無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架及控制方法
2023-09-24 03:51:05 4
專利名稱：無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架及控制方法
技術領域：
本發明涉及汽車技術領域，尤其涉及汽車上的懸架總成。
技術背景
懸架是汽車的車架與車軸或車輪之間的傳力連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用 在車輪和車架之間的力和力扭，緩衝由不平路面傳給車架或車身的衝擊，並衰減由此引起 的震動，以保證汽車平順行駛。懸架按控制形式不同分為被動懸架、主動懸架和半主動懸架。其中，被動懸架主要 由彈簧和減震器組成，其剛度和阻尼參數一般是通過經驗設計或優化設計方法選擇，其缺 陷是阻尼和剛度參數一經確定，在汽車行駛過程中無法隨外部狀態變化而變化。主動懸架 是由電腦控制的一種新型懸架，有多種傳感器並將有關數據集中到電腦，它可根據汽車的 行駛狀態和路面狀況實時地輸出主動控制力，以獲得更好的行駛平順性，其缺陷是；需要在 懸架中增加一個外界動力源以及主動力輸出裝置，結構較複雜，且要消耗大量的外部能量。 半主動懸架是指懸架元件中彈簧和減振器之一可以根據需要進行實時調節，通常情況下是 將被動懸架中阻尼值不變的減震器改造成為阻尼值實時可調的阻尼元件，其缺陷是；該阻 尼值實時可調的阻尼元件屬於耗能元件，且懸架性能較主動懸架差。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術中被動懸架、主動懸架和半主動懸架各自的 不足，提供了一種半主動/主動複合控制懸架，無需外界動力源，結構簡單可靠。本發明的另一目的是提供無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架的控制方 法，可同時實現主動懸架和半主動懸架的控制。本發明無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架採用的技術方案是簧載質量 和非簧載質量之間連接彈簧，液壓油缸與所述彈簧並聯後連接於簧載質量和非簧載質量之 間，液壓油缸的上腔接口經油管依次連接有第一電磁控制閥和油箱形成油路；油箱經油管 順序連接有增壓包、第一單向閥和液壓油缸的上腔接口形成油路；液壓油缸的上腔接口經 油管順序連接有第二電磁控制閥和油管的A點處形成油路；液壓油缸的上腔接口經油管順 序連接有第二饋能功率調節器、第二單向閥和所述A點處形成油路;A點處、壓力傳感器、 蓄能器經油管順序連接有並聯的安全閥和外接耗能部件後連接油箱形成油路；液壓油缸的 下腔接口經油管順序連接有第一饋能功率調節器和第二單向閥後連接A點處形成油路；液 壓油缸的下腔接口經油管順序連接有第三電磁控制閥後連接A點處形成油路；油箱經油管 順序連接有增壓包、第三單向閥和液壓油缸的下腔接口形成油路；液壓油缸下腔接口經油 管連接第四電磁控制閥和油箱形成油路；所述簧載質量上固定有第一速度與加速度傳感器 組，非簧載質量上固定有第二速度與加速度傳感器組，第一速度與加速度傳感器組及第二 速度與加速度傳感器組、各個所述電磁控制閥、壓力傳感器分別連接控制單元。本發明無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架的控制方法採用的技術方案是按如下步驟控制單元接受第一速度與加速度傳感器組、第二速度與加速度傳感器組及壓力傳感器反饋的懸架狀態及蓄能器的能量狀態信息後計算懸架控制力；當所需控制力的 方向與簧載質量相對於非簧載質量速度反向時為半主動能量反饋工作模式，通過液壓油缸 和半主動能量反饋油路將懸架間的振動能量轉化為液壓能並儲存在蓄能器中備用；當所需 控制力的方向與簧載質量相對於非簧載質量速度同向時為主動減振工作模式，通過液壓油 缸和主動減振油路將半主動能量反饋工作模式下反饋所得的液壓能輸入到懸架間實現主 動減振。本發明的有益效果是1、本發明使用液壓油缸替換傳統懸架的耗能減震器，該液壓油缸在控制單元的作 用下與可控的半主動能量反饋油路/主動減振油路配合工作，具有半主動能量反饋模式與 主動減振模式兩種工作模式，在半主動控制模式下，吸收懸架間的振動能量並存儲備用。在 主動控制模式下實現不需要外界動力源的主動減振，輸出減振主動力，以使車輛獲得良好 的經濟性和良好的平順性和操縱穩定性。2、本發明由於採用液壓油缸以及相應的油路結構實現控制，使整個懸架性能可 靠、成本低、使用壽命長。
