張孝良, 何 海, 聶佳梅, 陳 龍

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

半主動懸架[1]可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)懸架剛度或阻尼,其性能優(yōu)于被動懸架,成本比主動懸架低得多,是今后懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[2].剛度調(diào)節(jié)可以通過空氣彈簧或油氣彈簧來實現(xiàn),然而,由于汽車彈性元件需承載車身的載荷,因此,實施剛度控制比阻尼控制困難得多.目前,在汽車半主動懸架研究中,對阻尼控制的研究較多[3-4].不論是阻尼還是剛度可調(diào)的半主動懸架,與傳統(tǒng)被動懸架一樣,都基于經(jīng)典隔振理論建立在“彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)體系之上,這限制了懸架性能的進一步提高.

文獻[5]基于機電相似理論提出慣容器的概念并設(shè)計了實現(xiàn)裝置.慣容器的出現(xiàn)及“慣容-彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)新體系的提出,擺脫了懸架技術(shù)發(fā)展固有觀念的束縛,突破了基于經(jīng)典隔振理論的“彈簧-阻尼”結(jié)構(gòu)體系對懸架性能進一步提高的瓶頸制約,為懸架技術(shù)發(fā)展提供了一個嶄新的平臺[6-7].

天棚阻尼控制是較早提出的一種半主動懸架控制方法.由于天棚阻尼控制算法簡單,且能夠有效提高車輛的行駛平順性,因此是目前研究最多,也是應(yīng)用最多的控制方法[8-9].然而,天棚阻尼控制沒有從根本上解決懸架空載、滿載偏頻隨載荷變化這一問題,無法使車輛在空滿、滿載時都具有較好的平順性[10].

筆者提出一種連續(xù)可調(diào)慣容器裝置,基于“慣容-彈簧-阻尼”懸架結(jié)構(gòu)新體系,發(fā)展一種慣容連續(xù)調(diào)節(jié)的半主動懸架.慣容調(diào)節(jié)是繼半主動懸架剛度與阻尼調(diào)節(jié)之后的第3種調(diào)節(jié)方式.基于連續(xù)可調(diào)慣容裝置提出一種天棚慣容控制方法,以半主動的方式模擬實現(xiàn)理想天棚慣容,其控制效果相當(dāng)于增大了簧載質(zhì)量,降低空載狀態(tài)下的車身偏頻,提高空載狀態(tài)下車輛的行駛平順性,使車輛具有更好的空滿、滿載適應(yīng)能力.同時,針對連續(xù)可調(diào)慣容器裝置產(chǎn)生的寄生阻尼問題,通過建立天棚慣容半主動懸架的系統(tǒng)動力學(xué)模型,研究寄生阻尼對懸架性能的影響.

1 液力式連續(xù)可調(diào)慣容器

提出的液力式連續(xù)可調(diào)慣容器裝置如圖1所示,包括液壓缸和慣容調(diào)節(jié)閥.慣容調(diào)節(jié)閥閥體具有2個直徑不同的內(nèi)圓面,分別為大內(nèi)圓面和小內(nèi)圓面.閥芯的外表面與閥體的小內(nèi)圓面相配合將閥體分為左右2個腔,閥芯的外表面上設(shè)有螺旋通道,將左右2個腔連通.缸筒和閥體左右兩端各設(shè)有1個開口,開口之間由液壓管連接.當(dāng)閥芯運動時,螺旋通道的長度隨著閥芯的運動而變化,螺旋通道中液體的質(zhì)量相應(yīng)變化,由此實現(xiàn)慣容連續(xù)可調(diào).

圖1 液力式連續(xù)可調(diào)慣容器

對于液壓缸,設(shè)S1為活塞的有效橫截面積,z為活塞相對于缸筒的位移.對于慣容調(diào)節(jié)閥,A1為閥芯的有效橫截面積,A2為半圓形螺旋槽的橫截面積,x為閥芯與閥體的相對位移,l(x)為螺旋通道的長度,ρ為液體的密度,u為螺旋通道中液體的平均速度，R為閥芯半徑,r為活塞桿半徑,rh為螺旋槽的半徑,Ph為螺旋槽的螺距,w為閥芯的寬度.閥芯的實際工作寬度與形成的螺旋通道的長度線性相關(guān),若選擇閥體的中心作為坐標(biāo)原點,則閥芯的工作寬度為w/2-x, 顯然,閥芯必須運行于-w/2和w/2之間,即x∈[-w/2,w/2].

