电磁阀控制半主动悬架可调减振器的研制

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1、电磁阀控制半主动悬架可调减振器的研制 *刘伟哲 1王忠良 1陈昌建 2郭洪文 3（1.河北师范大学；2.河北工业职业技术学院；3.上海天合汽车研发中心）【摘要】建立了某越野车 7 自 由 度 模 型 ，分析了该车辆在直线行驶 、加 速-制动以及转向工况下悬架阻尼变化对 车辆稳定性和乘坐舒适性的影响 。 研制了电磁阀控制阻尼可调减振器 ，并进行了减振器示功试验 、速度特性台架试 验 ，得出被动减振器及可调减振器的示功图和速度特性曲线 。 结 果 表 明 ，该可调减振器的软 、硬阻尼力随速度的变化 有 明 显 的 区 别 ，说明基本达到了阻尼的软 、硬 可 调 。主题词：半主动悬架减振器电磁阀阻尼

2、调整中图分类号：U463.33文献标识码：A文章编号：10003703（2012）09003004Development of an Adjustable Damper Controlled by Solenoid ofSemi-active Suspension SystemLiu Weizhe1, Wang Zhongliang1, Chen Changjian2, Guo Hongwen3（1.Hebei Normal University; 2.Hebei College of Industry and Technology；3.Shanghai TRW Automotive Hold

3、ings Corp）【Abstract】In this paper a 7 degrees of freedom model of an off -road vehicle is established, and the influence of variation of suspension damper on vehicle stability and ride comfort is analyzed in three main working conditions: straight driving, speeding up, braking and steering. Solenoid

4、 valve control damper adjustable damper is developed, and damper indicator test, speed characteristic bench test are carried out, from which indicator diagram and speed characteristic curve of the passive damper and adjustable damper are obtained. The results show that the changes of soft and hard d

5、ampers with the velocity are very significant, indicating that soft and hard adjustment of damper can be made.Key words：Semi-active suspension, Damper, Solenoid valve, Damper adjustment悬架阻尼对车辆的稳定性和乘坐舒适性有着重为二分之一前 、 后悬架减振器中心距 ，mb 为 车 身 质量 ，mu2 为前轴右非簧载质量 ，Ip 为车身俯仰转动惯 量 ，mu1 为前轴左非簧载质量 ，Ir 为车身侧倾转动惯 要的影响。

6、本文以某越野车前双摆臂扭杆弹簧独立悬 架 为 基 础 1， 设计了一种由电磁阀 控 制 的 新 型 减振器， 由此解决了步进电机控制节流口开度的减振 器在压缩行程压缩阀不起作用的问题 。量 ，mur 与 Iur 分别为后轴非簧载质量 、侧 倾 转 动 惯量，ks1、ks2、ks3、ks4 为悬架系统的弹簧刚度 ，cd1、cd2、cd3、cd4 为 悬 架 系 统 的 阻 尼 ，kt1、kt2 为前轮胎刚度系数 ，kt3、kt4 为后轮胎刚度系数。Z模型建立11.1车辆 7 自由度整车模型建立所研究越野车前悬架为装有横向稳定杆及双向液压筒式减振器的双摆臂扭杆弹簧独立悬架 ， 后悬 架为装有双向液

7、压筒式减振器的 2 级变钢性半椭圆x1IpIrks4Yks3mbC.Gx6cx7 x3 cd3d4mx2ur形钢板弹簧。所建立的该越野车 7 自由度整车模型Iur2b2L1kt4cd1mu1hgkx xt3cd2mu25 4ks2ks1如 图 1 所 示 ，7 自 由 度 包 括 3 个车身自由度以及 4个车轮垂直运 动 自 由 度 。 图 1 中 ，2b1 为 前 轮 轮 距 ，2b2 为后轮轮距，L 为轴距，Ls1 与 Ls2 分别为二分之一 前 、后 悬 架 中 心 距 ，L1 为车身质心距前 轴 距 离 ，L2 为 车身质心距后轴距离 ，hg 为质心高度 ，Ld1 与 Ld2 分 别L

