基于路面信息的葉片減振器控制策略的研究

吳佳俊，曹小宇

基于路面信息的葉片減振器控制策略的研究

吳佳俊，曹小宇

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于葉片式減振器提出了一種融合路面信息的阻尼力優(yōu)化控制算法。首先介紹了葉片減振器和懸架的結(jié)構(gòu)特點，分析了減振器和懸架的工作原理，然后提出了葉片減振器以及懸架的數(shù)學(xué)模型，介紹了臂式懸架的動力學(xué)特性，最后基于模糊PID控制算法搭建了融合路面信息的系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，該葉片減振器控制策略可以改善懸架的平順性。

路面信息；葉片減振器；控制策略；系統(tǒng)仿真

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車懸架的要求也越來越高。雖然縱臂式懸架具有明顯的優(yōu)勢且可優(yōu)化空間分配，實用價值廣泛，但是仍然無法滿足人們的需求。因此，為了進一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)，采用葉片減振器來取代傳統(tǒng)的筒式減振器，在優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)的同時還可提高懸架的減振能力。但是由于目前并沒有關(guān)于葉片減振器的控制算法研究，導(dǎo)致減振器的阻尼力不能根據(jù)路面情況實時達到最優(yōu)解，懸架的平順性還有待進一步提高，因此提出一種融合路面信息的阻尼力優(yōu)化控制算法至關(guān)重要。由于縱臂式懸架可以直接識別車身高度的變化，不需要額外的系統(tǒng)，所以本文將通過識別路面信息的變化，對懸架車身高度進行調(diào)節(jié)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 減振器結(jié)構(gòu)

葉片減振器主要由減振器殼體、減振器套筒、油管、電磁閥、減振油以及密封橡膠套組成。為了加工和密封方便，葉片式減振器采用的設(shè)計結(jié)構(gòu)為兩腔體式，如圖1所示。

減振器殼體開設(shè)有油路口，油液通過與油管連接的外部電磁閥或者縫隙流到另一個腔室。在此過程中，油液與缸體內(nèi)壁以及油液內(nèi)部分子之間發(fā)生劇烈摩擦，由于孔和縫隙的節(jié)流作用產(chǎn)生減振器阻尼力。當(dāng)縱臂受到路面沖擊轉(zhuǎn)動時，葉片轉(zhuǎn)動驅(qū)使懸架工作，縱臂受到振動使得左右腔體產(chǎn)生液壓差，液壓差迫使腔內(nèi)減振液來回通過電磁閥或者縫隙，最終將縱臂受到的振動能量轉(zhuǎn)化為減振油的內(nèi)能，來達到吸振的效果。雖然在擋板與套筒的接觸處、葉片與殼體內(nèi)壁的接觸處安裝了橡膠條，以防止油從縫隙中流出，但仍然可以在樣機中找到縫隙，縫隙的尺寸對阻尼力具有非常重要的 影響[1]。

1.2 懸架結(jié)構(gòu)

懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

提出了一種基于葉片減振器的懸架系統(tǒng)，懸架系統(tǒng)主要由車身調(diào)節(jié)電機、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、扭桿彈簧、葉片減振器、電磁閥、縱臂、油路、定位螺母構(gòu)成。懸架上設(shè)有動力模塊、傳動模塊和減振模塊。動力模塊中，電機為整個系統(tǒng)提供動力；傳動模塊中，傳動裝置將電機提供的動力依次通過蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、電機輸出軸、減振器殼體、扭桿彈簧最終傳遞給縱臂，縱臂受力作用后旋轉(zhuǎn)以達到車身高度的調(diào)節(jié)；減振模塊中，葉片減振器和扭桿彈簧相配合，當(dāng)懸架受到激勵時，路面的激勵通過輪胎傳遞給縱臂，帶動縱臂轉(zhuǎn)動，縱臂轉(zhuǎn)動后帶動扭桿彈簧和葉片減振器套筒轉(zhuǎn)動，進而產(chǎn)生相應(yīng)的彈性力矩以及阻尼力矩來減緩懸架振動。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 葉片減振器液壓數(shù)學(xué)模型

基于懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和雙腔式葉片減振器的結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)流體力學(xué)理論，可以將葉片減振器的阻尼系數(shù)簡化為粘性阻尼，其表達式為：

=（1）

式（1）中：為葉片減振器阻尼力；為葉片減振器的阻尼大小，稱為阻尼系數(shù)，是常數(shù)；為減振油的運動速度。

為了求解葉片減振器的阻尼系數(shù)值，則需要得出=（）的關(guān)系式，依據(jù)參考文獻[2]的結(jié)論可以得到減振器阻尼力與兩腔室的液壓差之間的關(guān)系、減振器流量與速度的關(guān)系以及減振器流量與兩腔室的液壓差之間的關(guān)系△=（），=（），=（△）。

△=（）的關(guān)系式為：

=·，

=（）的關(guān)系式為：

=（△）的關(guān)系式為：

聯(lián)立上述方程可得1=（△）的關(guān)系式。

由于葉片減振器的減振油除了從電磁閥和管路內(nèi)流通，還會從減振器的縫隙流通，其縫隙主要存在于套筒葉片和缸體內(nèi)壁之間、缸體隔板與套筒之間、隔板兩側(cè)端面處以及套筒一側(cè)端面4個位置，縫隙處的總流量用2表示，根據(jù)流體力學(xué)可得：

=1+2

再聯(lián)立后即可得到=（△）的關(guān)系式。

將關(guān)系式△=（），=（），=（△）聯(lián)立，可以得到=（）的關(guān)系式。再將得出的關(guān)系式導(dǎo)入MATLAB軟件進行仿真計算求解得出=（）的關(guān)系曲線，如圖3所示，求得的曲線斜率即為減振器的阻尼系數(shù)值，為1 422 N/（m/s）。

