空气悬架气体回路充(放)气过程数学模型的建立方法

摘要

本发明公开了一种空气悬架气体回路充(放)气过程数学模型的建立方法，先确定空气弹簧的初始压力、初始体积和初始温度，以及储气罐的供气压力和初始温度；按照电磁阀开启阶段建立管路中的流量计算子系统，再搭建空气弹簧子系统，建立弹簧恢复力与减振器阻尼力以及车身质量运动中的惯性力之间的关系，完成车身动力学子系统的搭建；根据各子系统之间的参数传递关系将各子系统连接起来；最后试验并修正模型中的参数，本发明可以考察目标高度容差值设定对充(放)气过程的影响以及系统中不同部件性能参数的改变对充(放)气过程的影响，为目标高度容差值、控制量的确定以及不同控制策略的运用、硬件实施提供基础和参考依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含膜式空气弹簧的车用电子控制空气悬架(ECAS)车身高度控制的气体回路充(放)气过程数学模型的建立方法。

背景技术

电子控制空气悬架具有被动保持车身高度和主动调节车身高度的功能，其充(放)气过程控制由电磁阀来实现。电磁阀控制不同于机械式高度阀控制，机械式高度阀由机械机构来控制阀门开度所产生的节流效果来控制通过气体的流量，无法实现从某一设定高度提升到另一设定高度的主动调节。而电磁阀的开度是一定的，其控制气体流量是通过电磁阀开启的时间来实现，可以实现高度的主动调节。空气悬架中主要承载部件为空气弹簧，当车身重量(载荷)改变时，弹簧在载荷的作用下产生变形并使安装在车身上的高度传感器同步移动，高度传感器将摆杆摆动的角位移转换成电脉冲信号，亦即不同的车身高度对应不同的电脉冲信号。控制系统中的ECU将高度传感器的实时电脉冲信号与初始信号进行比较和计算，再将当前高度与目标高度之间的差值换算成电脉冲信号传送给执行机构电磁阀，通过脉冲的时间长度控制电磁阀充气(排气)阀门开启的持续时间，以最终达到通过控制充入气囊或者放出气囊空气量的多少来实现车身高度的控制。空气弹簧充(放)气过程分两个阶段：电磁阀充气(排气)阀门持续开启阶段，电磁阀充气(排气)阀门关闭后的阶段。在实践中，以最简单的PD控制为例，目标高度容差值的设定以及实际高度与目标高度差值的比例系数、抬升速度的微分系数的确定对控制的效果影响很大，这两个参数需反复调校，耗时耗能。车身高度在抬升(对气囊充气)和下降(气囊放气)过程中，除需考虑车身载荷的影响之外，还需考虑可变阻尼减振器压缩行程与拉伸行程阻尼值的不同。减振器阻尼对悬挂质量垂直运动产生的滞后容易产生“过充”现象，即车身高度变化受到阻尼作用而出现滞后，电磁阀关闭停止充气后，车身高度仍然继续被抬升，造成最终高度超出设定的目标高度，电磁阀又开启放气回路对空气弹簧进行放气，从而陷入了在设定的目标高度附近产生“震荡”。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，综合考虑减振器的压缩和复原阻尼不同的阻尼效果、气体回路的流量特性、气体管路压力损失等影响因素，提供了一种空气悬架气体回路充(放)气过程数学模型的建立方法。

本发明采用的技术方案是按如下步骤：

A.获取悬架高度控制系统中空气弹簧、减振器、空气弹簧用储气罐以及组成气体回路的有效截面积等相关参数；

B.确定空气弹簧的初始压力、初始体积和初始温度，以及储气罐的供气压力和初始温度；

C.按照电磁阀开启阶段建立管路中的流量计算子系统，集中气阻两端初始气压分别等于两端连接的空气弹簧、储气罐、大气的绝对气压；

D.搭建空气弹簧子系统，将电磁阀子系统计算的结果作为空气弹簧子系统的输入。并且电磁阀关闭时的气囊压力和体积作为电磁阀关闭后气囊压力和体积计算的初始条件；

E.建立弹簧恢复力与减振器阻尼力以及车身质量运动中的惯性力之间的关系，完成车身动力学子系统的搭建；

F.根据各子系统之间的参数传递关系将各子系统连接起来；

G.试验并修正模型中的参数

本发明的有益效果是：

1、可通过控制电磁阀对空气弹簧进行充(放)气来实现电子控制空气悬架车身高度调节，根据气体状态方程、质量方程、流体流量方程以及动力学方程将电子控制空气悬架复杂的气体回路简化成三个子系统，并分别搭建了空气弹簧子系统、电磁阀子系统、车身动力学子系统，最终根据子系统之间的关系构建了完整的气路系统。

