故障后功能不丧失的二级减振主动悬架及工作方法

摘要

本发明公开一种故障后功能不丧失的二级减振主动悬架及工作方法，包括由第一油缸、第一活塞杆、第一可调节流阀、第二蓄能器、第一电磁阀及第一蓄能器组成的传统减振结构，还包括由第二油缸、第二活塞杆、永磁同步电机、泵或马达、第二可调节流阀、惯容螺旋管、第二电磁阀及第三蓄能器组成的主动或反共振减振结构，当主动或反共振减振结构出现故障，第一电磁阀常开、第一可调节流阀在中等流通状态、第二电磁阀常闭、第二可调节流阀在最小流通状态；悬架第三质量与非簧载质量和簧载质量组成三质量振动结构，提升悬架主动及被动工作状态综合性能，主动或反共振减振结构发生故障后，将主动减振功能转变成具有较大惯容及较大阻尼的反共振减振功能。

说明书

技术领域

本发明属于汽车悬架领域，具体是二级减振主动悬架结构及其工作方法，在无故障时对汽车进行有效主动减振，在故障发生时确保悬架减振功能不丧失。

背景技术

悬架是汽车重要的结构部件，对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有着重要的影响。主动悬架使用主动力作动器，可以取得比传统一级被动悬架好得多的悬架工作效果。为克服直线电机式作动器输出力小的缺陷，旋转电机式作动器可以输出较大的控制力，但作动器具有较大的等效惯性质量，导致采用了传统一级减振构型的主动悬架预期功能无法得到实现。为了克服主动力作动器较大等效惯性质量给主动悬架预期功能实现带来的障碍，中国专利申请号为201810431437.9、名称为“一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架”的文献中提出的主动悬架，是在主动力作动器下部同轴串联一个橡胶衬套弹簧，构成旋转电机式的二级减振主动悬架，但该悬架存在的问题是：采用LQG控制策略时，理想主动控制力需要采用不实际存在的软约束，导致其控制性能与采用传统一级减振构型的主动悬架还有一定的差距，且在主动力作动器发生故障后，悬架减振功能几乎丧失。

发明内容

本发明的目的是为解决现有二级减振主动悬架的综合性能改善不显著及故障后悬架减振功能几乎丧失的问题，提出了一种故障后功能不丧失的二级减振主动悬架，同时给出该悬架的工作方法。

本发明故障后功能不丧失的二级减振主动悬架采用的技术方案是：包括由第一油缸、第一活塞杆、第一可调节流阀、第二蓄能器、第一电磁阀以及第一蓄能器组成的传统减振结构，第一活塞杆将第一油缸内部隔成上下两个腔室，第一活塞杆下端与车轮固定联结，第一油缸的上腔室经液压管路依次串联第一可调节流阀、第二蓄能器、第一电磁阀以及第一蓄能器，还包括由第二油缸、第二活塞杆、永磁同步电机、泵或马达、第二可调节流阀、惯容螺旋管、第二电磁阀以及第三蓄能器组成的主动或反共振减振结构，第二油缸的底部和第一油缸的顶部共用，第二活塞杆将第二油缸内部隔成上下两个腔室，第二活塞杆的上端与车身固定联结，第二油缸的下腔室通过液压管路依次串联泵或马达、第二可调节流阀、由惯容螺旋管与第二电磁阀组成的并联油路以及第三蓄能器，泵或马达的输入输出轴与永磁同步电机输入输出轴同轴联结；在第一油缸和第二油缸上固定连接悬架第三质量。

所述的故障后功能不丧失的二级减振主动悬架结构的工作方法是：

当所述的主动或反共振减振结构出现故障，悬架处于被动减振工作模式，第一电磁阀处于常开状态、第一可调节流阀处于中等流通状态、第二电磁阀处于常闭状态、第二可调节流阀处于最小流通状态；当车轮的向上或向下振动经过传统减振结构时，第二蓄能器及第一蓄能器产生的刚度对车轮振动进行一次隔振，第一可调节流阀对车轮振动进行第一次被动减振，悬架第三质量对车轮振动动能进行一次吸收，第二可调节流阀对车轮振动进行第二次被动减振，第三蓄能器产生的刚度与泵或马达、永磁同步电机以及惯容螺旋管产生的惯容和对车轮振动进行一次反共振减振。

