CN101844498A - 无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了汽车领域中无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架及控制方法，将液压油缸与弹簧并联后连接于簧载质量和非簧载质量之间，各油路包括有油箱、增压包、电磁控制阀、馈能功率调节器和蓄能器；控制单元接受速度与加速度传感器组及压力传感器反馈的悬架状态及蓄能器的能量状态信息后计算悬架控制力；当控制力方向与簧载质量相对于非簧载质量速度反向时为半主动能量反馈工作模式，将悬架间的振动能量转化为液压能并储存在蓄能器中备用；当控制力方向与簧载质量相对于非簧载质量速度同向时为主动减振工作模式，将半主动能量反馈工作模式下反馈所得的液压能输入到悬架间实现无需外界动力源的主动减振，悬架性能可靠，使用寿命长。

Description

无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及汽车上的悬架总成。

背景技术

悬架是汽车的车架与车轴或车轮之间的传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击，并衰减由此引起的震动，以保证汽车平顺行驶。

悬架按控制形式不同分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架。其中，被动悬架主要由弹簧和减震器组成，其刚度和阻尼参数一般是通过经验设计或优化设计方法选择，其缺陷是：阻尼和刚度参数一经确定，在汽车行驶过程中无法随外部状态变化而变化。主动悬架是由电脑控制的一种新型悬架，有多种传感器并将有关数据集中到电脑，它可根据汽车的行驶状态和路面状况实时地输出主动控制力，以获得更好的行驶平顺性，其缺陷是；需要在悬架中增加一个外界动力源以及主动力输出装置，结构较复杂，且要消耗大量的外部能量。半主动悬架是指悬架元件中弹簧和减振器之一可以根据需要进行实时调节，通常情况下是将被动悬架中阻尼值不变的减震器改造成为阻尼值实时可调的阻尼元件，其缺陷是；该阻尼值实时可调的阻尼元件属于耗能元件，且悬架性能较主动悬架差。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术中被动悬架、主动悬架和半主动悬架各自的不足，提供了一种半主动/主动复合控制悬架，无需外界动力源，结构简单可靠。

本发明的另一目的是提供无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架的控制方法，可同时实现主动悬架和半主动悬架的控制。

本发明无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架采用的技术方案是：簧载质量和非簧载质量之间连接弹簧，液压油缸与所述弹簧并联后连接于簧载质量和非簧载质量之间，液压油缸的上腔接口经油管依次连接有第一电磁控制阀和油箱形成油路；油箱经油管顺序连接有增压包、第一单向阀和液压油缸的上腔接口形成油路；液压油缸的上腔接口经油管顺序连接有第二电磁控制阀和油管的A点处形成油路；液压油缸的上腔接口经油管顺序连接有第二馈能功率调节器、第二单向阀和所述A点处形成油路；A点处、压力传感器、蓄能器经油管顺序连接有并联的安全阀和外接耗能部件后连接油箱形成油路；液压油缸的下腔接口经油管顺序连接有第一馈能功率调节器和第二单向阀后连接A点处形成油路；液压油缸的下腔接口经油管顺序连接有第三电磁控制阀后连接A点处形成油路；油箱经油管顺序连接有增压包、第三单向阀和液压油缸的下腔接口形成油路；液压油缸下腔接口经油管连接第四电磁控制阀和油箱形成油路；所述簧载质量上固定有第一速度与加速度传感器组，非簧载质量上固定有第二速度与加速度传感器组，第一速度与加速度传感器组及第二速度与加速度传感器组、各个所述电磁控制阀、压力传感器分别连接控制单元。

本发明无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架的控制方法采用的技术方案是按如下步骤：控制单元接受第一速度与加速度传感器组、第二速度与加速度传感器组及压力传感器反馈的悬架状态及蓄能器的能量状态信息后计算悬架控制力；当所需控制力的方向与簧载质量相对于非簧载质量速度反向时为半主动能量反馈工作模式，通过液压油缸和半主动能量反馈油路将悬架间的振动能量转化为液压能并储存在蓄能器中备用；当所需控制力的方向与簧载质量相对于非簧载质量速度同向时为主动减振工作模式，通过液压油缸和主动减振油路将半主动能量反馈工作模式下反馈所得的液压能输入到悬架间实现主动减振。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用液压油缸替换传统悬架的耗能减震器，该液压油缸在控制单元的作用下与可控的半主动能量反馈油路/主动减振油路配合工作，具有半主动能量反馈模式与主动减振模式两种工作模式，在半主动控制模式下，吸收悬架间的振动能量并存储备用。在主动控制模式下实现不需要外界动力源的主动减振，输出减振主动力，以使车辆获得良好的经济性和良好的平顺性和操纵稳定性。

