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CN107215165A - 基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法 - Google Patents

基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法 Download PDF

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CN107215165A
CN107215165A CN201710427874.9A CN201710427874A CN107215165A CN 107215165 A CN107215165 A CN 107215165A CN 201710427874 A CN201710427874 A CN 201710427874A CN 107215165 A CN107215165 A CN 107215165A
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Abstract

本发明公开了一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其采用回转式磁流变减振器作为汽车主动倾摆控制的作动器，将汽车悬架的各个减振器更换成所述的磁流变减振器，所述回转式磁流变减振器进行主动倾摆控制采用的方法是单独控制车辆左右两边的减振器使车体进行升降，从而实现车辆的倾摆控制。本方法将显著提高汽车操纵稳定性、通行速度、防止侧翻，同时保持较好的平顺性，不仅可以提高弯道的性能，还可以控制汽车的姿态、减小车轮垂直负荷转移，如果单独倾摆前或后悬架，则还可以改变前后轴的相对垂直负荷转移，从而实施横摆力矩控制。所提出的方案也可用于类似的其他领域。

Description

基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法
技术领域
本发明属于汽车设计领域，具体涉及一种基于新型大阻尼力磁流变减振器(MRD)的半主动悬架使汽车向转弯方向主动侧倾控制的方法。
背景技术
传统被动悬架采用增强悬架刚度和安装横向稳定杆的方式防侧倾，这会导致汽车平顺性的降低，无法满足防侧倾和改善平顺性两方面的要求。主动或半主动侧倾控制可以解决这种矛盾，一种控制方式是在横向稳定杆上串联作动器实施主动或半主动控制，另一种控制方式是在主动或半主动悬架中对车体实施姿态控制从而控制汽车倾斜。然而，这些侧倾控制都是被动地以减小侧倾角或最多使侧倾角为零作为目标。车辆在转弯过程中，由于离心力的作用会使汽车向外侧倾斜，但如果能主动向弯道内侧倾，使汽车重力产生的力矩减小或抵消离心力产生的力矩，从而使得横向垂直载荷转移减小，以及乘员感知的侧向加速度减小或等于零，不仅能提高汽车的横向稳定性和行驶平顺性，还能提高汽车弯道通行速度，防止侧翻。借用轨道列车主动倾斜的术语，本专利将这种主动倾斜称为主动倾摆。
目前国内外主要有以下2种车辆采用主动倾摆技术。一种是轨道列车主动倾摆技术，其技术已较为成熟，但仍存在一些问题需要研究。另一种是窄幅车辆(Narrow CommuterVehicle，NCV)主动倾摆技术，NCV近几十年来吸引了研究者的很大兴趣，NCV有3个或4个车轮，车宽窄(普通车宽的一半)、重量轻、低速、适合城区行驶，可有效缓解目前城市交通拥挤的状况和污染问题。NCV目前还处在试验样车的研究阶段，其倾摆控制技术还不成熟。
在汽车进行倾摆控制方面，目前只有利用主动悬架进行倾摆控制的研究，但相关的研究和方法采用的都是理想的主动悬架，没有涉及具体的作动器结构和实施方案。另外，采用主动悬架进行倾摆控制存在结构复杂，成本高，能耗高等问题。
发明内容
鉴于主动悬架结构复杂、能耗高，并且液压系统响应慢，在悬架系统中增加作动器的方案也将使结构变得复杂的问题，本发明提出了基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法。