圖3 懸架車身加速度仿真圖

2.2 懸架數(shù)學(xué)模型

由于減振器阻尼可調(diào)的效果可以根據(jù)路面的信息實時調(diào)節(jié)葉片減振器的電磁閥的占空比實現(xiàn)。在這里把1/2懸架模型看作在普通減振器的基礎(chǔ)上添加一個額外的阻尼力，把懸架扭桿彈簧、減振器阻尼器、簧下質(zhì)量、輪胎等效彈簧。用二自由度汽車模型對懸架模型進行動態(tài)分析，結(jié)果如下。

建立懸架的力學(xué)振動模型狀態(tài)方程：

式（2）中：2為非簧載質(zhì)量；2為輪胎剛度；為葉片減振器阻尼系數(shù)；（）為主動控制力，其中主動力可根據(jù)路面激勵實現(xiàn)實時主動調(diào)節(jié)[3]；1為簧載質(zhì)量；1為懸架彈簧剛度。

懸架路面信息的采集主要采用位移傳感器，將位移傳感器固定在縱臂上，當(dāng)輪胎受到路面激勵時，輪胎上下跳動帶動縱臂旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生相應(yīng)的位移，通過位移傳感器可測得這部分的地面垂直位移，再將導(dǎo)入懸架狀態(tài)方程可以求得懸架的車身加速度[4]。

由于懸架系統(tǒng)是一個復(fù)雜多變量且非線性的系統(tǒng)，通過假設(shè)條件進行建模簡化，并不能得到十分精確的數(shù)學(xué)模型，因此運用傳統(tǒng)控制方法（如PID控制策略）對懸架系統(tǒng)進行控制，往往并不能獲得很好的減振效果。而以模糊控制理論為基礎(chǔ)的智能控制理可以實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的非精確控制。以2自由度1/2懸架系統(tǒng)為研究對象，考慮懸架的剛度的非線性特性和阻尼特性，對懸架進性模糊PID方法進行控制。依據(jù)路面信息實時控制葉片減振器的電磁閥占空比，使懸架的車身加速度始終保持最小[5]。

3 仿真優(yōu)化分析

利用MATLAB軟件SIMULINK模塊將上述懸架的狀態(tài)方程搭建成懸架系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)控制的方法不同，分別搭建PID控制懸架仿真模型以及模糊PID控制懸架仿真模型。仿真模型中變量取值為：1=20，2=320，1=15 000，2=12 000，=1 422。

實際路面上可以看作路面速度功率譜幅值在整個頻率范圍為一常數(shù)，即為“白噪聲”。

=20 m/s，0=0.1 m-1，q（0）=256×10-6m2/m-1

眾所周知，汽車懸架系統(tǒng)性能最直接地影響車輛的平順性、舒適性和操縱穩(wěn)定性，其反映的物理量為車身加速度、輪胎動載荷以及懸架動繞度。而科學(xué)合理的懸架系統(tǒng)評價指標(biāo)對于匹配車輛懸架系統(tǒng)的參數(shù)尤為重要。

從車身加速度方面而言，車身加速度關(guān)乎汽車的平順性和乘坐舒適性，因此對乘用車而言，該指標(biāo)可以視作評價懸架優(yōu)劣的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)；從懸架動載荷方面而言，由于懸架采用集成輪轂電機和失電制動器的剛性胎，導(dǎo)致影響動載荷特性的輪胎胎壓的因素?zé)o法考慮；從懸架的動擾度方面而言，由于懸架采用的扭桿彈簧、葉片式減振器、懸架的動擾度的變化量較小，不會沖擊到限位塊，因此不適合觀察對比。

基于此，給定相同的路面激勵，代入上述數(shù)據(jù)取值，對懸架車身加速度的進行仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果中可以看出，沒有控制的被動懸架的車身加速度波動范圍最大，在﹣5.14～4.60 m/s2之間來回跳動；經(jīng)過PID控制后，懸架的車身加速度波動變小，曲線變緩和了，在﹣3.65～3.42 m/s2之間跳動；經(jīng)過模糊PID控制后，懸架的車身加速度進一步變得緩和，波動范圍變?yōu)椹?.22～2.85 m/s2。對比仿真結(jié)果可得，模糊PID控制優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，并驗證了基于路面的葉片減振器控制策略的可行性，可以較好地提高懸架的平順性。

4 結(jié)論

本文基于葉片式減振器介紹了一種融合路面信息的阻尼力優(yōu)化控制算法。通過MATLAB的Simulink模塊搭建仿真模型，從仿真結(jié)果可以得出模糊PID控制優(yōu)于PID控制優(yōu)于不控制，其中模糊PID控制相較于PID控制，車身加速度的優(yōu)化程度為14.14%；模糊PID相較于被動懸架，車身加速度優(yōu)化了37.68%，這從原理上驗證了基于路面信息的葉片減振器控制策略的正確性。

［1］崔恩康，韓承冷，鄒俊逸.阻尼可調(diào)葉片減振器的研制與驗證［J］.科技與創(chuàng)新，2019（14）：20-21，23.

［2］趙亮.車輛懸架系統(tǒng)中新減振元件設(shè)計和減振控制算法研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2008.

［3］伍先俊，江征風(fēng)，劉小英.用MATLAB解決汽車懸架的主動控制問題［J］.計算機仿真，2000（2）：14，50-53.

［4］趙豐.基于路面感知的車輛智能懸架控制策略研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2016.

［5］馬克.汽車主動懸架的模糊控制策略研究［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2018.

TB535

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.013

2095－6835（2020）08－0036－03

〔編輯：王霞〕