基于空氣彈簧充放氣特性的汽車運(yùn)行姿態(tài)控制

夏晶晶

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189;2.淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

當(dāng)汽車遇到極限工況時(shí)，如小半徑轉(zhuǎn)彎，躲避障礙物等工況，由于汽車發(fā)生過(guò)量的動(dòng)態(tài)載荷橫向轉(zhuǎn)移，容易誘發(fā)側(cè)翻事故;而且有部分汽車由于工作裝置的需要對(duì)于車身水平有較高要求，因此有必要在汽車上安裝車身姿態(tài)控制系統(tǒng)，保持車身水平滿足工作裝置需要，并且在汽車側(cè)傾狀況下保證汽車的側(cè)向穩(wěn)定性.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車側(cè)翻控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，A.B.Dunwoody等［1］提出一種主動(dòng)控制系統(tǒng)，利用液壓式第5輪和主動(dòng)懸架來(lái)控制汽車的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，使側(cè)翻門檻值提高了20% ～30%;T.J.Wielenga等［2］提出一種防側(cè)翻控制系統(tǒng)，利用差動(dòng)制動(dòng)代替全輪制動(dòng)，若車輪離地或汽車橫向加速度超過(guò)門檻值，該系統(tǒng)立即觸發(fā)差動(dòng)制動(dòng)措施避免側(cè)翻.上述幾種方法確實(shí)在一定程度上抑制車身側(cè)傾的趨勢(shì)，可以減少側(cè)翻事故的發(fā)生，但是對(duì)于汽車側(cè)傾的抑制效果有限，而且四輪轉(zhuǎn)向、差動(dòng)制動(dòng)同時(shí)還對(duì)其它系統(tǒng)功能造成干涉.另在部分汽車上已經(jīng)裝有可以調(diào)節(jié)車身高度的空氣懸架，但它的主要作用是有些工況下提高車身高度改善汽車通過(guò)性，有些工況下降低汽車質(zhì)心改善汽車行駛穩(wěn)定性，以及提供側(cè)跪功能便于乘客上下車等，而沒(méi)有涉及保持車身水平的功能.

筆者結(jié)合空氣彈簧的充放氣特性，為汽車設(shè)計(jì)車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)及其控制策略，在側(cè)傾危險(xiǎn)狀況下，及時(shí)調(diào)整空氣懸架的剛度，提高汽車的側(cè)向穩(wěn)定性，減少汽車側(cè)翻事故的發(fā)生;在常規(guī)工況下控制車身水平，滿足工作裝置需要.

1 空氣彈簧充放氣特性

目前部分汽車上裝有的空氣彈簧充放氣的目的主要是控制車身高度，根據(jù)車速、路面等工況需求，調(diào)節(jié)空氣彈簧高度位置，改變車身高度，改善汽車低速時(shí)的通過(guò)性、高速時(shí)的行駛穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)便于乘客上下車的側(cè)跪功能等.空氣彈簧充放氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣筒、電磁閥以及氣源處理元件、保護(hù)元件等組成.

空氣彈簧的充放氣特性研究屬于開(kāi)口系統(tǒng)問(wèn)題，即容器內(nèi)與外界進(jìn)行質(zhì)量交換、能量交換和力的相互作用過(guò)程中，容器內(nèi)的物理量(如壓力、溫度等)隨時(shí)間變化的規(guī)律.

當(dāng)進(jìn)行車身水平位置調(diào)節(jié)時(shí)，充放氣速度較慢，可以近似為在固定載荷下的變?nèi)莘e充放氣，為等溫過(guò)程;當(dāng)進(jìn)行汽車空氣懸架剛度控制時(shí)，充放氣速度較快，可以近似為在動(dòng)載荷下的固定容積充放氣，為絕熱過(guò)程.

對(duì)于近似為固定容器的空氣彈簧進(jìn)行充放氣，計(jì)算充放氣時(shí)間的公式如下:

式中:ρ1，ρ'1為充氣放氣前后空氣彈簧內(nèi)氣體密度;ρ為進(jìn)入放出氣體的密度;A為充氣放氣管路截面積;V為空氣彈簧的體積;u為管道內(nèi)氣體平均流速;t為充氣放氣時(shí)間.