2、本发明由于采用液压油缸以及相应的油路结构实现控制，使整个悬架性能可靠、成本低、使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的结构连接示意图。

图中：1.液压油缸；2.第一速度与加速度传感器组；3.控制单元；4.第一电磁控制阀；5.第一单向阀；6.第二电磁控制阀；7.蓄能器；8.第二单向阀；9.压力传感器；10.安全阀；11.外接耗能部件；12.第三电磁控制阀；13.增压包；14.油箱；15.第三单向阀；16.第四电磁控制阀；17.第一馈能功率调节器；18.第二馈能功率调节器；19.等效弹簧；20.非簧载质量；21.第二速度与加速度传感器组；22.弹簧；23.簧载质量。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括弹簧22、液压油缸1、控制单元3、第一速度与加速度传感器2、第二速度与加速度传感器21、蓄能器7、外接耗能部件11、增压包13、油箱14、第一馈能功率调节器17、第二馈能功率调节器18、多个电磁控制阀和单向阀等部件，以及连接它们的各个油管组成，各个油管与各部件组成了本发明的不同油路，具体分为油路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这九个油路，以下分别描述这九个油路：

油路a，起端为液压油缸1的上腔接口，液压油缸1的上腔接口经油管连接第一电磁控制阀4，第一电磁控制阀4经油管连通油箱14，油箱14为油路a的止端。

油路b，起端为油箱14，油箱14经油管顺序连接增压包13、第一单向阀5后连通液压油缸1的上腔接口，液压油缸1的上腔接口为油路b的止端。

油路c，起端为液压油缸1的上腔接口，液压油缸1的上腔接口经油管连接第二电磁控制阀6，第二电磁控制阀6经油管连通至图1的A点处，即连接油管上具有的A点处，该A点处为油路c的止端。

油路d，起端为液压油缸1的上腔接口，液压油缸1的上腔接口经油管顺序连接第二馈能功率调节器18和第二单向阀8后再以油管连接到A点处，A点处为油路d的止端。

油路e，起端为A点处，将A点处、压力传感器9、蓄能器7经油管顺序连接至安全阀10和外接耗能部件11，安全阀10和外接耗能部件11并联后经油管连接油箱14，油箱14为油路e的止端。

油路f，起端为液压油缸1的下腔接口，液压油缸1的下腔接口经油管顺序连接第一馈能功率调节器17和第二单向阀8后再以油管连接A点处，A点处为油路f的止端。该油路f与油路d共用第二单向阀8。

油路g，起端为液压油缸1的下腔接口，液压油缸1的下腔接口经油管顺序连接第三电磁控制阀12后再以油管连接至A点处，A点处为油路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均经过了公共的A点处。

油路h，起端为油箱14，油箱14经油管顺序连接增压包13、第三单向阀15后连接液压油缸1的下腔接口，液压油缸1的下腔接口为油路h的止端。该油路h和油路b共用增压包13。

油路i，起端为液压油缸1的下腔接口，液压油缸1的下腔接口经油管连接第四电磁控制阀16后连接油箱14，油箱14为油路i的止端。

图1中的簧载质量23为汽车的车身或车架，非簧载质量20为汽车的车轮或车轴质量，等效弹簧19是与车轮或车轴等效的弹簧，簧载质量23和非簧载质量20通过弹簧22连接。液压油缸1连接于簧载质量23和非簧载质量20之间，弹簧22与液压油缸1处于并联状态。第一速度与加速度传感器组2固定在簧载质量23上，第二速度与加速度传感器组21固定在非簧载质量20上，第一速度与加速度传感器组2及第二速度与加速度传感器组21、各个电磁控制阀、压力传感器9分别通过控制线连接至控制单元3。第一速度与加速度传感器组2为控制单元3提供对应的簧载质量速度与加速度信号，第二速度与加速度传感器组21为控制单元3提供对应的非簧载质量速度与加速度信号，压力传感器9为控制单元3提供蓄能器7的液压油压力信号。控制单元3分别对各个电磁控制阀进行控制。。