圖1是本發明的結構連接示意圖。圖中1.液壓油缸；2.第一速度與加速度傳感器組；3.控制單元；4.第一電磁 控制閥；5.第一單向閥；6.第二電磁控制閥；7.蓄能器；8.第二單向閥；9.壓力傳感器； 10.安全閥；11.外接耗能部件；12.第三電磁控制閥；13.增壓包；14.油箱；15.第三單向 閥；16.第四電磁控制閥；17.第一饋能功率調節器；18.第二饋能功率調節器；19.等效彈 簧；20.非簧載質量；21.第二速度與加速度傳感器組；22.彈簧；23.簧載質量。
具體實施例方式如圖1所示，本發明主要包括彈簧22、液壓油缸1、控制單元3、第一速度與加速度 傳感器2、第二速度與加速度傳感器21、蓄能器7、外接耗能部件11、增壓包13、油箱14、第 一饋能功率調節器17、第二饋能功率調節器18、多個電磁控制閥和單向閥等部件，以及連 接它們的各個油管組成，各個油管與各部件組成了本發明的不同油路，具體分為油路a、油 路b、油路C、油路d、油路e、油路f、油路g、油路h、油路i這九個油路，以下分別描述這九個 油路油路a，起端為液壓油缸1的上腔接口，液壓油缸1的上腔接口經油管連接第一電 磁控制閥4，第一電磁控制閥4經油管連通油箱14，油箱14為油路a的止端。油路b，起端為油箱14，油箱14經油管順序連接增壓包13、第一單向閥5後連通液 壓油缸1的上腔接口，液壓油缸1的上腔接口為油路b的止端。油路C，起端為液壓油缸1的上腔接口，液壓油缸1的上腔接口經油管連接第二電 磁控制閥6，第二電磁控制閥6經油管連通至圖1的A點處，即連接油管上具有的A點處，該 A點處為油路c的止端。油路d，起端為液壓油缸1的上腔接口，液壓油缸1的上腔接口經油管順序連接第二饋能功率調節器18和第二單向閥8後再以油管連接到A點處，A點處為油路d的止端。油路e，起端為A點處，將A點處、壓力傳感器9、蓄能器7經油管順序連接至安全 閥10和外接耗能部件11，安全閥10和外接耗能部件11並聯後經油管連接油箱14，油箱14 為油路e的止端。
油路f，起端為液壓油缸1的下腔接口，液壓油缸1的下腔接口經油管順序連接第 一饋能功率調節器17和第二單向閥8後再以油管連接A點處，A點處為油路f的止端。該 油路f與油路d共用第二單向閥8。油路g，起端為液壓油缸1的下腔接口，液壓油缸1的下腔接口經油管順序連接第 三電磁控制閥12後再以油管連接至A點處，A點處為油路g的止端。由此可知，以上所述的油路C、油路d、油路e、油路f、油路g均經過了公共的A點 處。油路h，起端為油箱14，油箱14經油管順序連接增壓包13、第三單向閥15後連接 液壓油缸1的下腔接口，液壓油缸1的下腔接口為油路h的止端。該油路h和油路b共用 增壓包13。油路i，起端為液壓油缸1的下腔接口，液壓油缸1的下腔接口經油管連接第四電 磁控制閥16後連接油箱14，油箱14為油路i的止端。圖1中的簧載質量23為汽車的車身或車架，非簧載質量20為汽車的車輪或車軸 質量，等效彈簧19是與車輪或車軸等效的彈簧，簧載質量23和非簧載質量20通過彈簧22 連接。液壓油缸1連接於簧載質量23和非簧載質量20之間，彈簧22與液壓油缸1處於並 聯狀態。第一速度與加速度傳感器組2固定在簧載質量23上，第二速度與加速度傳感器組 21固定在非簧載質量20上，第一速度與加速度傳感器組2及第二速度與加速度傳感器組 21、各個電磁控制閥、壓力傳感器9分別通過控制線連接至控制單元3。第一速度與加速度 傳感器組2為控制單元3提供對應的簧載質量速度與加速度信號，第二速度與加速度傳感 器組21為控制單元3提供對應的非簧載質量速度與加速度信號，壓力傳感器9為控制單元 3提供蓄能器7的液壓油壓力信號。控制單元3分別對各個電磁控制閥進行控制。。