2、在综合考虑储气罐与气囊之间的气体回路布置及组成形式的情况下，通过充(放)气模型可以考察目标高度容差值设定对充(放)气过程的影响以及系统中不同部件性能参数的改变对充(放)气过程的影响，为目标高度容差值、控制量的确定以及不同控制策略的运用、硬件实施提供基础和参考依据。

附图说明

图1是电子控制空气悬架气体回路示意图；

图2是气体回路系统连接示意图；

图中；1.空压机；2.空气干燥器；3.四回路保护阀；4.管路滤清器；5.充气阀；6.空气弹簧用储气罐；7.单向阀；8.电磁阀；9.悬架；10.空气弹簧；11.减振器；12.集中气阻。

具体实施方式

如图1、2所示，空压机1、空气干燥器2、四回路保护阀3、管路滤清器4、充气阀5、空气弹簧用储气罐6、单向阀7、ECAS电磁阀8依次串接。悬架9连接空气弹簧10，空气弹簧10的充(放)气过程实质是ECAS电磁阀8两端的压力差在管路中产生气体流量，使得空气弹簧囊内的空气质量发生变化，从而引起囊内的压力、体积、温度、密度发生变化。为简化计算，使模型具有实用性，本发明中充气和放气过程均视为时间很短的绝热过程，因此忽略温度的变化。

空气弹簧充(放)气过程分两个阶段：电磁阀充气(排气)阀门持续开启阶段，电磁阀充气(排气)阀门关闭后的阶段。

如图2所示，将空气弹簧用储气罐6对空气弹簧10充气回路简化成三部分：恒压恒温气源的储气罐6、集中气阻12(由充气回路中的各种阀门和管路简化而成)、变容积的空气弹簧10。将空气弹簧10向大气放气回路简化成三部分：可变容积的空气弹簧10、集中气阻12(由放气回路中的各种阀门和管路简化而成)、大气。

本发明对车身高度控制的气体回路充(放)气过程数学模型的建立方法采用下面步骤：

第一步：先获取悬架高度控制系统中的空气弹簧10、减振器11、空气弹簧用储气罐6以及组成气体回路的有效截面积等相关参数：，c₁，c₂，A，C_d。上述参数可以在厂商提供的技术文件中得到，也可以通过相关试验确定。第二步：确定空气弹簧10的初始压力p₁₀、初始体积V₁₀和初始温度T₁₀，以及空气弹簧用储气罐6的供气压力p₂₀和初始温度T₂₀，设T₁₀＝T₂₀。

第三步：再按照电磁阀5开启阶段(充气/放气)建立管路中的流量计算子系统。集中气阻12两端初始气压p_u、p_d分别等于两端连接的气体容器(空气弹簧10、储气罐6、大气)的绝对气压。

第四步：按照空气弹簧子系统电磁阀8开启阶段和关闭后的描述搭建空气弹簧子系统，将电磁阀子系统计算的结果作为空气弹簧子系统的输入。并且电磁阀8关闭时的气囊压力和体积作为电磁阀关闭后气囊压力和体积计算的初始条件。第五步：按关于车身动力学子系统的描述建立弹簧恢复力F_s与减振器阻尼力F_c以及车身质量运动中的惯性力之间的关系，完成车身动力学子系统的搭建。

第六步：最后按图2所示的各子系统之间的参数传递关系将各子系统连接起来。

第七步：模型中的参数可在试验进行修正。

下面详细描述上述数学模型建立方法的具体计算过程，可分为以下三个子系统来进行：

1.空气弹簧子系统

搭建方法是：根据气体状态方程，分别对空气弹簧10充气和放气过程建立气囊内压力梯度方程和气体质量梯度方程。

电磁阀8开启时(充气/放气)，空气弹簧10为一变质量气容，其气体能量方程为：

kRT₂dm₂＝V₁dp₁+kp₁dV₁        (对空气弹簧充气时)

-kRT₁dm₁＝V₁dp₁+kp₁dV₁       (对空气弹簧放气时)