根據(jù)文獻[11]中的定慣容液力慣容器假設(shè)條件與建模推導(dǎo)過程,當(dāng)閥芯相對于閥體運動到某一位置時,設(shè)此時閥芯與閥體的相對位移為x,由體積守恒可得

(1)

螺旋通道中液體儲存的能量為

(2)

由于活塞桿和活塞的慣性通常遠小于慣容器表現(xiàn)出的慣性,因此,在不考慮活塞桿與活塞慣性的情況下,液力慣容器儲存的動能就等于螺旋通道中液體儲存的動能,即

(3)

由式(1),(3)可計算得到連續(xù)可調(diào)慣容裝置的慣容系數(shù)為

(4)

取S1=A1,可調(diào)慣容系數(shù)又可表示為

(5)

由于液體的黏度,液力式連續(xù)可調(diào)慣容器會產(chǎn)生寄生阻尼.考慮到寄生阻尼建模和后續(xù)懸架建模及仿真的復(fù)雜度,為簡化模型,認為螺旋通道中液體流動狀態(tài)為層流狀態(tài),也就是雷諾數(shù)(Re)小于2×103.根據(jù)哈根-泊肅葉層流方程可得

(6)

式中:μ為油液的黏度;Δp為液體流過螺旋通道時產(chǎn)生的壓力損失.

因此,連續(xù)可調(diào)慣容裝置的寄生阻尼系數(shù)為

(7)

式(7)還可以表示為

(8)

從式(5),(8)可以看出,B(x),cp(x)均為關(guān)于x的函數(shù),而且寄生阻尼系數(shù)與可調(diào)慣容系數(shù)存在如下關(guān)系:

(9)

式中α為阻尼慣容比.

式(9)表明,阻尼慣容比α與μ,ρ,rh有關(guān).液力式連續(xù)可調(diào)慣容器裝置的參數(shù):閥芯半徑R為0.05 m;閥體活塞桿半徑r為0.006 m;螺旋槽半徑rh為0.008 m;螺距Ph為0.04 m;活塞寬度w為0.12 m;液壓缸活塞半徑Rc為0.05 m;液壓缸活塞桿半徑rc為0.006 m.

2 天棚慣容的半主動實現(xiàn)

天棚慣容的模擬實現(xiàn)方式如圖2所示.

傳統(tǒng)懸架空載時的1/4車輛模型(圖2a)的動力學(xué)方程為

(10)

式中:m1為非簧載質(zhì)量;m2為簧載質(zhì)量;c為減振器阻尼系數(shù);k為彈簧剛度;kt為輪胎剛度;z0為路面位移;z1為非簧載質(zhì)量位移;z2為簧載質(zhì)量位移.

傳統(tǒng)懸架滿載時的1/4車輛模型(圖2b)的動力學(xué)方程為

(11)

式中mc為運載質(zhì)量.

理想天棚慣容懸架(圖2c)的動力學(xué)方程為

(12)

式中bsky為天棚慣容系數(shù).

圖2 天棚慣容的模擬實現(xiàn)方式

天棚慣容的設(shè)計思想是將慣容器裝在慣性參考系與簧載質(zhì)量之間,天棚慣容直接控制簧載質(zhì)量的絕對加速度,而與車輪的絕對加速度無關(guān).因此,天棚慣容可以有效抵消一部分簧載質(zhì)量的加速度,提高車輛的平順性.當(dāng)bsky=mc時,式(11)和式(12)完全相同,也就是,理想天棚慣容懸架可以看作為滿載時的傳統(tǒng)懸架,因此,天棚慣容相當(dāng)于只增加了車輛的簧載質(zhì)量,但不會增加非簧載質(zhì)量.這有利于降低車身固有頻率,提高車輛的平順性,同時不會使非簧載質(zhì)量的振動狀況惡化.

