四档容积可调空气弹簧及其控制方法

摘要

本发明公开了一种四档容积可调空气弹簧及其控制方法，本发明的四档容积可调空气弹簧包括封闭的气囊本体、第一副气室和第二副气室，气囊本体的顶部与主气管连通，气囊本体的下方分别通过第一通孔与第一副气室连通、通过第二通孔与第二副气室连通，主气管上安装有主电磁阀，第一通孔上安装有第一电磁阀，第二通孔上安装有第二电磁阀，在空气弹簧静平衡工作高度第二副气室具有与气囊本体相同的容积，第一副气室的容积是气囊本体的两倍。本发明的控制方法主要包括力学性能曲线测定、模型建立与验证、程序优化、程序执行等步骤。

权利要求

1.一种四档容积可调空气弹簧的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）四档容积可调空气弹簧力学性能曲线的测定：通过控制第一电磁阀、第二电磁阀的开闭，四档容积可调空气弹簧在静平衡位置具有四种工作容积：第一电磁阀、第二电磁阀均关闭状态，弹簧工作容积为V；第一电磁阀关闭且第二电磁阀开启状态，弹簧工作容积为

2V；第一电磁阀开启且第二电磁阀关闭状态，弹簧工作容积为3V；第一电磁阀、第二电磁阀均开启状态，弹簧工作容积为4V；分别测定以上四种弹簧工作容积下的力学性能曲线；

2）建立含四档容积可调空气弹簧悬架车辆系统动力学模型及道路模型：其中空气弹簧模型为一弹性力表示，且用最小二乘法拟合出弹簧的等效作用面积和工作容积随悬架行程的关系式；

3）做实车平顺性试验，比较在相同工况下的试验结果与仿真结果，验证数学模型的可靠性；

4）悬架弹性力优化策略特征，选30、60、90、120km/h四种工况下驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度的均方根值之和最小为目标，前、后悬架弹性力为设计变量，前后悬架动挠度、偏频为约束条件；

5）利用人工免疫算法优化主调用程序、目标函数程序、非线性约束条件程序；

6）发动机启动后，ECU根据传感器检测底盘高度与预设高度之间的偏差进行控制空气弹簧，即偏差大于零时对其放气，偏差等于零时保持不变，偏差小于零时对其充气，且整个充放气过程中第一电磁阀、第二电磁阀保持开启状态，偏差调整为零后关闭主电磁阀，从压力传感器气压信息和弹簧等效作用面积求出车辆静态载荷；车辆行驶后，ECU以汽车行驶速度、车体垂向加速度信号为依据，根据步骤2）车辆系统动力学模型和步骤5）优化程序优化出悬架弹性力，再根据步骤1）弹簧力与空气弹簧工作容积的关系，确定第一电磁阀、第二电磁阀开启或关闭工作状态；

7）将步骤5）的优化程序和步骤6）控制方法程序固化到悬架控制系统的储存器中，具体工作时，在汽车发动机启动后，ECU会根据传感器实测底盘高度与预设高度的偏差向主电磁阀、第一电磁阀和第二电磁阀发出指令向空气弹簧进行充气或放气直到偏差为零为止，再以压力传感器检测到的空气弹簧内部气压以及与弹簧等效作用面积的关系求出车辆静载荷；车辆行驶后，ECU根据驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度、车桥振动加速度、车辆速度、悬架动行程等信号优化出车辆状态所需悬架弹性力，在根据弹性力与空气弹簧内部容积的关系使第一电磁阀、第二电磁阀作出响应，使空气弹簧切换到最佳工作容积状态。

说明书

四档容积可调空气弹簧及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种四档容积可调空气弹簧及其控制方法，属于车辆悬架技术领域。

背景技术

[0002] 电子控制空气弹簧悬架系统具有固有频率低、非线性特性、力学特性可控等优点，已在豪华客车、高档乘用车以及特种车辆上得到广泛应用。随着电子技术、自动控制技术和车辆悬架技术的成熟和快速发展，开发具有悬架弹性力主动调节功能的电子控制空气弹簧悬架系统成为可能，悬架弹性力的主动调节可以通过改变静平衡位置时空气弹簧内部空腔容积大小来实现的，且在初始静载荷相同时，可通过改变副气室结构而使内部空腔容积可在几种数值之间变化，相对应的，在同一气压情况下一种容积对应一种空气弹簧力学性能。譬如丰田LS400悬架空气弹簧空腔容积可在“大”和“小”两档可调，相对应的，其力学曲线可在“软”和“硬”两级切换。可以预见，具有多档悬架特性可调功能的电子控制空气弹簧悬架系统是汽车悬架未来的发展方向。而电子控制空气悬架系统与整车性能实现良好协调匹配的关键技术就是悬架特性具有多档可调并能良好跟踪整车性能要求的空气悬架系统。