本發明在實際工作時，具有單上腔半主動能量反饋/主動減振油路、單下腔半主 動能量反饋/主動減振油路、雙腔半主動能量反饋/主動減振油路三種油路工作模式可供 選擇，即半主動能量反饋分為單上腔半主動能量反饋、單下腔半主動能量反饋和雙腔半主 動能量反饋。單上腔半主動能量反饋/主動減振油路、單下腔半主動能量反饋/主動減振油路、 雙腔半主動能量反饋/主動減振油路這三種油路工作模式可分別單獨實現本發明的懸架 半主動/主動複合的控制，以下分別描述這三種油路由於油路C、油路d、油路e、油路f、油路g均經過A點處這一油管的公共點處，本 發明其實是將油路c和油路d在A點處並聯後再與油路e串聯，串聯位置也是油路e的起 端A點處，串聯後再與油路a及油路b並聯，形成單上腔半主動能量反饋/主動減振油路。將油路f和油路g在A點處並聯後再與油路e串聯，串聯位置是油路e的起端A 點處，串聯後再與油路h及油路i並聯，形成單下腔半主動能量反饋/主動減振油路。第一饋能功率調節器17與第二饋能功率調節器18分別被用來調節單上腔半主動 能量反饋/主動減振油路和單上腔半主動能量反饋/主動減振油路的最大阻尼力。
雙腔半主動能量反饋/主動減振油路由單上腔半主動能量反饋/主動減振油路和 單下腔半主動能量反饋/主動減振油路組成，所以，以下以具有雙腔半主動能量反饋/主動 減振油路的懸架可全面、具體地說明本發明的工作原理控制單元3接受到第一速度與加速度傳感器組2、第二速度與加速度傳感器組21 及壓力傳感器9反饋的懸架狀態及蓄能器7的能量狀態信息，根據特定的控制算法，例如 遺傳模糊PID控制算法、LQG控制算法等，計算得到使懸架性能達到最優的控制力。當所需 控制力的方向與簧載質量23相對於非簧載質量20速度反向時，本發明在半主動能量反饋 工作模式下工作，通過液壓油缸1和半主動能量反饋油路將懸架 間的振動能量轉化為液壓 能，並儲存在蓄能器7中備用。當所需控制力的方向與簧載質量23相對於非簧載質量20 速度同向時，本發明在主動減振工作模式下工作，通過液壓油缸1和主動減振油路將半主 動能量反饋模式下反饋所得的液壓能輸入到懸架間以實現主動減振，蓄能器7作為動力源 通過液壓油缸1為懸架提供減振主動力。基於上述工作原理以下具體描述具有雙腔半主動能量反饋/主動減振油路的懸 架的控制方法半主動能量反饋工作模式下的控制方法為當簧載質量23相對於非簧載質量20 速度為使它們之間距離變大的方向，且與所需減振控制力的方向相反時，則半主動能量反 饋工作模式下的單下腔半主動能量反饋/主動減振油路的能量反饋及半主動減振的實現 包括2個過程一、上腔進油過程控制單元3對油路a所含第一電磁控制閥4、油路c所含 第二電磁控制閥6及油路g所含第三電磁控制閥12輸出關閉信號，液壓油從油箱14經過 油路b (即液壓油經增壓包13增壓後經第一單向閥5進入到液壓油缸1的上腔中)，完成 上腔的進油過程。二、下腔饋能及半主動減振過程當油路i所含第四電磁控制閥16開啟 時，液壓油缸1的活塞上的作用力為零，即提供的饋能阻尼力為零；當第四電磁控制閥16關 閉時，液壓油缸1的活塞使得液壓油缸1的下腔中產生一定的壓力，當此壓力能克服第一饋 能功率調節器17中的油路啟閉彈簧壓力時，開啟第一饋能功率調節器17，下腔中的壓力油 經過油路f (即流經第一饋能功率調節器17、第二單向閥8儲存在儲能器7中)，同時提供 最大的饋能阻尼力；控制單元3可根據減振的需要對第四電磁控制閥16輸出PWM(脈寬調 制)控制信號，以實現在不同的脈寬調製工作周期內輸出均值大小不等的半主動減振阻尼 力。當簧載質量23相對於非簧載質量20速度為使它們之間距離變小的方向，且與所 需減振控制力的方向相反時，則半主動能量反饋工作模式下的單上腔半主動能量反饋/主 動減振油路的能量反饋及半主動減振的實現包括2個過程一、下腔進油過程控制單元3 對第二電磁控制閥6、第三電磁控制閥12及第四電磁控制閥16輸出關閉信號，液壓油從油 箱14經過油路h(即液壓油經增壓包13增壓後由經第三單向閥15進入到液壓油缸1的下 腔中，完成下腔的進油過程。