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用于加强车辆平顺、路友好性和制动性能的半主动悬架设计
2011-01-0989 发布时间：2011/12/04
作者：东圃曹，阿米尔·哈赫波
摘要：
本文提出了一种新颖的半主动液压悬架设计，并对其性能进行了研究。提出的新型半主动悬架设计涉及车辆前后悬挂支板之间的气动互连。摘要分析了悬架结构的悬架结构、被动无连通和半主动互联两种悬架力的分析公式，并对悬架性能进行了分析。基于一种已验证过的空车制动模型，车辆的动力响应是在一系列测量的道路粗糙度和驱动速度以及制动输入的范围内进行的。根据基础悬架性能和车辆响应的结果表明，提出的新型半主动悬架在提高车辆俯仰、俯仰姿态控制和道路友好性等方面具有相当的潜力，在随机路面的情况下，不影响车辆的垂直行驶和制动时的俯仰姿态控制。这些建议增强了整体车辆的颠簸动力学。此外，所提出的半主动悬架设计也为改善车辆的道路控制提供了相当大的潜在效益，因此可以处理动力学和航向稳定性。
1.引言：
道路车辆悬挂系统通常设计为在与行驶、装卸、道路友好、设计空间和能源消耗有关的不同性能指标之间达成一个可接受的折衷方案[1,2,3,4]。虽然主动悬架可以实现优越性能，但由于相关的高系统成本和功耗[3,5,6]，它们的应用仍然有限。另外半主动悬挂也可以增强车辆动态特性，而这些系统通常只采用半主动阻尼调和控制[6,7,8,9]
汽车车身的俯仰运动被认为是“令人讨厌的”，为了使驾驶员和乘客乘坐舒适[10,11,12]，因此采用软点模式的悬架是可取的[11,12,13,14]。考虑到悬架弹跳与俯仰模式之间的强耦合以及车辆的处理平衡，传统的车辆悬架很难调整到实现一种令人满意的软点模式。以达到降低的俯仰刚度，前和后悬挂装置之间的机械连接开始进行研究[13,14]，但它往往对纵向负荷转移更加敏感，并在制动过程中损坏俯仰姿态控制。此外，机械的纵向互连将增加相当的重量，并对底盘的设计和包装带来重大的挑战。
另外，综合阻尼和优越的骑乘质量，水-气悬浮液提供紧凑的设计，并且很容易适应骑高水平和半主动/主动控制[15,16,17,18,19,20,21]。液压气动悬架是未来军用车辆的关键技术之一[20,21]，也为商用车辆的应用提供了重要的基础[15]。此外，水-气悬浮液在实现不同悬挂支板的不同射流腔之间的互连提供了相当大的设计灵活性[3,16,17,18,19]。最近一段时间, [16,17,18,19]研究了被动动力悬架系统(液力相互连接悬架)在提高整车动力学和稳定性方面的性能优势。这样的互联悬架系统可以通过车辆悬挂系统的四个角之间的液压互连实现弹跳、滚转、俯仰和翘曲模式之间的解耦设计。然而，这些悬挂需要外部气体蓄能器和外部减震阀以及并联的被动机械弹簧来分担负载[16,17,18,19]。与机械弹簧的负载共享会降低流体互连的影响[22]。
另外一些最近在飞机和三维的全车安排中的研究[23,24,25,26]探索了被动的流体相互连接的悬浮液(液压、气动和混合)，基于所提出的两个新型的液压气动悬架设计概念。分析和结果讨论表明，在不同的悬架振动模式之间实现解耦具有相当大的设计灵活性，从而提高整体车辆的动态性能和稳定性。此外，还开发了一种通用框架，此框架用于设计和调优重型车辆无源相互连接的液压悬挂装置[25,26]，也可以方便地扩展到其他道路和越野车辆的应用。
为了最大限度地发挥互连悬架的潜在性能，可以对半主动和主动控制进行探索[3]。在本研究中，提出了一种新型的半主动气动悬架设计，以探讨其在提高整体纵平面车辆动力学性能方面的潜力。在不同测量路面粗糙度、前进速度和制动力矩输入的情况下，基于一个已开发的广义模型的数学公式的悬浮力分析采用了一种经过验证的空载车辆制动模型的悬架特性和动力响应。
2.半主动悬架的概念
最近提出并探索了一种新型的双气室结构悬浮液[27,28]。分析和仿真结果表明，双气室悬架在改善车辆动态特性方面具有相当大的优势。图1(a)在俯仰平面布置中，提出了一种新颖的双气室结构悬吊(PU)。该支柱集成了两个氮气室(3和4)，而两个液压室(1和2)通过阻尼孔和阀门耦合。在主活塞内可以使用阀瓣阀来实现液压室间的可变流动阻力[29]。与文献中相比，strut提供了一种紧凑的设计，具有更强的有效工作区域。[16,17,18,19,22,30,31)。