[0003] 电子控制空气悬架的弹簧刚度控制方法最常见的有PID控制、最优控制、模糊神经网络控制、自适应模糊神经网络控制等等，但是，许多先进的控制方法由于其鲁棒性、使用成本及可靠性等方面还处在理论研究和试验阶段，并未出现可实施的具体方案。

[0004] 经发明人检索，专利文献CN1840369A公开了一种空气悬架及其电子控制系统，驾驶员在急加速、急刹车或转弯过程中通过手动按钮，选择性地对空气悬架的空气弹簧刚度系数进行控制。优点是控制系统传感器较少，结构简单，成本低。缺点是自动化程度差，且驾驶员在操控车辆系统的同时还要随时对悬架系统进行控制，劳动强度大容易疲劳。专利文献CN101417596A公开了一种汽车空气悬架的控制方法，该方法先通过计算输入的车身高度的方差和车速判断出不同的工作模式；采用开环控制以及神经网络实现在线自修正的函数，电子控制系统根据神经网络所得充排气时间控制空气阀门的执行，再经计算得到簧内空气摩尔浓度和偏差量；最后得到具体控制信号。优点是车辆在不同路面条件下灵活控制，在各种路况条件下具有适当的弹性和阻尼性能。缺点是弹簧内的空气摩尔浓度不能直接测量，开环控制空气消耗量大，能耗高，且高度与刚度调控时系统会发生振荡现象。专利文献CN101856960A公开了一种车辆悬架利用与自适应减振系统相结合的主动式空气悬架系统来提供期望的乘坐和操作输出。该主动式空气悬架与自适应减振系统可以彼此独立地运行、或者可以彼此联合工作以提供所希望的输出。根据初始气囊压力、弹簧刚度和压力水平相联系的一个查询表来间接改变弹簧刚度。优点是根据车辆状态从查询表中选取弹簧刚度经验值，比理论计算具有更高的可靠性。缺点是道路环境多变性，难以获得完整的查询表。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结构紧凑、生产工艺简单的四档容积可调空气弹簧，同时提出可对其进行高可靠性、强稳定性控制的控制方法。

[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种四档容积可调空气弹簧包括封闭的气囊本体、第一副气室和第二副气室，所述气囊本体的顶部与主气管连通，所述气囊本体的下方分别通过第一通孔与第一副气室连通、通过第二通孔与第二副气室连通，所述主气管上安装有主电磁阀，所述第一通孔上安装有第一电磁阀，所述第二通孔上安装有第二电磁阀，在预设高度的静平衡位置处所述第二副气室具有与气囊本体相同的容积，所述第一副气室的容积是气囊本体的两倍。

[0007] 本发明提供的一种四档容积可调空气弹簧的控制方法包括以下步骤：

[0008] 1）四档容积可调空气弹簧力学性能曲线的测定：通过控制第一电磁阀、第二电磁阀的开启关闭组合，空气弹簧具有四种工作容积：第一电磁阀、第二电磁阀均关闭状态，弹簧工作容积为V；第一电磁阀关闭且第二电磁阀开启状态，弹簧工作容积为2V；第一电磁阀开启且第二电磁阀关闭状态，弹簧工作容积为3V；第一电磁阀、第二电磁阀均开启状态，弹簧工作容积为4V；分别测定以上四种弹簧工作容积下的力学性能曲线；

[0009] 2）建立含四档容积可调空气弹簧悬架车辆系统动力学模型及道路模型：其中空气弹簧模型为一弹性力表示，且用最小二乘法拟合出弹簧的等效作用面积和工作容积随悬架行程的关系式；

[0010] 3）做实车平顺性试验，比较在相同工况下的试验结果与仿真结果，验证数学模型的可靠性；

[0011] 4）悬架弹性力优化策略特征，选30、60、90、120km/h四种工况下车辆驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度的均方根值之和最小为目标，前、后悬架弹性力为设计变量，前后悬架动挠度、偏频为约束条件；