二、上腔饋能及半主動減振過程當第一電磁控制閥4開啟時， 液壓油缸1的活塞上的作用力為零，即提供的饋能阻尼力為零；當第一電磁控制閥4關閉 時，液壓油缸1的活塞使得液壓油缸1的上腔中產生一定的壓力，當此壓力能克服第二饋能 功率調節器18中的油路啟閉彈簧壓力時，開啟第二饋能功率調節器18，上腔壓力油經過油 路d(包含第二饋能功率調節器18和第二單向閥8)儲存在儲能器7中，同時提供最大的饋 能阻尼力；控制單元3可根據減振的需要對第一電磁控制閥4輸出PWM(脈寬調製)控制信號，以實現在不同的脈寬調製工作周期內輸出均值大小不等的半主動減振阻尼力。主動減振油路模式下的控制方法為當簧載質量23相對於非簧載質量20速度為 使它們之間距離變大的方向，且與所需減振控制力的方向相同時，則本發明的主動減振模 式下的單上腔半主動能量反饋/主動減振油路的主動減振的實現方法為控制單元3對第 三電磁控制閥12輸出關閉信號，控制單元3對第四電磁控制閥16輸出開啟信號；當第二電 磁控制閥6關閉時，第一電磁控制閥4開啟，液壓油缸1的活塞上的作用力為零，即提供的 減振主動力為零；當第二電磁控制閥6開啟時，第一電磁控制閥4關閉，壓力油由儲能器7 通過第二電磁控制閥6和油管進入到液壓油缸1的上腔，為懸架提供最大的減振主動力；控 制單元3可根據減振的需要對第二電磁控制閥6輸出PWM(脈寬調製)控制信號，以實現在 不同的脈寬調製工作周期 內輸出均值大小不等的減振主動力。當簧載質量23相對於非簧載質量20速度為使它們之間距離變小的方向，且與所 需減振控制力的方向相同時，則本發明的主動減振模式下的單下腔半主動能量反饋/主動 減振油路的主動減振的實現方法為控制單元3對第二電磁控制閥6輸出關閉信號，控制單 元3對第一電磁控制閥4輸出開啟信號；當第三電磁控制閥12關閉時，第四電磁控制閥16 開啟，液壓油缸1的活塞上的作用力為零，即提供的減振主動力為零；當第三電磁控制閥12 開啟時，第四電磁控制閥16關閉，壓力油由儲能器7通過第三電磁控制閥12、油管進入到液 壓油缸1的下腔，為懸架提供最大的減振主動力；控制單元3可根據減振的需要對第三電磁 控制閥12輸出PWM(脈寬調製)控制信號，以實現在不同的脈寬調製工作周期內輸出均值 大小不等的減振主動力。
權利要求
一種無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架，簧載質量(23)和非簧載質量(20)之間連接彈簧(22)，其特徵是液壓油缸(1)與所述彈簧(22)並聯後連接於簧載質量(23)和非簧載質量(20)之間，液壓油缸(1)的上腔接口經油管依次連接有第一電磁控制閥(4)至油箱(14)形成油路(a)；油箱(14)經油管順序連接有增壓包(13)、第一單向閥(5)至液壓油缸(1)的上腔接口形成油路(b)；液壓油缸(1)的上腔接口經油管順序連接有第二電磁控制閥(6)和油管的A點處形成油路(c)；液壓油缸(1)的上腔接口經油管順序連接有第二饋能功率調節器(18)、第二單向閥(8)和所述A點處形成油路(d)；A點處、壓力傳感器(9)、蓄能器(7)經油管順序連接有並聯的安全閥(10)和外接耗能部件(11)後連接至油箱(14)形成油路(e)；液壓油缸(1)的下腔接口經油管順序連接有第一饋能功率調節器(17)和第二單向閥(8)後連接A點處形成油路(f)；液壓油缸(1)的下腔接口經油管順序連接有第三電磁控制閥(12)後連接A點處形成油路(g)；油箱(14)經油管順序連接有增壓包(13)、第三單向閥(15)至液壓油缸(1)的下腔接口形成油路(h)；液壓油缸(1)下腔接口經油管連接第四電磁控制閥(16)至油箱(14)形成油路(i)；所述簧載質量(23)上固定有第一速度與加速度傳感器組(2)，非簧載質量(20)上固定有第二速度與加速度傳感器組(21)，第一速度與加速度傳感器組(2)及第二速度與加速度傳感器組(21)、各個所述電磁控制閥、壓力傳感器(9)分別連接控制單元(3)。
2 .根據權利要求1所述的無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架，其特徵是油 路(c)和油路(d)在A點處並聯後與油路(e)串聯，再與油路(a)及油路(b)並聯形成單 上腔半主動能量反饋/主動減振油路；油路(f)和油路(g)在A點處並聯後與油路(e)串 聯，再與油路(h)及油路(i)並聯形成單下腔半主動能量反饋/主動減振油路；單上腔半主 動能量反饋/主動減振油路與單下腔半主動能量反饋/主動減振油路組成雙下腔半主動能 量反饋/主動減振油路。