本发明所采取的技术方案如下：
一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其采用回转式磁流变减振器作为汽车主动倾摆控制的作动器，将汽车悬架的各个减振器更换成所述的磁流变减振器，通过对磁流变减振器的控制实现车体升降，具体的控制汽车主动倾摆的方法包括如下步骤：
(1)确立期望倾摆角θdes；根据车辆转向和侧倾模型，稳态时乘员感知的侧倾加速度于0，可得如下等式，
式中：为侧向加速度，V为车速，θ为倾摆角，h为簧载质量质心到侧倾中心的距离，为期望横摆角速度，其等于2自由度车辆转弯模型中性转向时的横摆角速度；由于稳态时，θ的值小，因此上式近似为因此，期望倾摆角为，
(2)以期望倾摆角为控制目标，车辆左右悬架的磁流变减振器为作动器使车体向转弯方向侧倾，使实测侧倾角和期望倾摆角相等；
(3)确定MRD的升降控制策略，当车辆左转弯时，左侧悬架伸张时采用大阻尼，压缩时采用小阻尼，同时，右侧悬架伸张时采用小阻尼，压缩时采用大阻尼，这样车体左侧就会下降，右侧会上升；当车辆右转弯时，右侧悬架伸张时采用大阻尼，压缩时采用小阻尼，同时，左侧悬架伸张时采用小阻尼，压缩时采用大阻尼，这样车体右侧就会下降，左侧会上升。
进一步的，所述步骤(3)中，控制车体倾摆，伸张侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
压缩侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
其中，c0为MRD不加电流时的最小阻尼系数；c(I)为MRD加电流时的阻尼系数，是电流的函数。
或者所述步骤(3)中，控制车体倾摆，伸张侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
压缩侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
其中，f(I)为MRD阻尼力，是电流的函数；f0为MRD不加电流时的阻尼力。
进一步的，所述步骤(2)中采用的控制算法为LQR，PID控制，滑模控制，鲁棒控制中的一种。
进一步的，所述作动器MRD工作的方式是：车辆左侧的MRD通过控制使车体向上升或下降，而右侧的MRD通过控制使车体向下降或上升，从而使车体侧倾，或者车辆右侧的MRD通过控制使车体向上升或下降，而左侧的MRD通过控制使车体向下降或上升，从而使车体侧倾。
本发明的有益效果是：半主动悬架能耗小、结构简单，尤其是磁流变半主动悬架控制效果好，技术较为成熟。本发明利用基于一种新型大阻尼力磁流变减振器(MRD)的半主动悬架来进行汽车主动倾摆控制的方法，采用的作动器结构新颖，成本低，能耗小，实施方案简单易行。汽车实施主动倾摆控制将显著提高操纵稳定性、通行速度、防止侧翻，同时保持较好的平顺性，不仅可以提高弯道的性能，还可以控制汽车的姿态、减小车轮垂直负荷转移，如果单独倾摆前或后悬架，则还可以改变前后轴的相对垂直负荷转移，从而实施横摆力矩控制。所提出的方案也可用于类似的其他领域。
附图说明
图1是回转式磁流变减振器的阻尼力-速度特性曲线。
图2是汽车倾摆动力学模型，其中(a)是车辆侧向动力学模型，(b)是车辆侧倾动力学模型。
图3是采用大阻尼系数为8000Ns/m进行仿真的控制图。
图4是采用大阻尼力为2kN进行仿真的下降控制图。
图5是采用大阻尼力为3kN进行仿真的下降控制图。
图6是采用大阻尼系数为4000Ns/m进行仿真的控制图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用一种回转式磁流变减振器作为汽车主动倾摆控制的作动器，以前后轴均为独立悬架的轿车为例，将汽车悬架的4个减振器更换成这种磁流变减振器。这种减振器工作在剪切模式，在外加磁场的作用下，磁流变液表现出Bingham塑性流体的性质，即在零速度下也能获得很大的阻尼，其阻尼会随着磁场的增加而增加，并且和普通磁流变减振器相比，在电流相当的情况下能产生更大的阻尼力，在最大阻尼力的情况下，汽车的磁流变减振器足以使悬架的相对运动停止。这种磁流变减振器通过滚珠丝杠螺母将汽车的垂直振动转换成丝杠的旋转运动，丝杠的下部和磁场的转子相连，转子和定子间充满磁流变液，转子的旋转运动剪切了磁流变液，形成阻尼。通过改变电流大小可以调节磁场强度，从而控制阻尼力的大小。图1所示为一种回转式磁流变减振器的外特性曲线，可见，施加电流3.5A，在相对速度接近0时，其阻尼力也可达到3kN。