[0012] 5）利用人工免疫算法优化主调用程序、目标函数程序、非线性约束条件程序；

[0013] 6）汽车发动机一经起动，悬架ECU首先会根据传感器检测到的底盘高度与预设高度之间的偏差进行空气弹簧控制，即偏差大于零时对其放气，偏差等于零时三个电磁阀工作状态保持不变，偏差小于零时对其充气，且整个充放气过程中主电磁阀、第一电磁阀和第二电磁阀均保持开启状态直到偏差为零时关闭主电磁阀；然后从压力传感器的气压信息和弹簧等效作用面积求出车辆静态载荷。车辆行驶后，悬架ECU再以汽车行驶速度、车辆静载荷、悬架动行程、车桥振动加速度和驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度为依据，根据步骤2）车辆系统动力学模型和步骤5）优化程序优化出悬架弹性力，再根据步骤1）弹簧力与空气弹簧工作容积的关系，确定第一电磁阀、第二电磁阀开启或关闭工作状态；

[0014] 7）将步骤5）的优化程序和步骤6）的控制方法程序固化到悬架控制系统的储存器中,具体工作时，汽车发动机启动后到车辆行驶前，悬架控制系统根据传感器实测到的底盘静态高度与预设高度的偏差进行调平，即偏差不为零时发出指令开启三个电磁阀对空气弹簧进行充气或放气直到调平为止，偏差为零时三个电磁阀工作状态保持不变；车辆行驶后，悬架控制系统会根据静态载荷、驾驶员座椅处垂向加速度信号、车桥振动信号、车辆速度、悬架动行程等信号优化出车辆状态所需悬架弹性力，在根据弹性力与空气弹簧内部容积的关系使第一电磁阀、第二电磁阀作出响应，使空气弹簧切换到最佳工作容积状态。

[0015] 有益效果：

[0016] 1）本发明的空气弹簧结构采用四档可变化的工作容积，有效的提高了车辆在不同工况下的综合性能；

[0017] 2）本发明的控制方法容易实现、控制系统成本低、可靠性好；

[0018] 3）本发明的控制方法中综合考虑了路面等级、载荷、车辆速度等影响因素，使不同的车辆运行工况均有其相对应的最优悬架弹性力；

[0019] 4）本发明的控制方法所采用的人工免疫算法寻优技术是一类全局搜索算法，具有较好的克服局部极值，取得全局最优值的能力和较快的收敛速度，非常适合四档容积可调空气弹簧悬架车辆系统的非线性模型。

附图说明

[0020] 图1是本发明的四档容积可调空气弹簧结构示意图；

[0021] 图2是本发明的四档容积可调空气弹簧在不同工作容积下的力学性能曲线；

[0022] 图3是本发明的四档容积可调空气弹簧控制方法的人工免疫控制系统框图；

[0023] 图4是本发明的四档容积可调空气弹簧的使用效果图。

具体实施方式

[0024] 本发明的四档容积可调空气弹簧结构如图1所示，包括封闭的气囊本体5、第一副气室和第二副气室2，气囊本体5的顶部与主气管7连通，气囊本体5的下方分别通过第一通孔与第一副气室1连通、通过第二通孔与第二副气室2连通，主气管上安装有主电磁阀6，第一通孔上安装有第一电磁阀3，第二通孔上安装有第二电磁阀4，静平衡工作高度时第二副气室2具有与气囊本体5相同的容积，第一副气室1的容积是气囊本体5的两倍。

[0025] 本发明提供的一种四档容积可调空气弹簧的控制方法包括以下步骤：

[0026] 1）四档容积可调空气弹簧力学性能曲线的测定：通过控制第一电磁阀、第二电磁阀的开闭组合，四档容积可调空气弹簧具有四种工作容积：第一电磁阀、第二电磁阀均关闭状态，弹簧工作容积为V；第一电磁阀关闭且第二电磁阀开启状态，弹簧工作容积为2V；第一电磁阀开启且第二电磁阀关闭状态，弹簧工作容积为3V；第一电磁阀、第二电磁阀均开启状态，弹簧工作容积为4V，得到如图2的力学性能曲线，图中曲线8、9、10、11分别对应工作容积V、2V、3V、4V。