8、2Lkt1kt2q3q42b1q2q1某 越 野 车 7 自 由 度 模 型图 1觹 基 金 项 目 ：河北省教育厅指导项目 （Z2010154）；河北师范大学青年基金 （L2008Q17）。 30 汽 车 技 术设计计算研究不同行驶工况系统运动微分方程直线行驶工况下系统运动微分方程：Mx咬 +C 觶 +Kx=Kqq其中，x=x1，x2，x3，x4，x5，x6T，q=q1，q2，q3，q4T，M=diag（mb，Ir，Ip，mu1，mu2，mur，Iur）1.20.210.200.190.180.170.16（1）02 0004 0006 000式 中 ，M为 质 量 矩 阵 ；C为 阻 尼

9、矩 阵 ；K为 刚 度 矩阵；Kq为输入系数矩阵。加 速 - 制动行驶工况下汽车俯仰是主 要 响 应 ，选取汽车俯仰力矩作为输入参数，其微分方程为：前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（b）右 前 悬 架0.210.200.190.180.170.16Mx咬 +C 觶 +Kx=F1（t）其中，F（t）=00Mp（t）0000T式中，F1（t）为系统俯仰力矩输入向量。转向工况下汽车输入简化为由横向加速度引起的侧倾力矩输入，其微分方程为：（2）02 0004 0006 000前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（c）左 后 悬 架0.210.200.190.180.170.16Mx咬 +C 觶 +Kx=F2（

10、t）其中，F2（t）=0Mr（t）00000T式中，F2（t）为系统侧倾力矩输入向量。（3）电磁阀控制的阻尼可调减振器研制及试验202 0004 0006 000前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（d）右 后 悬 架前悬架阻尼对悬架动挠度均方根值的影响 26242220181614为了获得越野车原减振器的技术特点，利用 MAT-LAB 对原减振器的 3 种典型车况进行了仿真分析。图 3典型工况仿真分析直线行驶工况中，车辆平顺性评价指标通常有：车身垂直振动加速度均方根值、 悬架动挠度均方根 值及轮胎相对动载荷均方根值。 选取车速为72 km/h，路面不平度系数为 1610-5m2/m-1，后悬架阻尼

11、=前悬2.102 0004 0006 000架阻尼-100 Ns/m，计算所得前悬架阻尼对车辆平前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（a）左 前 轮 胎顺性的影响如图 2图 4 所示。8.07.57.06.56.05.55.04.52624222018161402 0004 0006 0004.0 02 0004 0006 000前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（b）右 前 轮 胎前 悬 架 阻 尼/Nsm-1图 2前悬架阻尼对车身垂直振动加速度均方根值的影响0.210.200.190.180.170.162624222018161402 0004 0006 00002 0004 0006 000前

12、悬 架 阻 尼/Nsm-1（a）左 前 悬 架前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（c）左 后 轮 胎 31 2012 年 第 9 期垂 直 振 动 加 速 度 均 方 根 值/ms-2动 挠 度 均 方 根 值/m动 挠 度 均 方 根 值/m动 挠 度 均 方 根 值/m动 挠 度 均 方 根 值/m轮 胎 相 对 动 载 荷 均 方 根 值轮 胎 相 对 动 载 荷 均 方 根 值轮 胎 相 对 动 载 荷 均 方 根 值设计计算研究电磁阀控制的阻尼可调减振器 结 构 设 计 及 试2.226242220181614验研究2.2.1电磁阀控制的阻尼可调减振器结构所设计的阻尼可调减振器结构如图

