液壓互聯(lián)懸架能耗分析與參數(shù)優(yōu)化

陳 龍，張承龍，汪若塵，葉 青

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

互聯(lián)懸架是指單個(gè)車輪的運(yùn)動引起其他車輪或車輪組發(fā)生變化的懸架系統(tǒng)的總稱。其中液壓反向互聯(lián)懸架可以通過左右懸架系統(tǒng)內(nèi)油液的耦合，在乘坐舒適性不變差的前提下，較大程度的改善車輛的操縱穩(wěn)定性[1-4]。油液在系統(tǒng)的傳動過程中，油液與管壁之間存在摩擦，油液分子間存在內(nèi)摩擦，管道方向、斷面積的改變都會造成系統(tǒng)壓力的損失。這部分壓力損失的能量都以熱能的形式耗散掉，從而衰減車身的振動[5]。

喻凡等[6]對被動懸架阻尼器功耗進(jìn)行了估算，并分析了主動懸架設(shè)計(jì)中回收能量的潛力；方志剛等[7]提出了懸架能量耗散因子的概念，并推導(dǎo)出能量耗散的計(jì)算方法；于長淼等[8]通過CARSIM軟件仿真分析了車輛在不同車速及路面下懸架阻尼器的能耗。

上述研究表明，目前相關(guān)學(xué)者對懸架節(jié)能潛力研究主要是針對傳統(tǒng)被動懸架減振器開展，尚未對液壓互聯(lián)懸架節(jié)能潛力進(jìn)行分析。筆者以液壓互聯(lián)懸架為研究對象，研究其系統(tǒng)各液壓元器件的能耗特性，選取不同的阻尼孔孔徑，對懸架動力學(xué)性能及節(jié)能性進(jìn)行協(xié)調(diào)性優(yōu)化。

1 液壓互聯(lián)懸架能耗分析

1.1 液壓互聯(lián)懸架結(jié)構(gòu)形式及減振原理

筆者采用的研究對象為反向互聯(lián)懸架，其結(jié)構(gòu)形式如圖1。左右懸架的液壓缸均為雙作用液壓缸，其通過連接管道實(shí)現(xiàn)反向互聯(lián)，每根連接管道上都安裝一個(gè)阻尼閥和一個(gè)蓄能器。

該懸架系統(tǒng)的阻尼力主要通過阻尼孔提供，其工作原理為：當(dāng)車架和車身間受路面激勵引起相對運(yùn)動時(shí)，液壓缸內(nèi)的活塞上下運(yùn)動，迫使油液從高壓腔通過互聯(lián)管路流向低壓腔。當(dāng)油液流經(jīng)阻尼閥時(shí)，阻尼孔與油液間的摩擦以及油液分子間的內(nèi)摩擦對車身振動行成阻尼力，使得汽車振動能量轉(zhuǎn)化為油液的熱能，從而起到衰減車身振動、改善乘坐舒適性的作用。

圖1 反向互聯(lián)式懸架結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Reverse interconnected suspension structure arrangement

1.2 系統(tǒng)流量計(jì)算

在路面激勵的作用下，左右液壓缸內(nèi)的活塞往復(fù)運(yùn)動，使得油液從壓力大的腔體流入壓力小的腔體?；钊麑⒏左w分隔為有桿腔和無桿腔，則進(jìn)出有桿腔和無桿腔油液的流量可用式(1)表示[9]：

(1)

由活塞桿導(dǎo)致容積變化響應(yīng)問題通過蓄能器中油液進(jìn)行補(bǔ)償，則進(jìn)出蓄能器的流量可用式(2)表示：

(2)

1.3 系統(tǒng)能耗計(jì)算

1.3.1 液壓缸

為保證系統(tǒng)的密封性，液壓缸采用密封圈，使得活塞與液壓缸壁相對運(yùn)動過程中產(chǎn)生摩擦，同時(shí)油液也存在黏性摩擦力。因此，筆者采用庫侖+黏性摩擦模型[10]。以左液壓缸為例，則其摩擦損失的功耗PLf可用式(3)表示：

(3)

式中：Ff為液壓缸摩擦力；b為液壓缸黏性系數(shù)；Fc為庫倫摩擦力。

1.3.2 蓄能器

筆者采用皮囊式液壓蓄能器，由于蓄能器消耗的功率較小，因此對蓄能器的模型作適當(dāng)簡化，其結(jié)構(gòu)示意如圖2。

圖2 皮囊式蓄能器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Peltry energy accumulator structure diagram

蓄能器的能耗主要通過油液流經(jīng)連接短管形成局部壓力損失造成的，以左蓄能器為例，其功率損耗Pl蓄可用式(4)表示：

(4)

式中：ΔPl蓄為蓄能器壓降；ζ為連接短管的局部阻力系數(shù)；A蓄為連接短管的截面積。

1.3.3 阻尼閥

以左阻尼孔為例，阻尼閥工作時(shí)的壓降可用薄壁小孔公式來計(jì)算，如式(5)：

(5)