對(duì)于近似為變?nèi)莘e容器的空氣彈簧進(jìn)行充放氣，計(jì)算充放氣時(shí)間的公式如下:

式中:ΔV為充氣放氣時(shí)空氣彈簧容積的變化量.

根據(jù)伯努力方程可以確定管道內(nèi)氣體平均流速，公式為

式中:p1為儲(chǔ)氣筒額定壓力，研究中考慮為恒定壓力;p2為空氣彈簧內(nèi)壓力.

實(shí)際充氣過(guò)程中，需要考慮隨著向空氣彈簧充氣過(guò)程，氣囊壓力增加，有3個(gè)影響因素:① 氣囊中氣體溫度升高;②使車架加速，靜載荷變?yōu)閯?dòng)載荷;③克服減振器的力.因此在確定實(shí)際空氣彈簧充氣時(shí)間，需要取空氣彈簧承載系數(shù)γ1進(jìn)行修正.

2 汽車運(yùn)行姿態(tài)控制

汽車運(yùn)行姿態(tài)控制主要是在特殊工況下進(jìn)行空氣懸架剛度控制提高汽車側(cè)向穩(wěn)定性，以及在常規(guī)工況下根據(jù)工作裝置需要進(jìn)行車身水平位置控制.

目前，國(guó)外汽車側(cè)翻指標(biāo)的選取主要有側(cè)向加速度，側(cè)傾角以及橫向載荷轉(zhuǎn)移率3種.考慮兼顧汽車側(cè)傾剛度控制、汽車水平位置控制，將側(cè)傾角以及側(cè)傾角速度作為汽車運(yùn)行姿態(tài)控制的評(píng)價(jià)指標(biāo).

在普通空氣懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加前后、左右2個(gè)方向的側(cè)傾角傳感器、高速開(kāi)關(guān)電磁閥，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定為1 MPa，用來(lái)測(cè)量車身側(cè)傾角、側(cè)傾角速度、空氣懸架充放氣速度等參數(shù).實(shí)現(xiàn)上述控制的汽車運(yùn)行姿態(tài)控制系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 汽車運(yùn)行姿態(tài)控制示意圖

汽車運(yùn)行姿態(tài)控制系統(tǒng)首先根據(jù)側(cè)傾角傳感器測(cè)量的車身側(cè)傾角及算出的側(cè)傾角速度信號(hào)，判斷汽車是否處于側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài)，側(cè)傾角及側(cè)傾角速度與汽車側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài)的關(guān)系由試驗(yàn)得出，并存儲(chǔ)在電子控制單元(ECU)中，如果處于側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài)需要進(jìn)行空氣懸架剛度控制，運(yùn)用模糊算法計(jì)算出合理的充放氣速度進(jìn)行快速充放氣，實(shí)現(xiàn)汽車的側(cè)向穩(wěn)定;如果沒(méi)有處于側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài)則根據(jù)工作裝置需要進(jìn)行車身水平位置控制，當(dāng)側(cè)傾角傳感器測(cè)出水平差大于限值時(shí)進(jìn)行慢速充放氣，實(shí)現(xiàn)車身水平［3-4］.

2.1 空氣懸架剛度控制

首先分析空氣彈簧不受充放氣影響，處于封閉狀態(tài)時(shí)的剛度特性［5］.

假定為絕熱壓縮，氣壓-體積關(guān)系方程為

式中:p0為大氣壓;γ為比熱比;p3為空氣彈簧內(nèi)初始狀態(tài)的絕對(duì)氣壓;V1為空氣彈簧內(nèi)初始狀態(tài)的相應(yīng)的容積.

式中:S2為空氣彈簧的有效承載面積;δ為空氣彈簧變形量.

式中:K為空氣彈簧剛度;F為空氣彈簧承受載荷.

由于體積的改變相對(duì)初始體積要小得多，則剛度表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于充放氣空氣彈簧內(nèi)氣體密度、氣體壓力發(fā)生了較大變化.

綜合以上公式可以得出，空氣彈簧剛度主要取決于空氣彈簧內(nèi)空氣壓力，而空氣壓力的變化取決于空氣彈簧的充放氣特性，充放氣特性受到進(jìn)氣壓力差、進(jìn)氣阻力等因素影響.因此通過(guò)對(duì)空氣懸架的充放氣，改變其內(nèi)部壓力，可以使空氣懸架的剛度發(fā)生改變.依據(jù)以上原理設(shè)計(jì)空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制器，如圖2所示.