当所述的主动或反共振减振结构无故障，悬架处于主动减振工作模式，第一电磁阀关闭、第一可调节流阀处于大流通状态、第二电磁阀开启、第二可调节流阀处于最大流通状态，车轮的向上或向下振动经过传统减振结构时，第二蓄能器产生的刚度对车轮振动进行第一次隔振，第一可调节流阀对车轮振动进行一次减振，悬架第三质量对车轮振动动能进行一次吸收，第三蓄能器产生的刚度对车轮振动进行第二次隔振，永磁同步电机经泵或马达输出主动控制力矩，对车轮振动进行一次主动减振。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明通过在传统减振结构与主动或反共振减振结构之间设置除非簧载质量(即悬架第一质量)和簧载质量(即悬架第二质量)外的悬架第三质量，与现有的非簧载质量和簧载质量组成了三质量振动结构，在相同路面不平度输入下，大幅度提升悬架主动及被动工作状态的综合性能，且在LQG控制器设计时不必对理想主动控制力进行实际不存在的软约束。

2、本发明在主动或反共振减振结构发生故障后，将主动减振功能转变成具有较大惯容及较大阻尼的反共振减振功能，并适度减小传统减振结构的刚度和增加阻尼，使该主动悬架故障后仍可取得比传统减振结构悬架更好的工作效果。

附图说明

图1是本发明所述的故障后功能不丧失的二级减振主动悬架的结构示意图；

图1中：1.车身；2.第二活塞杆；3.第二油缸；4.悬架第三质量；5.第二蓄能器；6.第一蓄能器；7.第一电磁阀；8.第一可调节流阀；9.第一油缸；10.第一活塞杆；11.车轮；12.车轮加速度传感器；13.永磁同步电机；14.第二电磁阀；15.惯容螺旋管；16.第三蓄能器；17.控制器；18.第二可调节流阀；19.泵或马达；20.固接装置；21.第三质量加速度传感器；22.车身加速度传感器。

图2是本发明故障后功能不丧失的二级减振主动悬架的工作原理图；

图2中：m

具体实施方式

如图1所示，规定本发明的方位是：车轮11在“下方”，车身1在“上方”。

本发明所述的故障后功能不丧失的二级减振主动悬架安装在车轮11和其上方的车身1之间，由刚度及阻尼可调的传统减振结构、悬架第三质量4、工作模式可转换且惯容及阻尼可调的主动或反共振减振结构组成。

其中，传统减振结构由第一油缸9、第一活塞杆10、第一可调节流阀8、第二蓄能器5、第一电磁阀7以及第一蓄能器6组成。第一油缸9和第一活塞杆10上下垂直布置并且中心轴共线，第一活塞杆10上端是活塞端，伸在第一油缸9内部与第一油缸9内壁密封且可滑动连接，将第一油缸9内部隔成上下两个腔室，第一活塞杆10下端向下伸出第一油缸9外部并且与车轮11固定联结。第一油缸9的上腔室内部装有液压油，并且经液压管路依次串联第一可调节流阀8、第二蓄能器5、第一电磁阀7、第一蓄能器6。第一油缸9的下腔室经过空气孔与外部大气相连通。

主动或反共振减振结构由第二油缸3、第二活塞杆2、永磁同步电机13、泵或马达19、第二可调节流阀18、惯容螺旋管15、第二电磁阀14以及第三蓄能器16组成。第二油缸3、第二活塞杆2上下垂直布置并且和第一油缸9、第一活塞杆10的中心轴共线。第二油缸3的底部和第一油缸9的顶部共用，或固定连接在一起形成一个整件。第二活塞杆2的下端是活塞端，伸在第二油缸3内部与第二油缸3内壁密封且可滑动连接，将第二油缸3内部隔成上下两个腔室。第二活塞杆2的上端向上伸出第二油缸3外部并且与车身1固定联结。第二油缸3的下腔室内部盛装了液压油，第二油缸3的下腔室通过液压管路依次串联泵或马达19、第二可调节流阀18、由惯容螺旋管15与第二电磁阀14组成的并联油路以及第三蓄能器16，第二油缸3的上腔室经过气孔与外部大气相连通。其中，泵或马达19的输入输出轴与永磁同步电机13输入输出轴同轴联结。