3.一種無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架的控制方法，其特徵是按如下步驟1)控制單元(3)接受第一速度與加速度傳感器組(2)、第二速度與加速度傳感器組(21)及壓力傳感器(9)反饋的懸架狀態及蓄能器(7)的能量狀態信息後計算懸架控制力；2)當所需控制力的方向與簧載質量(23)相對於非簧載質量(20)速度反向時為半主動 能量反饋工作模式，通過液壓油缸(1)和半主動能量反饋油路將懸架間的振動能量轉化為 液壓能並儲存在蓄能器(7)中備用；當所需控制力的方向與簧載質量(23)相對於非簧載質 量(20)速度同向時為主動減振工作模式，通過液壓油缸(1)和主動減振油路將半主動能量 反饋工作模式下反饋所得的液壓能輸入到懸架間實現主動減振。
4.根據權利要求3所述的無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架的控制方法，其 特徵是半主動能量反饋工作模式下的單下腔半主動能量反饋/主動減振油路的實現過程 為首先是控制單元⑶對油路(a)的第一電磁控制閥⑷、油路(c)的第二電磁控制閥(6) 及油路(g)的第三電磁控制閥(12)輸出關閉信號，液壓油從油箱(14)經過油路(b)完成 上腔的進油過程；然後關閉第四電磁控制閥(16)使液壓油缸(1)的下腔中產生壓力，開啟 第一饋能功率調節器(17)，使下腔壓力油經過油路(f)提供最大的饋能阻尼力；半主動能量反饋工作模式下的單上腔半主動能量反饋/主動減振油路的實現過程為 首先是控制單元(3)對第二電磁控制閥(6)、第三電磁控制閥(12)及第四電磁控制閥(16)輸出關閉信號，液壓油從油箱(14)經過油路(h)完成下腔的進油過程；然後關閉第一電磁 控制閥(4)使液壓油缸(1)的上腔產生壓力，開啟第二饋能功率調節器(18)，使上腔壓力油 經過油路(d)提供最大的饋能阻尼力；主動減振工作模式下的單上腔半主動能量反饋/主動減振油路的主動減振的實現方 法為控制單元(3)使第三電磁控制閥(12)關閉、第四電磁控制閥(16)開啟、第二電磁控 制閥(6)開啟且第一電磁控制閥⑷關閉，壓力油由儲能器(7)通過第二電磁控制閥(6) 進入液壓油缸(1)的上腔提供最大的減振主動力；主動減振工作模式下的單下腔半主動能量反饋/主動減振油路的主動減振的實現方 法為控制單元(3)使第二電磁控制閥(6)關閉、第一電磁控制閥(4)開啟、第三電磁控制 閥(12)開啟且第四電磁控制閥(16)關閉，壓力油由儲能器(7)通過第三電磁控制閥(12) 進入液壓油缸(1)的下腔提供最大的減振主動力。
5.根據權利要求4所述的無外界動力源的半主動/主動複合 控制懸架的控制方法，其 特徵是控制單元(3)分別對第一電磁控制閥(4)、第二電磁控制閥(6)、第三電磁控制閥 (12)、第四電磁控制閥(16)輸出PWM控制信號。
全文摘要
本發明公開了汽車領域中無外界動力源的半主動/主動複合控制懸架及控制方法，將液壓油缸與彈簧並聯後連接於簧載質量和非簧載質量之間，各油路包括有油箱、增壓包、電磁控制閥、饋能功率調節器和蓄能器；控制單元接受速度與加速度傳感器組及壓力傳感器反饋的懸架狀態及蓄能器的能量狀態信息後計算懸架控制力；當控制力方向與簧載質量相對於非簧載質量速度反向時為半主動能量反饋工作模式，將懸架間的振動能量轉化為液壓能並儲存在蓄能器中備用；當控制力方向與簧載質量相對於非簧載質量速度同向時為主動減振工作模式，將半主動能量反饋工作模式下反饋所得的液壓能輸入到懸架間實現無需外界動力源的主動減振，懸架性能可靠，使用壽命長。
文檔編號B60G17/016GK101844498SQ20101018756
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者何仁, 周航, 王勇剛, 陸森林, 陳士安 申請人:江蘇大學