13、7 所示。 该减振器在原前减振器基础上2，在工作缸的伸张腔和压缩腔表面上各开一直径为 0.5 mm 的阻尼孔，同时在02 0004 0006 000工作缸与储油缸之间的中间缸上安装一个电磁阀。 该电磁阀控制油液在工作缸与储油缸之间流动，可实现 阻尼可调。前 悬 架 阻 尼/Nsm-1（d）右 后 轮 胎前悬架阻尼对轮胎相对动载荷均方根值的影响 图 41817从图 2 中可以看出，当前悬架阻尼在 3 000 Ns/m附近时，车身垂直振动加速度均方根值最小，并且随 前悬架阻尼再增大， 其变化不明显。 从图 3 可以看出，随着前悬架阻尼的增加，悬架动挠度均方根值逐19202122121615渐减小。

14、从图 4 可以看出，随着前悬架阻尼的增加，141312111098轮胎相对动载荷均方根值逐渐减小， 并且阻尼大于4 000 Ns/m 时，变化不再显著。当车速为 40 km/h、制动减速度为 0.75 g、后悬架3阻尼=前悬架阻尼-100 Ns/m 时，计算所得制动行驶工况下前悬架阻尼对俯仰角加速度均方根值的影响如图 5 所示。 从图 5 可以看出，车身俯仰角加速度均 方根值随前悬架阻尼增加而减小。1.41.31.21.11.00.90.80.77454. 基 座 杯 5. 下 吊61. 储 油 缸2. 工 作 缸 3. 电 磁 阀环6.储 液 室 7.圆 台8.压 缩 阀 座 9.压 缩 阀

15、 总 成12. 活 塞 13. 流 通 阀 总 成16. 减 振 器 盖 板 17. 封 板20.油 封 21.油 封 垫 22.导10. 中 间 缸14. 旁 通 道18.上 吊 环 向 座11. 压 缩 腔15. 伸 张 腔19.活 塞 杆图 7电磁阀控制的阻尼可调减振器结构示意 0.60电磁阀控制半主动悬架可调减振器 的 试 验2.2.2研 究2 0004 0006 000前 悬 架 阻 尼/Nsm-1前悬架阻尼对俯仰角加速度均方根值的影响 图 5电磁阀式两态阻尼 可调减振器的台架试验 3，4在德国申克公司计算机控制 电液伺服激振台上进 行， 该试验台电液伺服激振系统工作原理如图 8 所

16、 示。激振器上装有位移传感器，龙门支架上方与减振当 车 速 为 40 km/h、 转 向 半 径 为 20 m、转 角 为20 、 后 悬 架 阻 尼 = 前 悬 架 阻 尼 -100 Ns/m 时 ， 计 算所得转向行驶工况下前悬架阻尼对侧倾角加速度均方根值的影响如图 6 所示。从图 6 可以看出，车身侧 倾角加速度均方根值随前悬架阻尼增加而减小 。器上端连接处装有力传感器。力信号送入动态应变仪 放 大 ，再 经 过 A/D 转换输入计算机 ； 位 移 信 号 被送入控制柜进行反馈控制。1.11.00.90.80.70.60.50.40.3图 8德国申克公司的电液伺服激振系统工作原理 根据

17、JB390185 的规定，测取减振器的示功特性采用正弦激励方式， 即活塞相对于工作缸作往复 谐波规律的运动。汽 车 技 术02 0004 0006 000前 悬 架 阻 尼/Nsm-1前悬架阻尼对侧倾角加速度均方根值的影响 图 6 32 侧 倾 角 加 速 度 均 方 根 值/rads-2俯 仰 角 加 速 度 均 方 根 值/rads-2轮 胎 相 对 动 载 荷 均 方 根 值准0.5准0.5准0.5PDP-11/23微 机D/A 转 换滤 波 器控 制 器作 动 器A/D 转 换油 泵 源设计计算研究试验中各参数为：S=Smaxsint v=Smaxcost12 中可以看出 ，无论是压缩