圖2 空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制器

由于側(cè)傾角以及角速度和充放氣速度沒(méi)有確切的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此在空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制中使用模糊控制器.基于以上基本原理，通過(guò)足夠多的試驗(yàn)，制定合理的模糊規(guī)則，以側(cè)傾角以及角速度為輸入變量，通過(guò)模糊推理，得出高速開(kāi)關(guān)電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比大小，控制空氣彈簧的充放氣速度，側(cè)傾內(nèi)側(cè)充氣，側(cè)傾外側(cè)放氣.

建立高速開(kāi)關(guān)電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比與側(cè)傾角以及角速度的關(guān)系為

式中:D為高速開(kāi)關(guān)電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比;φ為車身側(cè)傾角.

側(cè)傾角論域?yàn)椋?，20］，側(cè)傾角速度論域?yàn)椋?，15］，高速開(kāi)關(guān)電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比論域?yàn)椋?，1］.在整個(gè)論域范圍內(nèi)定義輸入輸出模糊變量的模糊子集:{PL，PM，PS，Z，NS，NM，NL}，分別代表正大、正中、正小、0、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定空氣懸架剛度調(diào)節(jié)模糊控制器控制規(guī)則:

通過(guò)選定隸屬度函數(shù)可以把精確的變量模糊化，為了使控制器具有較快的響應(yīng)和較好的穩(wěn)定性，選擇鐘形隸屬度函數(shù).采用重心法將模糊輸出進(jìn)行解模糊，得到精確的控制輸出.

在汽車行駛中，由于路面傾斜度較大導(dǎo)致載荷過(guò)度向一側(cè)轉(zhuǎn)移，或者在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于離心力的作用，汽車有傾翻趨勢(shì)時(shí)，由安裝在車身上的側(cè)傾角傳感器測(cè)量出的車身側(cè)傾角以及角速度，與ECU中存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，確定汽車處于側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，懸架剛度控制開(kāi)始作用，ECU產(chǎn)生高速開(kāi)關(guān)電磁閥的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制空氣彈簧的充放氣速度，及時(shí)調(diào)整空氣懸架的剛度，同時(shí)形成與傾翻趨勢(shì)相反的反側(cè)傾力矩，保證汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性［6-8］.

2.2 車身水平位置控制

汽車在復(fù)雜道路上行駛時(shí)，車身不可避免會(huì)發(fā)生傾斜，車身傾斜會(huì)影響車上工作裝置的工作，有必要通過(guò)車身水平位置控制實(shí)現(xiàn)車身的水平.根據(jù)式(3)，(4)，同時(shí)考慮在容積變化過(guò)程中，空氣彈簧的有效承載面積變化遠(yuǎn)小于空氣彈簧的變形量，因此可以得出，當(dāng)充放氣速度較慢，近似為是在固定載荷下的變?nèi)莘e充放氣，可以通過(guò)調(diào)節(jié)空氣懸架的變形量，實(shí)現(xiàn)車身水平位置的調(diào)節(jié).依據(jù)以上原理設(shè)計(jì)車身水平位置調(diào)節(jié)控制器，如圖3所示.

圖3 車身水平位置調(diào)節(jié)控制器

通過(guò)前后、左右傾角傳感器測(cè)量車身的傾角情況，與存儲(chǔ)在ECU中的允許值(允許值的大小根據(jù)具體工作裝置需要設(shè)定)進(jìn)行比較，如超過(guò)允許值，ECU發(fā)出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥，以不變且較慢的速度進(jìn)行充放氣來(lái)改變空氣彈簧的變形量，始終將車身保持水平.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮車身水平位置控制的主要方法近似常規(guī)的車身高度控制，且控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，因此主要進(jìn)行空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制的試驗(yàn)驗(yàn)證.由于汽車側(cè)翻試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，選用仿真試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，運(yùn)用Matlab/Simulink 軟件進(jìn)行仿真［9-10］.