其中：

充气时气囊内空气质量时间变化的梯度为：

$\frac{{\mathrm{dm}}_1}{\mathrm{dt}}=q_m=-\frac{{\mathrm{dm}}_2}{\mathrm{dt}}$

放气时气囊内空气质量时间变化的梯度为：

$\frac{{\mathrm{dm}}_1}{\mathrm{dt}}=-q_m$

弹簧内压时间变化的梯度为：

       (对空气弹簧充气时)

        (对空气弹簧放气时)

电磁阀8关闭以后，空气弹簧10内压力p₁₁为：

$p_1{V_1}^n=p_{11}{V_{11}}^n$

式中：p₁，V₁，T₁，m₁——空气弹簧用电磁阀8开启(充气/放气)时的绝对气压(帕斯卡)、体积(立方米)、热力学温度(K)、囊内气体质量(千克)

T₂——储气罐热力学温度(K)

——空气弹簧体积变化率(立方米/米)

V₁₀——空气弹簧充(放)气前的初始体积(立方米)

V₁₁——空气弹簧在电磁阀关闭后的体积(立方米)

p₁₁——空气弹簧在电磁阀关闭后的绝对气压(帕斯卡)

q_m——质量流量(千克/秒)

x₁，x₂——空气弹簧底座位移、上盖板位移，单位(米)；两者之差即为空气弹簧的变形

m₁，m₂——空气弹簧囊内气体质量，储气罐气体质量(千克)

R——气体常数，对空气，R＝287牛.米/(千克.K)

k——绝热指数，k＝1.40

n——多变指数，n＝1.38

2.电磁阀子系统

其方法是：电磁阀8由脉冲信号来控制其开启和关闭。电磁阀8开启时管路内的流量可以通过实测管路的流量特性，也可以根据下式来计算。

电磁阀8进气/放气阀开启时的管路中的质量流量：

$q_m=C_{d}A\sqrt{p_u{\rho }_u\frac{2k}{k-1}[{\left(\frac{p_d}{p_u}\right)}^{2/k}-{\left(\frac{p_d}{p_u}\right)}^{(k+1)/k}]}$    $1>\frac{p_d}{p_u}\ge {\sigma }_e=0.5282$

$q_m=C_{d}A\sqrt{p_u{\rho }_{u}k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{(k+1)/(k-1)}}$          $\frac{p_d}{p_u}<{\sigma }_e=0.5282$

${\rho }_u=\frac{p_u}{{\mathrm{RT}}_u}$

电磁阀8关闭后管路中的质量流量：

q_m＝0

式中：C_d——集中气阻流阻系数

      A——充(放)气气体回路集中气阻等效几何截面积，平方米

      p_u——电磁阀上游端绝对压力，帕斯卡；对气囊充气时，p_u为储气罐压力；

      气囊放气时，p_u为气囊内压力

      p_d——电磁阀下游端绝对压力，帕斯卡；对气囊充气时，p_d为气囊内压力；

      气囊放气时，p_d为大气压力

      ρ_u——上游端气体密度，千克/立方米

    T_u——上游端气体热力学温度，K

    σ_e——临界气体压力比，对理想气体，取σ_e＝0.5282

3.车身动力学子系统

其方法是：综合考虑气体压力、双向减振器阻尼特性，以及车身重量，分析车身在弹簧力以及阻尼力作用下的垂向运动特性。根据所匹配的减振器11的载荷-速度特性，按压缩和复原阻尼搭建双向减振器的模型。

$F_c=c({\stackrel{·}{x}}_2-{\stackrel{·}{x}}_1)$

c＝c₁压缩行程阻尼系数

c＝c₂复原行程阻尼系数

车身在弹簧恢复力作用下的运动方程为：

$F_s-F_c=M{\stackrel{··}{x}}_2$

其中弹簧恢复力为：

Fs＝(p₁-p₁₀)A_e        (电磁阀关闭后p₁＝p₁₁)

式中：F_s——空气弹簧恢复力，牛顿

      F_c——减振器阻尼力，牛顿

      M——悬挂质量，千克

      ——空气弹簧底座、上盖板(悬挂质量)的运动速度，米/秒

      ——悬挂质量运动加速度，米/平方秒

      A_e——空气弹簧有效面积，平方米

      c₁，c₂——减振器压缩行程阻尼系数、复原行程阻尼系数，牛.秒/米