车辆电子控制空气悬架理论与关键技术研究

摘要

悬架系统对车辆的操纵稳定性、平顺性、轮胎接地性等主要性能具有重要影响。尽管机械式高度调节的空气悬架系统能根据载荷变化调节悬架刚度，在一定程度上改善车辆的操纵稳定性和平顺性，但不能根据汽车操纵稳定性和行驶平顺性指标综合考虑控制因素调节悬架刚度、阻尼和车身高度，从而难以达到较为理想的性能要求。随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高，研究电子控制空气悬架系统(ECAS)成为人们日益关注的课题。开展车辆电子控制空气悬架系统设计理论与关键技术研究，对提高车辆的操纵稳定性、操纵轻便性、行驶平顺性和安全性等综合性能有重要的理论和工程实用意义。论文在分析国内外相关研究现状的基础上，围绕车辆电子控制空气悬架理论及关键技术进行相关研究，其主要研究内容包括：
　　 建立了电子控制空气悬架系统与整车的匹配方法。在深入开展空气弹簧理论模型研究和空气弹簧工作特性分析的基础上，建立了空气悬架车辆八自由度平顺性分析数学模型，利用该模型进行座椅加速度、质心加速度、悬架动挠度及轮胎动载荷等性能指标的理论分析和仿真计算，由此确定空气悬架的参数，包括车身高度(空气弹簧的工作高度)、可调减振器的理想阻尼区域。在此基础上，利用多体动力学虚拟样机软件，构建空气悬架车辆多体动力学虚拟样机模型，对车辆一空气悬架参数匹配进行进一步验证，并进行整车性能仿真，分析影响整车的操纵稳定性、行驶平顺性的主要因素，从而为车身高度和阻尼集成控制奠定基础。
　　 分析并构建了电子控制悬架系统的多种控制策略。从考虑空气弹簧内部工作特性和解决系统模型的不确定性出发，利用PID控制算法实现对悬架系统的刚度和车身高度的自动控制，在不恶化操稳性的情况下改善了车辆的乘坐舒适性。考虑车辆的多种行驶工况，在空气弹簧单体控制和减振器单体控制的基础上，针对车身高度、刚度及阻尼的集成控制要求，提出了空气悬架的多种组合控制模式与控制方法。考虑各种控制策略和方法工程应用的可能性，以车速信息为控制的判断依据，以平顺性为控制目标，构建了车身高度一阻尼集成控制策略。仿真分析表明集成控制系统随着车速变化其车身高度切换及阻尼调节的组合功能完全能够实现，并能较大改善悬架性能。
　　 考虑道路信息辨识在悬架控制中的重要性，提出了应用悬架动行程和行驶车速相结合的BP神经网络道路信息辨识模型。根据路面等级的不同，分别建立了8个子神经网络子模型，通过对路面仿真数据的学习和神经网络样本训练，可进行较高精度的道路信息辨识。通过仿真结果与现场试验的分析比较，进一步验证了BP神经网络道路信息辨识模型的有效性。将建立的道路信息辨识模型集成到ECAS控制系统中，能有效分析判断道路当前状态，从而为车辆空气悬架系统的控制提供了可信依据。
　　 开展了车辆电子控制空气悬架系统关键部件的设计研究与技术开发。①根据空气弹簧的工作特性，结合结构设计理论、CAD技术、有限元分析技术，提出了空气弹簧的现代设计方法，并对空气弹簧工作特性进行了有限元分析。②根据电子控制空气悬架系统的性能对减振器的要求，以常见的被动式液压减振器为原型，提出了一种新型摆动气缸式可调阻尼减振器，通过改进减振器活塞连杆并设计阀芯节流孔，实现减振器有级可调，在此基础上，建立了可调阻尼减振器数学模型，并进行了仿真计算，结果表明，可调阻尼减振器性能良好，显著改善车辆的行驶平顺性。③基于车身高度-阻尼集成控制策略，开发空气悬架系统集成控制器，该集成控制器将空气弹簧和减振器的控制系统通过总线连接，通过稳定的控制算法，对各单体控制系统进行联合协调控制，使车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性等控制在最佳水平。
　　 根据电子控制空气悬架系统各项性能指标要求，设计了电子控制空气悬架系统及其主要零部件的试验方案，并进行了空气弹簧特性试验、可调阻尼减振器特性试验、控制系统测试等。在上述工作的基础上，在某大客车上配置自行研制的电子控制空气悬架系统，并进行整车试验研究。实车进行的偏频试验和随机道路的平顺性试验结果表明：电子控制空气悬架系统及其主要零部件性能达到设计的要求，与整车匹配良好，整车舒适性、操纵稳定性明显改善。