本发明在实际工作时，具有单上腔半主动能量反馈/主动减振油路、单下腔半主动能量反馈/主动减振油路、双腔半主动能量反馈/主动减振油路三种油路工作模式可供选择，即半主动能量反馈分为单上腔半主动能量反馈、单下腔半主动能量反馈和双腔半主动能量反馈。

单上腔半主动能量反馈/主动减振油路、单下腔半主动能量反馈/主动减振油路、双腔半主动能量反馈/主动减振油路这三种油路工作模式可分别单独实现本发明的悬架半主动/主动复合的控制，以下分别描述这三种油路：

由于油路c、油路d、油路e、油路f、油路g均经过A点处这一油管的公共点处，本发明其实是将油路c和油路d在A点处并联后再与油路e串联，串联位置也是油路e的起端A点处，串联后再与油路a及油路b并联，形成单上腔半主动能量反馈/主动减振油路。

将油路f和油路g在A点处并联后再与油路e串联，串联位置是油路e的起端A点处，串联后再与油路h及油路i并联，形成单下腔半主动能量反馈/主动减振油路。

第一馈能功率调节器17与第二馈能功率调节器18分别被用来调节单上腔半主动能量反馈/主动减振油路和单上腔半主动能量反馈/主动减振油路的最大阻尼力。

双腔半主动能量反馈/主动减振油路由单上腔半主动能量反馈/主动减振油路和单下腔半主动能量反馈/主动减振油路组成，所以，以下以具有双腔半主动能量反馈/主动减振油路的悬架可全面、具体地说明本发明的工作原理：

控制单元3接受到第一速度与加速度传感器组2、第二速度与加速度传感器组21及压力传感器9反馈的悬架状态及蓄能器7的能量状态信息，根据特定的控制算法，例如遗传模糊PID控制算法、LQG控制算法等，计算得到使悬架性能达到最优的控制力。当所需控制力的方向与簧载质量23相对于非簧载质量20速度反向时，本发明在半主动能量反馈工作模式下工作，通过液压油缸1和半主动能量反馈油路将悬架间的振动能量转化为液压能，并储存在蓄能器7中备用。当所需控制力的方向与簧载质量23相对于非簧载质量20速度同向时，本发明在主动减振工作模式下工作，通过液压油缸1和主动减振油路将半主动能量反馈模式下反馈所得的液压能输入到悬架间以实现主动减振，蓄能器7作为动力源通过液压油缸1为悬架提供减振主动力。

基于上述工作原理：以下具体描述具有双腔半主动能量反馈/主动减振油路的悬架的控制方法：

半主动能量反馈工作模式下的控制方法为：当簧载质量23相对于非簧载质量20速度为使它们之间距离变大的方向，且与所需减振控制力的方向相反时，则半主动能量反馈工作模式下的单下腔半主动能量反馈/主动减振油路的能量反馈及半主动减振的实现包括2个过程：一、上腔进油过程：控制单元3对油路a所含第一电磁控制阀4、油路c所含第二电磁控制阀6及油路g所含第三电磁控制阀12输出关闭信号，液压油从油箱14经过油路b(即液压油经增压包13增压后经第一单向阀5进入到液压油缸1的上腔中)，完成上腔的进油过程。二、下腔馈能及半主动减振过程：当油路i所含第四电磁控制阀16开启时，液压油缸1的活塞上的作用力为零，即提供的馈能阻尼力为零；当第四电磁控制阀16关闭时，液压油缸1的活塞使得液压油缸1的下腔中产生一定的压力，当此压力能克服第一馈能功率调节器17中的油路启闭弹簧压力时，开启第一馈能功率调节器17，下腔中的压力油经过油路f(即流经第一馈能功率调节器17、第二单向阀8储存在储能器7中)，同时提供最大的馈能阻尼力；控制单元3可根据减振的需要对第四电磁控制阀16输出PWM(脉宽调制)控制信号，以实现在不同的脉宽调制工作周期内输出均值大小不等的半主动减振阻尼力。