在双气室支板的基础上，提出了一种新型半主动气动悬架设计，简称SI，如图1(b)所示，通过连接前后双气室支板的气腔4来实现。一种半主动的开关阀用于连接或断开前后悬挂支柱，其中半主动开关方法如下所示:
当半主动阀关闭时，与配置PU相同，悬架配置SI成为无连接的双气室支撑悬架。需要注意的是，这种半主动开关方法在本研究中没有考虑到车辆牵引，然而考虑到重型车辆通常会比中型和紧急制动的乘用车加速慢得多，牵引触发的半主动阀开关可以很容易地集成。
3.节平面车辆系统建模
在制动和道路输入的情况下，开发了一种能探测悬停沥青特性和车辆动力响应的沥青飞机模型(图2)[28]。该车辆模型可用于研究无连接的悬架结构。它包含了纵向运动(x)的车、前后非簧载质量的垂直运动(zuf,苏珥)、垂直(z)、音高(phi;s)簧上质量的运动和角速度的前轮和后轮(omega;fomega;r)。轮胎的垂直性能表现为线性刚度或阻尼元件。假定与路面接触，在制动过程中作用于车轮/轮胎组件上的力和力矩如图2(b)所示。这些公式包括总悬浮力，包括由前(ff)和后(fr)支板组成的静力悬浮力和动力元件。假设小的俯仰运动，运动方程被总结为[28]:
（1）
图1所示。(a)被动无连接悬架(PU);(b)新型半主动互联悬架(SI)。
下标f和r指前后struts,ms和Iyys分别指质量和簧上质量的质量惯性矩,muf和mur分别指墙前后簧下质量,lf和lr分别指低频和定义之间的纵向距离簧上质量，c.g分别指前后轮轴;kti和cti (i=f,r)分别为轮胎的垂直刚度和阻尼系数;z0f和z0r分别代表前路和后胎路接触点附近的道路标高;fxf和fxr分别是由前轮和后轴轮胎分别进行的制动工作，fzf和fzr分别是应用于路面的相应法力;h是地面上的车辆c.g高度;Tbi为制动力矩，ri为轮胎有效半径;Iwi是轮i惯性矩的极质量矩。
用神奇的公式轮胎模型推导出轮胎制动力，作为滑移和正常载荷的函数[32,33]。在不同负荷工况和制动输入条件下，对车辆模型的验证进行了研究[28]。与未连接悬架模型的结果比较，结果表明两者之间有较好的一致性[28]。
由于两种构型(PU和SI)的悬浮力可以从广义模型中得到，以及不同的无连通或耦合的流体-气动悬架结构所产生的杆力的广义模型已经发展[34]，假设:(一)在同一支柱内的液压室之间通过阻尼孔的湍流流动;(二)层流流经两个支柱间的水力连接;(三)通过气动互连可忽略流动阻尼效应;(四)气体多方过程;(五)不可压缩液压流体;(六)微不足道的泄漏;(七)支板和液压液的热膨胀可忽略不计;(八i)可忽略的活塞和汽缸之间的摩擦；（九）可忽略的浮动活塞动力学。
在半主动阀开模态下，各支杆所产生的动力可为:
（2）
其中Fi是由strut i (i=f,r)发展的动力，Aji是反映在j室j (j=1,2,3)侧的有效活塞面积(j=1,2,3)， P0是静态气体压力，xi和xirsquo;是strut i的相对位移和速度，并且假设小的运动有正的方向向上，，。Vj0i是初始体积的气体在支撑我室j,Cd是流量系数,rho;是液压油的质量密度。
图2所示。(a) Pitch-plane车型模型;和(b)在制动输入下作用于车轮/轮胎组件上的力和力矩。
由于在同一支柱内的湍流流动的阻尼力与压降和有效孔口面积a12i有关，以及排气口和阀门。有效孔板面积的详细配方可制定为:
（3）
a12c为排气口面积，a12vc和a12ve分别为压缩和回弹的最大有效流量区域。Pcsl和Pesl是压缩和反弹中压力差的下限，这致使了shim阀瓣的偏转来启动阀门开启，而Pcsh和Pesh是导致最大阀门开口的压力，即a12vc和a12ve。上述公式在压缩和回弹中产生不对称流区。一个对称的阻尼可以很容易地通过使:Pcsl=Pesl, Pcsh=Pesh和a12vc=a12ve。Eq.(2)中的前两项与气室所开发的动态恢复力有关，表明两个连接支板之间的刚度耦合。剩余的术语定义了耗散成分，它不显示气动互连的阻尼耦合效应。
主动无连接悬架配置PU和配置SI的动态支撑力为半主动阀关闭模式，如:
（4）
图3所示。刚度特性比较:(a)悬浮率;和(b)俯仰刚度。
4.分析悬架特性
