悬架空满、满载时车身偏频变化较大；空载时车身加速度均方根值的低频峰值比满载时高24.9%,说明传统悬架空载时平顺性较差.

对于天棚惯容悬架Sa,从图4可以看出： 车身偏频为1.26 Hz,比传统悬架空载时降低了33.0%,车身加速度均方根值低频峰值较传统悬架空载时减小了52.3%,天棚惯容悬架Sa有效提高了空载时车辆的行驶平顺性.从图5可以看出： 天棚惯容悬架Sa动行程均方根值的低频峰值与传统悬架满载时较为接近,这表明天棚惯容悬架Sa能够充分利用悬架的工作行程空间.从图6可以看出： 天棚惯容悬架Sa的轮胎动载荷均方根值的低频峰值比空载时的传统悬架明显减小,这说明天棚惯容悬架Sa有利于提高空载时车辆的行驶稳定性.

对于天棚惯容悬架Sb,从图4可以看出： 天棚惯容悬架Sb车身偏频为1.12 Hz,比传统悬架空载时降低了40.4%,但车身加速度均方根值低频峰值较传统悬架空载时增加了157.2%,天棚惯容悬架Sb车辆行驶平顺性出现严重恶化.从图5可以看出： 天棚惯容悬架Sb动行程均方根值低频峰值大于满载时的传统悬架,这说明天棚惯容悬架Sb比满载时的传统悬架更容易撞击限位块.从图6可以看出： 天棚惯容悬架Sb轮胎动载荷均方根值低频峰值比传统悬架空载和满载时的都大,这说明天棚惯容悬架Sb的车辆行驶稳定性出现了恶化.

因此,与传统悬架相比,天棚惯容悬架Sa能够确保高频性能没有明显恶化的前提下,大幅改善低频性能,整体上提高空载时的车辆行驶平顺性.然而,天棚惯容悬架Sb由于缺少阻尼元件,同时寄生阻尼又不能够提供足够的阻尼力,因此出现了性能恶化的情况.

4 寄生阻尼对悬架性能影响分析

对于天棚惯容悬架Sa,为了研究液力连续可调惯容装置中寄生阻尼对悬架性能的影响,通过选取不同油液及结构参数的方法得到3种寄生阻尼特性的可调惯容器,对应的天棚惯容悬架分别为Sa1,Sa2,Sa3,如表1所示.将天棚惯容悬架Sa1,Sa2,Sa3与传统悬架空载时的性能进行对比,结果如图7-9及表2所示.

表1 对应3种不同寄生阻尼特性的可调惯容装置参数

图7 车身加速度均方根值对比方案2

图8 悬架动行程均方根值对比方案2

图9 轮胎动载荷均方根值对比方案2

悬架类型车身加速度均方根值/(m·s-2)悬架动行程均方根值/m轮胎动载荷均方根值/kN传统悬架(空载)2.399 80.013 41.226 8Sa11.144 10.015 90.790 8Sa21.361 00.013 60.833 8Sa31.660 00.012 20.926 0

从图7-9及表2可以看出： 天棚惯容悬架Sa1,Sa2,Sa3车身加速度均方根值低频峰值较传统悬架空载时分别减小了52.3%,43.3%,30.8%;轮胎动载荷均方根值低频峰值较传统悬架空载分别减小了35.5%,32.0%,24.5%;悬架动行程均方根值低频峰值较传统悬架空载分别增加18.7%,1.5%和降低了9.0%.可见,α值越小,即寄生阻尼与惯容系数的比值越小,天棚惯容悬架Sa低频性能改善越明显,越有利于提高空载时车辆的行驶平顺性及充分利用悬架的工作行程空间.需要说明的是,尽管轮胎动载荷均方根值高频峰值略有恶化,但对车辆行驶稳定性的影响有限.

5 结 论

1) 基于连续可调惯容装置提出了一种天棚惯容控制方法,以半主动的方式模拟实现了天棚惯容,其控制效果相当于增大了簧载质量,降低了车身偏频,提高了车辆在空载状态时的行驶平顺性,使车辆具有更好的空满、满载适应能力.尽管文中是针对空载状态进行控制研究,但从增大簧载质量、降低车身偏频的角度考虑,天棚惯容控制方法也能提高半载乃至非满载时的行驶平顺性.

2) 天棚惯容悬架Sa能够有效提高空载时的车辆行驶平顺性,并且寄生阻尼与惯容系数的比值越小,即油液黏度越小或油液密度、螺旋槽半径越大,越有利于提高车辆的行驶平顺性.

3) 天棚惯容悬架Sb出现了性能恶化的情况,不利于车辆行驶平顺性的提高,说明可调惯容器寄生阻尼不能够提供足够的阻尼力,因此,需要独立的阻尼元件提供阻尼力.

4) 为简化模型,在对连续可调惯容器进行建模时,忽略了一些次要因素,并理想地认为流体的流动状态为层流.在后续的工作中,研究团队将研制连续可调惯容器样机,通过试验建立精确的惯容器及其寄生阻尼流体模型,深入研究流体的沿程阻力、局部阻力及流动特性对天棚惯容半主动悬架的影响.