在第一油缸9和第二油缸3上固定连接悬架第三质量4，悬架第三质量4可以是筒状结构，固定套在第一油缸9和第二油缸3外部，与第一油缸9和第二油缸3的中心轴共线。

在车身1上设有车身加速度传感器22，悬架第三质量4上设有悬架第三质量加速度传感器21，车轮11上设有车轮加速度传感器12，三个传感器分别检测相应的信号，通过信号线与控制器17相连。控制器17分别通过控制线与第一可调节流阀8、第一电磁阀7、永磁同步电机13、第二可调节流阀18、第二电磁阀14相连，控制各个阀门开关和电机的启停。

第一蓄能器6、第二蓄能器5、第三蓄能器16可采用气囊式蓄能器、弹簧式蓄能器、或者活塞式蓄能器。

第一电磁阀7和第二电磁阀14为二位二通电磁阀，关闭时截断液压油流通，开启时允许液压油流通。第一可调节流阀8和第二可调节流阀18可通过调节其流通状态改变流过油路的阻尼，第一可调节流阀7和第二可调节流阀18的流通状态按其开度均分为大、中、小流通状态，其中，大流通状态造就小阻尼，小流通状态造就大阻尼。惯容螺旋管15内的液压油流过时产生惯容，该惯容大小由液压油密度、液压管的管径和长度以及第二油缸3的内径共同决定。第一蓄能器6、第二蓄能器5在初始充气压力的气腔作用下，其油腔以及第一油缸9上腔室产生一定的压力，使得第一油缸9外缸体和第一活塞杆10之间产生刚度。在第三蓄能器16具有初始充气压力的气腔作用下，第三蓄能器16的油腔以及第二油缸3的下腔室产生一定的压力，使得第二油缸3外缸体及第二活塞杆2间产生刚度。泵或马达19与永磁同步电机13的转子相连，使主动或反共振减振结构具有一定等效惯性质量或惯容。控制器17控制下永磁同步电机13输出电磁力矩，通过泵或马达19及第二油缸2相连油路的转换，对车身1输出主动控制力。

根据悬架的安装空间，按照不超过车轮11质量的1.5-2.5倍尽可能大的设置悬架第三质量4，即悬架第三质量4的质量大小是不超过车轮11质量1.5-2.5倍的最大值。泵或马达19以及永磁同步电机13引起的惯容与惯容螺旋管15的惯容之和是汽车满载质量的0.9-1.1倍，主动或反共振减振结构的刚度为汽车满载质量(75-85)f

根据悬架主动控制模式，汽车满载状态在坏路面上的行驶工况(比如在E级路面上的30km/h行驶工况)以获得最小悬架综合性能指标，优化确定传统减振结构的刚度及阻尼，并确定第二蓄能器5型号及初始充气压力以及第一可调节流阀8在主动工作模式下的开度。

当第一可调节流阀8处于中等流通状态，其在被动工作模式下阻尼值等于汽车满载质量2.5-3.5倍，当第二可调节流阀18处于小等流通状态，其在被动工作模式下阻尼值等于汽车满载质量7-9倍。

控制器17为LQG控制器，构建描述整个悬架系统的状态方程，设计车身、悬架第三质量、车轮上的加速度为输入及系统状态变量为输出卡尔曼滤波器及LQG控制器。当控制器17接收到车身加速度传感器22、悬架第三质量加速度传感器21、车轮加速度传感器12输入的对应加速度信号，利用卡尔曼滤波器观测出系统的状态变量，然后由LQG控制器计算出主动控制力信号，经第二油缸3、泵或马达19传动比调制后控制永磁同步电机13，使主动或反共振减振结构输出与LQG控制方法计算出的主动控制力信号对应的实际控制力，以获得较好的主动减振效果。

当汽车处于停车以及主动或反共振减振结构不工作时，第一电磁阀7处于常开状态、第一可调节流阀8处于中等常流通状态、第二电磁阀14处于常闭状态、第二可调节流阀18处于最小常流通状态，为该二级减振主动悬架系统的无控制状态。