选择两种悬架配置(PU、SI)的设计参数，实现相同负荷承载能力，34.7%的负荷分布在前面。在设计的行驶高度上，选择了strut参数，以实现前后悬架的相同反弹模式固有频率(在1.5 Hz附近)。两种悬架结构都具有相同的悬挂支板尺寸，在考虑的挠度范围内进一步表现出相同的前后悬架率，如图3(a)所示。提出的半主动悬架配置具有相同的阀瓣和阀门关闭模式的悬浮率特性。前后悬浮率在压缩和拉伸运动中都表现出近乎对称的特性，悬浮率随着挠度的增加而增加。与传统的流体-气动悬浮液或空气弹簧在回弹和压缩中表现出软化/硬化的影响不同，在悬挂的两个方向上，据证明相对对称和硬化的影响对车辆动力学的增强更有利[27,28]。
图3(b)比较了两种悬架结构的俯仰刚度特性。采用被动无连接配置PU和半主动配置SI，在不同的俯仰模式下，在不同的俯仰范围内，也表现出了硬化效应，在制动和牵引过程中，两种俯仰姿态都被认为是理想的。当半主动处于开放模式时，配置SI的音调会低很多。
刚度比由于被动的无连接配置PU和配置SI的阀门关闭模式。对悬架结构进行了调优，以产生完全相同的阻尼特性，在这里没有给出。
5.车辆动力响应分析
在随机路面和制动输入的条件下，评估了两种悬架结构的动力响应。在加拿大魁北克的三种不同道路剖面的测量粗糙度数据[35]，因为不同的悬架配置用于相对车辆行驶和道路友好特性。图4(a)显示空间位移功率谱密度(PSD)，总纵距为579 m。根据它们的位移PSD特征，这三种道路可以相对划分为“光滑”、“中等粗糙”和“粗糙”。两种车速被选择为70和100公里/小时。
车辆制动动力学分析考虑了两种具有不同摩擦特性的路面:(一)摩擦系数为0.9的干燥路面，称为“0.9面”;（二）湿滑路面，摩擦系数为0.5，称为0.5面[36]。选择制动力矩分配与两个轴的静态权值分布成比例[37]。制动系统的上升时间可以设定为0.25 s[38,39]。分析的初始车速为100公里/小时。
图4(b)为0.9表面上的车辆模型的前后制动力矩输入。
0.9表面
图4所示。(a)不同测量路况的空间粗糙度PSD;以及(b) 0.9表面的制动力矩输入。
图5所示。在随机路面情况下，由于两种悬架结构(PU和SI)的不同，簧载质量的俯仰响应:(a) rms俯仰加速度;(b) rms俯仰偏转。
随机道路输入的相对悬架性能特征进行了评价:(a)根平均值，方形(rms)垂直和俯仰加速度，作为行驶舒适性的测量;(b)簧载质量的rms俯仰角度，作为恒速直线行驶时的俯仰姿态控制措施;(c)与道路友好有关的措施。在这项研究中,部队用,轮胎动载荷系数(DLC)作衡量相关道路——友善,这通常用于评估车辆的相对性能特征和悬架设计(37、40),并定义为rms动态轮胎力比静态轮胎负荷。
图5展示了在随机路面的情况下，车辆的弹簧质量俯仰动态响应。首先要注意的是，无论道路的粗糙度和前进速度如何，悬架结构都能产生几乎相同的rms垂直加速度响应。这主要是由于两种悬液相同的悬架率。如图3(a)所示。这里没有给出垂直加速度响应的结果。然而，相对于被动无连接悬架PU，半主动互连悬浮SI与较低的节距刚度相比，其rms俯仰加速度和挠度响应显著提高。这些建议表明，在随机路面的情况下，提出的半主动互连悬浮物具有较低的俯仰刚度，可以提高俯仰和俯仰姿态的控制，同时保持几乎不受影响的垂直行驶。
图6给出了在随机路面情况下的两个悬架结构的轮胎DLC反应。结果表明，配置SI可以显著降低前、后轮胎的DLC响应，表明所提出的半主动气动互连具有较低的节距刚度，也有助于提高车辆的道路友好性。此时改善程度取决于道路的粗糙度和车速。研究结果还表明，在相对粗糙的道路上，拟议的半主动互联悬架对道路友好性有很大增强。应注意的是，通过尽量减少动力轮胎的动力，新颖的半主动悬架设计也有助于提高车辆的道路承载性能，从而处理动力学和航向稳定性。
图6所示。轮胎DLC在随机路面激励下的两种悬架结构的响应:(a)前部;和(b)。
图7所示。0.9表面和相同的制动输入的不同的悬架配置，簧上的质量俯仰角度响应。
0.9表面
图7比较了采用不同悬架配置的车辆在0.9表面和相同制动力矩输入时的簧下质量俯仰角度响应(如图4(b)所示)。应该注意的是，在考虑的路面情况下，在这种制动输入下没有发现车轮锁。结果表明，由于被动无
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