当簧载质量23相对于非簧载质量20速度为使它们之间距离变小的方向，且与所需减振控制力的方向相反时，则半主动能量反馈工作模式下的单上腔半主动能量反馈/主动减振油路的能量反馈及半主动减振的实现包括2个过程：一、下腔进油过程：控制单元3对第二电磁控制阀6、第三电磁控制阀12及第四电磁控制阀16输出关闭信号，液压油从油箱14经过油路h(即液压油经增压包13增压后由经第三单向阀15进入到液压油缸1的下腔中，完成下腔的进油过程。二、上腔馈能及半主动减振过程：当第一电磁控制阀4开启时，液压油缸1的活塞上的作用力为零，即提供的馈能阻尼力为零；当第一电磁控制阀4关闭时，液压油缸1的活塞使得液压油缸1的上腔中产生一定的压力，当此压力能克服第二馈能功率调节器18中的油路启闭弹簧压力时，开启第二馈能功率调节器18，上腔压力油经过油路d(包含第二馈能功率调节器18和第二单向阀8)储存在储能器7中，同时提供最大的馈能阻尼力；控制单元3可根据减振的需要对第一电磁控制阀4输出PWM(脉宽调制)控制信号，以实现在不同的脉宽调制工作周期内输出均值大小不等的半主动减振阻尼力。

主动减振油路模式下的控制方法为：当簧载质量23相对于非簧载质量20速度为使它们之间距离变大的方向，且与所需减振控制力的方向相同时，则本发明的主动减振模式下的单上腔半主动能量反馈/主动减振油路的主动减振的实现方法为：控制单元3对第三电磁控制阀12输出关闭信号，控制单元3对第四电磁控制阀16输出开启信号；当第二电磁控制阀6关闭时，第一电磁控制阀4开启，液压油缸1的活塞上的作用力为零，即提供的减振主动力为零；当第二电磁控制阀6开启时，第一电磁控制阀4关闭，压力油由储能器7通过第二电磁控制阀6和油管进入到液压油缸1的上腔，为悬架提供最大的减振主动力；控制单元3可根据减振的需要对第二电磁控制阀6输出PWM(脉宽调制)控制信号，以实现在不同的脉宽调制工作周期内输出均值大小不等的减振主动力。

当簧载质量23相对于非簧载质量20速度为使它们之间距离变小的方向，且与所需减振控制力的方向相同时，则本发明的主动减振模式下的单下腔半主动能量反馈/主动减振油路的主动减振的实现方法为：控制单元3对第二电磁控制阀6输出关闭信号，控制单元3对第一电磁控制阀4输出开启信号；当第三电磁控制阀12关闭时，第四电磁控制阀16开启，液压油缸1的活塞上的作用力为零，即提供的减振主动力为零；当第三电磁控制阀12开启时，第四电磁控制阀16关闭，压力油由储能器7通过第三电磁控制阀12、油管进入到液压油缸1的下腔，为悬架提供最大的减振主动力；控制单元3可根据减振的需要对第三电磁控制阀12输出PWM(脉宽调制)控制信号，以实现在不同的脉宽调制工作周期内输出均值大小不等的减振主动力。

Claims (5)

1.一种无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架，簧载质量(23)和非簧载质量(20)之间连接弹簧(22)，其特征是：液压油缸(1)与所述弹簧(22)并联后连接于簧载质量(23)和非簧载质量(20)之间，液压油缸(1)的上腔接口经油管依次连接有第一电磁控制阀(4)至油箱(14)形成油路(a)；油箱(14)经油管顺序连接有增压包(13)、第一单向阀(5)至液压油缸(1)的上腔接口形成油路(b)；液压油缸(1)的上腔接口经油管顺序连接有第二电磁控制阀(6)和油管的A点处形成油路(c)；液压油缸(1)的上腔接口经油管顺序连接有第二馈能功率调节器(18)、第二单向阀(8)和所述A点处形成油路(d)；A点处、压力传感器(9)、蓄能器(7)经油管顺序连接有并联的安全阀(10)和外接耗能部件(11)后连接至油箱(14)形成油路(e)；液压油缸(1)的下腔接口经油管顺序连接有第一馈能功率调节器(17)和第二单向阀(8)后连接A点处形成油路(f)；液压油缸(1)的下腔接口经油管顺序连接有第三电磁控制阀(12)后连接A点处形成油路(g)；油箱(14)经油管顺序连接有增压包(13)、第三单向阀(15)至液压油缸(1)的下腔接口形成油路(h)；液压油缸(1)下腔接口经油管连接第四电磁控制阀(16)至油箱(14)形成油路(i)；所述簧载质量(23)上固定有第一速度与加速度传感器组(2)，非簧载质量(20)上固定有第二速度与加速度传感器组(21)，第一速度与加速度传感器组(2)及第二速度与加速度传感器组(21)、各个所述电磁控制阀、压力传感器(9)分别连接控制单元(3)。