天棚慣容要求慣容器與慣性參考系相連,但在車輛懸架系統(tǒng)中,慣容器不可能與慣性參考系相連,這使得天棚慣容不能被真實地實現(xiàn).以半主動形式實現(xiàn)的天棚慣容懸架Sa(圖2d)的動力學(xué)方程為

(13)

令阻尼系數(shù)c=0,即去掉減震器,對圖2d天棚慣容懸架Sa進行簡化,簡化后的天棚慣容懸架Sb如圖3所示.

在理想天棚慣容懸架中,天棚慣容對簧載質(zhì)量施加一個與其加速度方向相反的慣性力：

(14)

圖3 簡化后的天棚慣容懸架Sb

在天棚慣容懸架Sa和Sb中,可調(diào)慣容器對m2施加的作用力包括慣性力和寄生阻尼力,合力為

(15)

由式(9)可知,式(15)還可表示為

(16)

當(dāng)用可調(diào)慣容器模擬實現(xiàn)理想天棚慣容時F=Fs,即

(17)

由式(17)可知,天棚慣容控制的慣容系數(shù)調(diào)節(jié)律為

(18)

(19)

3 天棚慣容懸架建模與分析

傳統(tǒng)懸架空載時,簧載質(zhì)量m2=500.0 kg,傳統(tǒng)懸架滿載時,簧載質(zhì)量m2+mc=1 500.0 kg.為保持空滿、滿載時的車身偏頻基本不變,當(dāng)車輛處于空載狀態(tài)時,采用天棚慣容控制方法模擬傳統(tǒng)懸架滿載時的情況,此時,天棚慣容懸架Sa,Sb均為空載,其簧載質(zhì)量m2=500.0 kg,bsky=1 000.0 kg.傳統(tǒng)懸架和天棚慣容懸架Sa的彈簧剛度k、阻尼系數(shù)c、非簧載質(zhì)量m1、輪胎剛度kt均相等,對天棚慣容懸架Sa,Sb中的可調(diào)慣容器均取阻尼慣容比α=0.25 N·s·m-1·kg-1.

在Matlab/Simulink中搭建傳統(tǒng)懸架和天棚慣容Sa,Sb懸架系統(tǒng)的1/4車輛模型,并對其性能進行對比分析.仿真采用某型軍用越野車的后懸參數(shù)：非簧載質(zhì)量m1為122.5 kg；簧載質(zhì)量空載時,m2為500.0 kg；簧載質(zhì)量滿載時,m2為1 500.0 kg；天棚慣容系數(shù)bsky為1 000.0 kg；輪胎剛度kt為584.0 kN·m-1；主彈簧剛度k為77.9 kN·m-1；阻尼系數(shù)c為3 kN·s·m-1.

圖4 車身加速度均方根值對比方案1

圖5 懸架動行程均方根值對比方案1

圖6 輪胎動載荷均方根值對比方案1

從圖4可以看出：傳統(tǒng)懸架空載時車身偏頻為1.88 Hz,滿載時車身偏頻為1.06 Hz,傳統(tǒng)懸架空滿、滿載時車身偏頻變化較大；空載時車身加速度均方根值的低頻峰值比滿載時高24.9%,說明傳統(tǒng)懸架空載時平順性較差.

對于天棚慣容懸架Sa,從圖4可以看出： 車身偏頻為1.26 Hz,比傳統(tǒng)懸架空載時降低了33.0%,車身加速度均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載時減小了52.3%,天棚慣容懸架Sa有效提高了空載時車輛的行駛平順性.從圖5可以看出： 天棚慣容懸架Sa動行程均方根值的低頻峰值與傳統(tǒng)懸架滿載時較為接近,這表明天棚慣容懸架Sa能夠充分利用懸架的工作行程空間.從圖6可以看出： 天棚慣容懸架Sa的輪胎動載荷均方根值的低頻峰值比空載時的傳統(tǒng)懸架明顯減小,這說明天棚慣容懸架Sa有利于提高空載時車輛的行駛穩(wěn)定性.