这种回转式磁流变减振器进行主动倾摆控制，采用的方法是单独控制车辆左右两边的减振器使车体进行升降，从而实现车辆的倾摆控制。汽车在行驶过程中，由于地面的不断激励，车体总是上下振动(在正常路面行驶，悬架的相对位移幅度在厘米级)。
通过MRD的控制使车体升降，其机理是：利用了减振器压缩和伸张阻尼不对称使车体平衡位置发生变化的特性，高的阻尼伸张/压缩比引起车体平衡位置下降，反之，高的压缩/伸张阻尼比引起车体上升。其理论解释是：高的阻尼伸张/压缩比时，压缩时存储在车辆悬架弹簧中的势能在伸张时由于更高的阻尼而耗散，从而减小了伸张运动，使车辆簧载质量的平衡位置下降；高的压缩/伸张阻尼比时的情况相反。利用新型回转式MRD可使阻尼的伸张/压缩比在很大的范围变化，因而可以控制车体的升降。因为车体在升降过程中，弹簧仍然支持着车体，故实际上不需要很大的阻尼力。
基于以上考虑，汽车主动倾摆控制的方法是：
(1)确立期望倾摆角θdes。如图2所示的车辆转向和侧倾模型，稳态时乘员感知的侧倾加速度于0，可得如下等式，
式中，为侧向加速度，V为车速，θ为倾摆角，h为簧载质量质心到侧倾中心的距离，为期望横摆角速度，其等于2自由度车辆转弯模型中性转向时的横摆角速度。由于稳态时，θ的值小，因此上式近似为因此，期望倾摆角为，
(2)以期望倾摆角为控制目标，车辆左右悬架的MRD为作动器使车体向转弯方向侧倾，使实测侧倾角和期望倾摆角相等。采用的控制算法可以是最优控制LQR，PID控制，滑模控制，鲁棒控制等等。
(3)作动器MRD工作的方式是：车辆左侧(或右侧)的MRD通过控制使车体向上升(或下降)，而右侧的MRD通过控制使车体向下降(或上升)，从而使车体侧倾。
(4)确定MRD的升降控制策略。当车辆左转弯(右转弯类似)，左侧(右侧)悬架伸张时采用大(小)阻尼，压缩时采用小(大)阻尼，这样车体左侧就会下降，右侧会上升。如图2(b)的车辆侧倾模型，以右转弯为例，控制车体左侧升右侧降，采用的开关控制函数如下：
其中，c0为MRD不加电流时的最小阻尼系数；c(I)为MRD加电流时的阻尼系数，是电流的函数。
上面是调节MRD阻尼系数大小的公式，也可以采用直接调节阻尼力的方式，其开开关控制函数如下：
其中，f(I)为MRD的阻尼力，是电流的函数；f0为MRD不加电流时的阻尼力。
现举例说明此方法的可行性(此方案仅为所提出倾摆控制方法的具体方案之一)：
以磁流变减振器为作动器单独控制左右车体的升降，即对一侧车体向下控制的同时对另一侧车体向上控制，或者仅对一侧车体控制，这样即可达到使车体左右倾摆的目的。在此，仅证明这种升降车体控制方法的可行性。简单起见，采用普通轿车的1/4车辆悬架模型进行升降控制仿真。控制策略为：当车体和车轮的垂直速度之差为正时(MRD伸张)取大阻尼，为负时(MRD压缩)取小阻尼，进行简单的切换控制。分别采用2种控制方案：(1)调节阻尼系数大小的方式，如式(1)；(2)调节阻尼力的方式，如式(2)。模型中考虑重力的作用，路面为B级路面，车速为20m/s，仿真开始时使用小阻尼(c0＝300Ns/m)，20秒后切换到升降控制。
第1种仿真结果如图3所示，为便于显示车体左右升降位移差，将下降和上升控制的位移曲线放到一张图上显示，采用大阻尼系数为8000Ns/m进行仿真，得到的阻尼力峰值为3kN，左右车体平衡位置之差为0.05m，簧载质量加速度均方根值为0.95m/s2，轮胎动位移均方根值为0.00285m，而相应的被动悬架(阻尼系数为1100Ns/m)簧载质量加速度均方根值为0.65m/s2，轮胎动位移均方根值为0.00225m。第2种仿真结果如图4和5所示，仿真中仅对车体进行下降控制，大阻尼力分别是2kN和3kN，20秒后车体的平衡位置偏差分别为0.1m和0.155m。从仿真可见，通过阻尼的控制明显使车体左右倾斜。一般乘用车的悬架行程为0.25m，车体可倾斜的最大角度为10°,主动倾摆车辆后重力可产生的最大侧向加速度为0.17g，而正常转向产生的侧向加速度为0.3-0.5g。经初步计算可知，图3的倾摆控制可使车体倾斜1°左右，侧向加速度比普通向外倾斜的车辆减小10％左右。图4和5的倾摆控制使车体倾斜2.5°和4.5°，侧向加速度比普通向外倾斜的车辆减小20％和35％左右。可见，即使转弯时只让车体内侧下降而外侧不控制，车体也能达到很好的倾摆效果。另外，车辆的簧载质量加速度和轮胎动载荷和被动悬架相比变化不大。