阻尼閥壓力損失功率Pl阻可用式(6)表示：

(6)

式中：cq為油液的流量系數(shù)；A阻為阻尼閥開口面積。

1.3.4 管 路

油液在管路流動時(shí)，克服黏性阻力也需要消耗一部分能量。以左管路為例，由于左蓄能器安裝位置與左液壓缸有桿腔出油口位置接近，忽略這一段管路的壓力損失，故左管路的沿程壓力損失可用式(7)表示：

(7)

左管路沿程損失功率Pl沿可用式(8)表示：

(8)

式中：L為管路的等效長度；Vv為油液的運(yùn)動黏度；d管為管路的直徑。

2 能耗分析

某商用車的仿真參數(shù)如表1。

表1 仿真模型主要參數(shù)

筆者將在B級路面下車速分別為20、40 m/s；C級路面下車速為40 m/s的這3種工況進(jìn)行仿真分析。各液壓元器件平均功耗如表2。

表2 各液壓元器件平均功耗

懸架能耗的時(shí)域響應(yīng)如圖3。

由圖3及表2可知：①隨著車速提高和路面等級變差，互聯(lián)懸架系統(tǒng)內(nèi)各液壓元器件的功耗也不斷增加；②隨著車速提高和路面等級變差，阻尼閥功耗占懸架系統(tǒng)功耗比重由第1種工況的59.8%降為第3種工況的48.6%，有下降的趨勢，然而阻尼閥的功耗占比依然是系統(tǒng)中最大的。

圖3 懸架能耗仿真時(shí)域Fig.3 Response of suspension energy consumption in time domain

3 懸架參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過能耗仿真分析，若要實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能減排，可對阻尼閥相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)兼顧車輛的動力學(xué)性能。

3.1 DOE分析

以車身加速度為乘坐舒適性評價(jià)指標(biāo)，以阻尼閥功耗為節(jié)能性指標(biāo)，以阻尼孔孔徑為設(shè)計(jì)變量，對模型參數(shù)進(jìn)行DOE分析[11]。阻尼孔變化時(shí)，對車身加速度均方根值和阻尼閥功耗的影響如圖4。

由圖4可知：① 隨著阻尼孔孔徑增加，車身加速度均方根值下降，乘坐舒適性提高；阻尼閥功耗上升，車輛的節(jié)能性變差。② 車身加速度均方根值與阻尼閥功耗存在制約關(guān)系，為了權(quán)衡乘坐舒適性和節(jié)能性，需要對二者進(jìn)行協(xié)調(diào)性優(yōu)化。

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化

NSGA-Ⅱ采用快速非支配排序算法，計(jì)算復(fù)雜度比 NSGA 大大降低，同時(shí)引入精英策略，擴(kuò)大采樣空間，防止最佳個(gè)體丟失，提高了算法運(yùn)算速度和魯棒性。選擇的遺傳算法參數(shù)包括：種群數(shù)量60、遺傳代數(shù)20、交叉概率0.9、交叉分布指數(shù)10、變異分布指數(shù)20。

筆者采用線性加權(quán)和法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)求解。考慮到子目標(biāo)函數(shù)在量綱和量級上存在差異，先對各子目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即將各子目標(biāo)函數(shù)除以各自的最大值，多目標(biāo)優(yōu)化模型如式(9)[12]：

(9)

式中：f1(x)為車身加速度均方根；f1(x)max為該函數(shù)極大值點(diǎn)；f2(x)為阻尼閥功耗；f2(x)max為其極大值點(diǎn)，由3.1節(jié)可知，f1(x)max=1.10、f2(x)max=600；w1、w2分別為對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，均取0.5；d為阻尼孔直徑；Dmax為允許的最大動行程取180 mm。

通過計(jì)算得到最優(yōu)阻尼孔孔徑為3.6 mm。在C級路面、車速為40 m/s的工況下，分別將優(yōu)化前后阻尼孔孔徑代入模型，進(jìn)行對比分析。結(jié)果如表3。

表3 優(yōu)化前后結(jié)果對比

仿真得到的車身加速度、阻尼閥功耗時(shí)域信號對比如圖5。

仿真結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化后的液壓互聯(lián)懸架在乘坐舒適度上有了較大的改善，同時(shí)也降低了阻尼閥的功耗，有效提升了車輛節(jié)能減排的潛力。

4 結(jié) 論

1)從能耗角度出發(fā)，筆者通過仿真，分析了3種城市工況下，液壓互聯(lián)懸架各液壓元件的能耗，并發(fā)現(xiàn)阻尼閥能耗占比較大，為進(jìn)一步懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

2)通過DOE分析，發(fā)現(xiàn)乘坐舒適性與阻尼閥能耗存在制約關(guān)系。采用線性加權(quán)和法及NSGA-Ⅱ遺傳算法對該多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)性優(yōu)化求解。優(yōu)化后的車身加速度降低了5.98%，阻尼閥功耗下降了4.82%，這對提高車輛底盤性能具有實(shí)際意義。

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