選擇汽車運(yùn)行的階躍轉(zhuǎn)向工況，以80 km·h-1的行駛速度、方向盤轉(zhuǎn)角200°的輸入條件來(lái)驗(yàn)證所提出的側(cè)翻主動(dòng)控制的效果.圖4為不進(jìn)行空氣懸架剛度控制和進(jìn)行空氣懸架剛度控制的側(cè)傾角變化情況的比較，曲線1為不進(jìn)行空氣懸架剛度控制的側(cè)傾角變化情況，曲線2為進(jìn)行空氣懸架剛度控制的側(cè)傾角變化情況.

圖4 車身側(cè)傾角變化情況

從圖4可以看出，不進(jìn)行空氣懸架剛度控制，汽車的側(cè)傾角不斷增加，有側(cè)翻的危險(xiǎn);進(jìn)行空氣懸架剛度控制，汽車的側(cè)傾角受到很好的控制，基本穩(wěn)定在4.1°左右.圖5為后橋空氣懸架的剛度變化情況，曲線3為左側(cè)空氣懸架的剛度變化情況，曲線4為右側(cè)空氣懸架的剛度變化情況.

圖5 空氣懸架剛度變化情況

從圖5可以看出，當(dāng)汽車處于側(cè)傾危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，汽車運(yùn)行姿態(tài)控制系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行左側(cè)、右側(cè)空氣懸架充放氣控制，實(shí)現(xiàn)空氣懸架剛度的調(diào)整，左側(cè)剛度從原來(lái)的25500 N·m-1上升至28700 N·m-1，上升了12.5%，右側(cè)剛度從原來(lái)的25500 N·m-1下降至22100 N·m-1，下降了13.3%，實(shí)現(xiàn)汽車的運(yùn)行姿態(tài)控制.

4 結(jié)論

充分運(yùn)用空氣彈簧的充放氣特性，從汽車的工作實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了汽車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng).汽車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)在側(cè)傾危險(xiǎn)狀況下，可以及時(shí)調(diào)整空氣懸架的剛度，提高汽車的側(cè)向穩(wěn)定性，減少汽車側(cè)翻事故的發(fā)生，而且在常規(guī)工況下可以控制車身的水平情況，可以滿足工作裝置需要.

References)

［1］Dunwoody A B，F(xiàn)roese S.Active roll control of a semitrailer［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:933045.

［2］Wielenga T J，Chace M A.A study of rollover prevention using anti-rollover braking［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2000-01-1642.

［3］Wang J，Wilson D A，Xu W，et al.Integrated vehicle ride and steady-state handling control via active suspensions［J］.International Journal of Vehicle Design，2006，42(3/4):306-327.

［4］March C，Shim T.Integrated control of suspension and front steering to enhance vehicle handling［J］.Journal of Automobile Engineering，2007，221:377-391.

［5］楊啟耀.ECAS汽車懸架系統(tǒng)的匹配［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，2008.

［6］陳 龍，袁傳義，江浩斌，等.汽車主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自適應(yīng)模糊集成控制［J］.汽車工程，2007，29(1):8-12.Chen Long，Yuan Chuanyi，Jiang Haobin，et al.Integrated adaptive fuzzy control of vehicle active suspension and electric power steering system［J］.Automotive Engineering，2007，29(1):8-12.(in Chinese)

［7］袁傳義，陳 龍，江浩斌，等.主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模糊集成控制［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28(1):29-32.Yuan Chuanyi，Chen Long，Jiang Haobin，et al.Fuzzy integrated control of active suspension and electricalpower steering system［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2007，28(1):29-32.(in Chinese)

［8］貝紹軼，袁傳義，陳 龍，等.基于軸距預(yù)瞄的半主動(dòng)懸架模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［J］.汽車工程，2010，32(12):1068-1070.Bei Shaoyi，Yuan Chuanyi，Chen Long，et al.Fuzzy neural network control of semi-active suspension based on wheel base preview［J］.Automotive Engineering，2010，32(12):1068-1070.(in Chinese)

［9］樓少敏，付 振，許滄粟.整車半主動(dòng)懸架滑模控制器的設(shè)計(jì)與仿真［J］.汽車工程，2010，32(8):719-725.Lou Shaomin，F(xiàn)u Zhen，Xu Cangsu.Design and simulation of a sliding mode controller for vehicle semi-active suspension［J］.Automotive Engineering，2010，32(8):719-725.(in Chinese)

［10］Allotta B，Pugi L，Bartolini F.Design and experimental results of an active suspension system for high-speed pantograph［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2008，13(5):548-557.