2.根据权利要求1所述的无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架，其特征是：油路(c)和油路(d)在A点处并联后与油路(e)串联，再与油路(a)及油路(b)并联形成单上腔半主动能量反馈/主动减振油路；油路(f)和油路(g)在A点处并联后与油路(e)串联，再与油路(h)及油路(i)并联形成单下腔半主动能量反馈/主动减振油路；单上腔半主动能量反馈/主动减振油路与单下腔半主动能量反馈/主动减振油路组成双下腔半主动能量反馈/主动减振油路。

3.一种无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架的控制方法，其特征是按如下步骤：

1)控制单元(3)接受第一速度与加速度传感器组(2)、第二速度与加速度传感器组(21)及压力传感器(9)反馈的悬架状态及蓄能器(7)的能量状态信息后计算悬架控制力；

2)当所需控制力的方向与簧载质量(23)相对于非簧载质量(20)速度反向时为半主动能量反馈工作模式，通过液压油缸(1)和半主动能量反馈油路将悬架间的振动能量转化为液压能并储存在蓄能器(7)中备用；当所需控制力的方向与簧载质量(23)相对于非簧载质量(20)速度同向时为主动减振工作模式，通过液压油缸(1)和主动减振油路将半主动能量反馈工作模式下反馈所得的液压能输入到悬架间实现主动减振。

4.根据权利要求3所述的无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架的控制方法，其特征是：半主动能量反馈工作模式下的单下腔半主动能量反馈/主动减振油路的实现过程为：首先是控制单元(3)对油路(a)的第一电磁控制阀(4)、油路(c)的第二电磁控制阀(6)及油路(g)的第三电磁控制阀(12)输出关闭信号，液压油从油箱(14)经过油路(b)完成上腔的进油过程；然后关闭第四电磁控制阀(16)使液压油缸(1)的下腔中产生压力，开启第一馈能功率调节器(17)，使下腔压力油经过油路(f)提供最大的馈能阻尼力；

半主动能量反馈工作模式下的单上腔半主动能量反馈/主动减振油路的实现过程为：首先是控制单元(3)对第二电磁控制阀(6)、第三电磁控制阀(12)及第四电磁控制阀(16)输出关闭信号，液压油从油箱(14)经过油路(h)完成下腔的进油过程；然后关闭第一电磁控制阀(4)使液压油缸(1)的上腔产生压力，开启第二馈能功率调节器(18)，使上腔压力油经过油路(d)提供最大的馈能阻尼力；

主动减振工作模式下的单上腔半主动能量反馈/主动减振油路的主动减振的实现方法为：控制单元(3)使第三电磁控制阀(12)关闭、第四电磁控制阀(16)开启、第二电磁控制阀(6)开启且第一电磁控制阀(4)关闭，压力油由储能器(7)通过第二电磁控制阀(6)进入液压油缸(1)的上腔提供最大的减振主动力；

主动减振工作模式下的单下腔半主动能量反馈/主动减振油路的主动减振的实现方法为：控制单元(3)使第二电磁控制阀(6)关闭、第一电磁控制阀(4)开启、第三电磁控制阀(12)开启且第四电磁控制阀(16)关闭，压力油由储能器(7)通过第三电磁控制阀(12)进入液压油缸(1)的下腔提供最大的减振主动力。

5.根据权利要求4所述的无外界动力源的半主动/主动复合控制悬架的控制方法，其特征是：控制单元(3)分别对第一电磁控制阀(4)、第二电磁控制阀(6)、第三电磁控制阀(12)、第四电磁控制阀(16)输出PWM控制信号。

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