[0027] 2）建立含四档容积可调空气弹簧悬架汽车系统动力学模型及路面模型：根据牛顿定律建立含四档容积可调空气弹簧悬架汽车系统动力学模型，其中模型中悬架弹性力以一作用力表示，该作用力为气压和有效面积的函数，且由固定部分和可变部分组成，悬架阻尼系数通过试验测试减振器得到；选取合适的状态变量，状态空间实现。

[0028] 3）检验含四档容积可调空气弹簧悬架汽车动力学系统模型的正确性：利用步骤2）所建的四档容积可调空气弹簧悬架汽车系统的动力学模型，采用Matlab软件对上述模型进行仿真计算；参考车辆平顺性试验标准GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》，对装备有四档容积可调空气弹簧悬架汽车进行道路平顺性试验，分析比较汽车在相同工况下的试验性能与仿真性能，以此来检验动力学模型的正确性。

[0029] 4）建立悬架弹性力优化策略，确定优化目标函数、设计变量、约束条件：以驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度均方根值最小作为目标函数，以悬架静挠度、前后车轴偏频、前后悬架阻尼系数作为约束条件，以悬架弹性力作为设计变量。

[0030] 以30、60、90、120km/h四种车速下驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度均方根值最小为优化目标，根据不同车速使用频率不同，各车速下加速度均方根值分别乘以不同的加权系数折算成单一的优化目标值，即

[0031] minF(X)＝0.2σ30+0.3σ60+0.3σ90+0.2σ120

[0032] 式中σ30、σ60、σ90、σ120——车速分别为30、60、90、120km/h时车辆重心处垂向加速度均方根值。

[0033] ①前后悬架等效刚度匹配约束

[0034] 为了满足一定的行驶平顺性要求，还有满足前后悬架系统的偏频，可以建立约束条件为：

[0035]

[0036] 式中 k1、k2——前后悬架单侧刚度；

[0037] M1、M2——前后车桥的悬挂质量。

[0038] ②前后悬架阻尼参数的约束

[0039] 前后悬架相对阻尼系数满足以下条件：

[0040]

[0041] 式中cf、cr——前后悬架相对阻尼系数。

[0042] ③前后悬架动行程约束

[0043] 前后悬架动行程应维持在最大压缩行程和的范围内，可以建立约束条件为：

[0044] fMY1≤ffd≤fMS1，fMY2≤frd≤fMS2

[0045] 式中 ffd、frd——前后悬架动行程；

[0046] fMY1、fMY2——前后悬架最大压缩行程；

[0047] fMS1、fMS2——前后悬架最大伸张行程。

[0048] 5）利用人工免疫算法优化调用主程序、目标函数程序、各种非线性约束条件程序；

[0049] 6）发动机起动后，ECU根据底盘预设高度与实际高度的偏差判断是否输出指令使主电磁阀开启对空气弹簧进行充气或放气，且充气或放气时副气室两个电磁阀是处于开启状态，偏差调整到零时将关闭主电磁阀，且由压力传感器获得的气压信号与空气弹簧等效作用面积的关系得到车辆静态载荷；车辆行驶后，ECU再根据步骤2）车辆系统模型和步骤5）优化程序，结合实车运行工况信号优化出悬架弹性力，再根据步骤1）的空气弹簧弹性力与工作容积的关系确定第一电磁阀、第二电磁阀开启或关闭；

[0050] 7）把步骤2）车辆模型中的相关参数、步骤5）优化策略程序和步骤6）控制方法程序固化在车载悬架控制系统ECU的储存器中；当发动机刚启动时，ECU先以底盘实际高度与预设高度的偏差来判断是否向主电磁阀指派对空气弹簧进行充放气的指令，且第一电磁阀、第二电磁在整个充放气过程始终处于开启状态并随主电磁阀的关闭而关闭，再以压力传感器的气压值计算出车辆的簧载质量；在车辆起步后，ECU又根据驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度、汽车速度、悬架动行程和车桥振动加速度信号优化出悬架所需弹性力，进而根据空气弹簧弹性力与工作容积的关系控制第一电磁阀、第二电磁阀作出响应切换到最佳工作容积状态，控制系统框图如图3所示。

[0051] 由图4可知，本发明实施的四档容积可调空气弹簧悬架系统及其控制方法在ISOB级路面0～4s、车速60km/h时驾驶员座椅与车身连接处的垂向加速度波动要明显小于现有的电子控制空气弹簧悬架。