對于天棚慣容懸架Sb,從圖4可以看出： 天棚慣容懸架Sb車身偏頻為1.12 Hz,比傳統(tǒng)懸架空載時降低了40.4%,但車身加速度均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載時增加了157.2%,天棚慣容懸架Sb車輛行駛平順性出現(xiàn)嚴重惡化.從圖5可以看出： 天棚慣容懸架Sb動行程均方根值低頻峰值大于滿載時的傳統(tǒng)懸架,這說明天棚慣容懸架Sb比滿載時的傳統(tǒng)懸架更容易撞擊限位塊.從圖6可以看出： 天棚慣容懸架Sb輪胎動載荷均方根值低頻峰值比傳統(tǒng)懸架空載和滿載時的都大,這說明天棚慣容懸架Sb的車輛行駛穩(wěn)定性出現(xiàn)了惡化.

因此,與傳統(tǒng)懸架相比,天棚慣容懸架Sa能夠確保高頻性能沒有明顯惡化的前提下,大幅改善低頻性能,整體上提高空載時的車輛行駛平順性.然而,天棚慣容懸架Sb由于缺少阻尼元件,同時寄生阻尼又不能夠提供足夠的阻尼力,因此出現(xiàn)了性能惡化的情況.

4 寄生阻尼對懸架性能影響分析

對于天棚慣容懸架Sa,為了研究液力連續(xù)可調(diào)慣容裝置中寄生阻尼對懸架性能的影響,通過選取不同油液及結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法得到3種寄生阻尼特性的可調(diào)慣容器,對應(yīng)的天棚慣容懸架分別為Sa1,Sa2,Sa3,如表1所示.將天棚慣容懸架Sa1,Sa2,Sa3與傳統(tǒng)懸架空載時的性能進行對比,結(jié)果如圖7-9及表2所示.

表1 對應(yīng)3種不同寄生阻尼特性的可調(diào)慣容裝置參數(shù)

圖7 車身加速度均方根值對比方案2

圖8 懸架動行程均方根值對比方案2

圖9 輪胎動載荷均方根值對比方案2

懸架類型車身加速度均方根值/(m·s-2)懸架動行程均方根值/m輪胎動載荷均方根值/kN傳統(tǒng)懸架(空載)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

從圖7-9及表2可以看出： 天棚慣容懸架Sa1,Sa2,Sa3車身加速度均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載時分別減小了52.3%,43.3%,30.8%;輪胎動載荷均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載分別減小了35.5%,32.0%,24.5%;懸架動行程均方根值低頻峰值較傳統(tǒng)懸架空載分別增加18.7%,1.5%和降低了9.0%.可見,α值越小,即寄生阻尼與慣容系數(shù)的比值越小,天棚慣容懸架Sa低頻性能改善越明顯,越有利于提高空載時車輛的行駛平順性及充分利用懸架的工作行程空間.需要說明的是,盡管輪胎動載荷均方根值高頻峰值略有惡化,但對車輛行駛穩(wěn)定性的影響有限.

5 結(jié) 論

1) 基于連續(xù)可調(diào)慣容裝置提出了一種天棚慣容控制方法,以半主動的方式模擬實現(xiàn)了天棚慣容,其控制效果相當(dāng)于增大了簧載質(zhì)量,降低了車身偏頻,提高了車輛在空載狀態(tài)時的行駛平順性,使車輛具有更好的空滿、滿載適應(yīng)能力.盡管文中是針對空載狀態(tài)進行控制研究,但從增大簧載質(zhì)量、降低車身偏頻的角度考慮,天棚慣容控制方法也能提高半載乃至非滿載時的行駛平順性.

2) 天棚慣容懸架Sa能夠有效提高空載時的車輛行駛平順性,并且寄生阻尼與慣容系數(shù)的比值越小,即油液黏度越小或油液密度、螺旋槽半徑越大,越有利于提高車輛的行駛平順性.

3) 天棚慣容懸架Sb出現(xiàn)了性能惡化的情況,不利于車輛行駛平順性的提高,說明可調(diào)慣容器寄生阻尼不能夠提供足夠的阻尼力,因此,需要獨立的阻尼元件提供阻尼力.

4) 為簡化模型,在對連續(xù)可調(diào)慣容器進行建模時,忽略了一些次要因素,并理想地認為流體的流動狀態(tài)為層流.在后續(xù)的工作中,研究團隊將研制連續(xù)可調(diào)慣容器樣機,通過試驗建立精確的慣容器及其寄生阻尼流體模型,深入研究流體的沿程阻力、局部阻力及流動特性對天棚慣容半主動懸架的影響.