实际上采用这种新型MRD，施加足够阻尼力可使车体停止运动，如果伸张(或压缩)时限制运动，压缩(或伸张)时放开运动，这样可以达到使车体上升或下降的目的。在第1种仿真中，如果大阻尼系数取40000Ns/m(实际中如果达不到此阻尼系数，因这种MRD可以停止车体的运动，所以可以采用切换控制实施升降控制，这时MRD的大阻尼力起到了单向开关的作用。)，仿真结果如图6所示，可见比图3的位移之差增大不少。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其特征在于采用回转式磁流变减振器作为汽车主动倾摆控制的作动器，将汽车悬架的各个减振器更换成所述的磁流变减振器，通过对磁流变减振器的控制实现车体升降，具体的控制汽车主动倾摆的方法包括如下步骤：
(1)确立期望倾摆角θdes；根据车辆转向和侧倾模型，稳态时乘员感知的侧倾加速度于0，可得如下等式，
式中：为侧向加速度，V为车速，θ为倾摆角，h为簧载质量质心到侧倾中心的距离，为期望横摆角速度，其等于2自由度车辆转弯模型中性转向时的横摆角速度；由于稳态时，θ的值小，因此上式近似为因此，期望倾摆角为，
(2)以期望倾摆角为控制目标，车辆左右悬架的磁流变减振器为作动器使车体向转弯方向侧倾，使实测侧倾角和期望倾摆角相等；
(3)确定MRD的升降控制策略，当车辆左转弯时，左侧悬架伸张时采用大阻尼，压缩时采用小阻尼，同时，右侧悬架伸张时采用小阻尼，压缩时采用大阻尼，这样车体左侧就会下降，右侧会上升；当车辆右转弯时，右侧悬架伸张时采用大阻尼，压缩时采用小阻尼，同时，左侧悬架伸张时采用小阻尼，压缩时采用大阻尼，这样车体右侧就会下降，左侧会上升。
2.根据权利要求1所述的一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其特征在于所述步骤(3)中，控制车体倾摆，伸张侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
压缩侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
其中，c0为MRD不加电流时的最小阻尼系数；c(I)为MRD加电流时的阻尼系数，是电流的函数。
3.根据权利要求1所述的一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其特征在于所述步骤(3)中，控制车体倾摆，伸张侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
压缩侧悬架MRD采用的开关控制函数为：
其中，f(I)为MRD阻尼力，是电流的函数；f0为MRD不加电流时的阻尼力。
4.根据权利要求1所述的一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其特征在于所述步骤(2)中采用的控制算法为LQR，PID控制，滑模控制，鲁棒控制中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，其特征在于所述作动器MRD工作的方式是：车辆左侧的MRD通过控制使车体向上升或下降，而右侧的MRD通过控制使车体向下降或上升，从而使车体侧倾，或者车辆右侧的MRD通过控制使车体向上升或下降，而左侧的MRD通过控制使车体向下降或上升，从而使车体侧倾。
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