18、行程还是 伸 张 行 程 ，随着减振器活塞速度的增加，减振器阻尼力增加。（4）（5）43210-1硬 阻 尼 工 况软 阻 尼 工 况式 中 ，S 为活塞运动行程 ；Smax 为 活 塞 的 最 大 位 移 ；为活塞运动的角频率 ；t 为 时 间 ；v 为 活 塞 与 工 作 缸 的相对速度。对原车配备减振器进行台架试验，当激振频率为 1.67 Hz 时，其示功图如图 9 所示。 对电磁阀控制的阻尼可调减振器进行了台架试验， 当激振频率为1.67 Hz 时 ，打开可调前减振器电 磁 阀 ，其 “软 ”阻 尼 状态下示功图如图 10 所示。 当激振频率为 1.67 Hz 时，关闭电磁阀，可调前减

19、振器“硬”阻尼状态下示功 图如图 11 所示。-2-2.0-1.001.02.0活 塞 速 度/ms-1图 12 减 振 器 软 、硬阻尼工况下速度特性 图 13 为原车前减振器速 度 特 性 曲 线 ， 从 图 13 可以看出，当活塞速度超过一定值之后，减振器阻尼 值增大不再明显。复 原1.9691.4770.9850.4920-0.492-0.985复 原压 缩21000.20.40.6压 缩活 塞 速 度/ms-1原车减振器速度特性曲线 图 13-101.25 -81.00-60.75 -40.50-20.25020.25在台架试验中 ，给定活塞速度为 0.52 m/s 时，打开和关闭可

20、调前减振器电磁阀， 可得可调前悬架减 振器“软”、“硬”试验阻尼值见表 1 所列。活 塞 行 程/mm图 9 原车配备减振器在 1.67 Hz 下 示 功 图复 原1.9691.4770.9850.4920-0.492表 1可 调 减 振 器 “软 ”、“硬 ”阻 尼 试 验 值Ns/m压 缩-0.985-101.25 -81.00 -60.75 -40.50 -20.25活 塞 行 程/mm020.25结束语3图 101.6111.2090.8060.4030-0.403可 调 减 振 器 1.67 Hz 软阻尼状态下示功图 在不同工况下对越野车原减振器进行了仿真分析，得出原减振器阻尼特性。

21、设计了电磁控制阻尼可复 原调减振器， 并对可调减振器进行台架试验，结果表明 ，所设计电磁控制阻尼可 调减振器工作正常 ，软 、硬阻尼力随速度的变化有明显区别， 说明该减振器 基本达到了阻尼的软、硬可调。参 考 文 献压 缩-0.806-101.10 -80.88-60.66 -40.44-20.22020.22活 塞 行 程/mm图 11 可 调 减 振 器 1.67 Hz 硬阻尼状态下示功图 示功图曲线所包围的面积表示阻尼器削减车辆振动的能力，因此示功图应当圆润、饱满、完整，不应 当有空行程、突变和畸变。 由图 10 和图 11 可知，所 研制减振器在软、硬阻尼两种状态下其示功图饱满， 性能

22、良好，同时在相同活塞行程下软、硬阻尼力的变化明显，可调性能优良。在 台 架 试 验 过程中将不同速度点的阻力值连 1宋 大 凤. CA6440 半主动悬架研究及控制系统设计 ：学 位论 文.长 春 ：吉 林 大 学 ，2000.曾 志 华.车辆半主动悬挂系统的研究 ：学 位 论 文.北 京 ：北 京 理 工 大 学 ，1991.李 智 超 ，耿 艳 萍 ，陈 朝 阳 ，等. 一种可调阻尼减振器的设计 与 试 验.合肥工业大学学报 ，1998（6），2733.金 达 峰.可调阻尼减振器的试验研究 .汽 车 技 术 ，1992（2），1722.（责 任 编 辑 学 林）修改稿收到日期为 2012 年 8 月 24 日 。 33 234线，即可得到减振器的速度特性 曲 线 （图 12）。2012 年 第 9 期从 图阻 尼 力/kN阻 尼 力/kN阻 尼 力/kN阻 尼 力/kN阻 尼 力/kN工况 伸张行程阻尼 值压缩行程阻尼值 软 阻 尼 工 况3 0751 264硬 阻 尼 工 况3 4347 73.5