当主动或反共振减振结构各组成部件无故障且整个悬架处于主动减振工作模式时，首先控制器17控制第一电磁阀7关闭、第一可调节流阀8处于大流通状态、第二电磁阀14开启、第二可调节流阀18处于最大流通状态。在汽车行驶时的车轮11开始向上振动的瞬间，车身1还来不及运动，车轮11向上带动第一活塞杆10压缩第一油缸9上腔室内的液压油，使液压油经第一可调节流阀8流向第二蓄能器5下方的油腔，第二蓄能器5上方的气腔内的气体被压缩，导致第一油缸9内的油压升高，向上推动第一油缸9缸体、第二油缸3缸体以及悬架第三质量4整体向上运动，致使悬架第三质量4产生惯性力。同时，第二油缸3缸体压缩第二油缸3内的液压油，该液压油依次经泵或马达19、第二可调节流阀18、第二电磁阀14流入第三蓄能器16的油腔，使第三蓄能器16上方气腔内的气体被压缩，导致第二油缸3内的油压升高，使得第二活塞杆2向上推动车身1向上运动。在此运动过程中，车轮11的向上振动经过传统减振结构时，第二蓄能器5产生的刚度对车轮11向上振动进行了第一次隔振，第一可调节流阀8对车轮11向上振动进行了一次被动减振，这样，经传统减振结构隔振与减振后的车轮11向上振动经过悬架第三质量4时，悬架第三质量4对车轮11向上振动动能进行了一次吸收；当经过悬架第三质量4吸收动能后的车轮11向上振动经过主动或反共振减振结构时，第三蓄能器16产生的刚度对车轮11向上振动进行了第二次隔振，控制器17根据各传感器的加速度输入计算实时的主动控制力信号，并控制永磁同步电机13经泵或马达19输出主动控制力矩，实现对车轮11向上振动进行了一次主动减振，最终起到了大幅度衰减车轮11向上振动时对车身1的向上振动输入。

当主动或反共振减振结构的各组成部件无故障且整个悬架处于主动减振工作模式时，控制第一电磁阀7关闭、第一可调节流阀8处于大流通状态、第二电磁阀14开启、第二可调节流阀18处于最大流通状态，在汽车行驶时的车轮11开始向下振动的瞬间，车身1还来不及运动，车轮11向下带动第一活塞杆10下移，第一油缸9的上腔室容积变大，导致第一油缸9内的油压降低，使得第二蓄能器5油腔中的液压油通过第一可调节流阀8流向第一油缸9中，同时带动第一油缸9缸体、第二油缸3缸体以及悬架第三质量4整体向下运动，导致第二油缸3的下腔室容积变大，第二油缸3内油压降低，使得第三蓄能器16油腔中液压油依次经第二电磁阀14、第二可调节流阀18、泵或马达19流入第二油缸3中，同时第二活塞杆2带动车身1向下运动。在此运动过程中，车轮11的向下振动经过传统减振结构时，第二蓄能器5产生的刚度对车轮11向下振动进行了第一次隔振，第一可调节流阀8对车轮11向下振动进行了一次被动减振，经传统减振结构隔振与减振后的车轮11在向下振动经过悬架第三质量4时，悬架第三质量4对车轮11向下振动能量输入进行了一次吸收；当经过悬架第三质量4吸收动能后的车轮11向下振动经过主动或反共振减振结构时，第三蓄能器16产生的刚度对车轮11向下振动进行了第二次隔振，控制器17根据各传感器的加速度输入计算实时的主动控制力信号，并控制永磁同步电机13经泵或马达19输出主动控制力矩，实现对车轮11向下振动进行了一次主动减振，最终起到了大幅度衰减车轮11向下振动对车身1的向下振动输入。

当主动或反共振减振结构出现了故障，也就是当车身加速度传感器22、悬架第三质量加速度传感器21、车轮加速度传感器12、永磁同步电机13、第一可调节流阀8、第二可调节流阀18、、第一电磁阀7、第二电磁阀14以及控制器17中的任一部件或者多个电控部件出现了故障，该二级减振主动悬架系统自动恢复到无控制状态，即第一电磁阀7处于常开状态、第一可调节流阀8处于中等常流通状态、第二电磁阀14处于常闭状态、第二可调节流阀18处于最小常流通状态，此时悬架处于被动减振工作模式，，汽车行驶时的车轮11开始向上振动的瞬间，车身1还来不及运动，车轮11向上带动第一活塞杆10压缩第一油缸9内的液压油，液压油经第一可调节流阀8流向第二蓄能器5及第一蓄能器6的油腔，第二蓄能器5和第一蓄能器6气腔内的气体被压缩，导致第一油缸9内的油压升高，向上推动第一油缸9缸体、第二油缸3缸体及悬架第三质量4整体向上运动，致使悬架第三质量4产生惯性力，同时第二油缸3缸体压缩第二油缸3内的液压油，液压油依次经泵或马达19、第二可调节流阀18、惯容螺旋管15流入第三蓄能器16的油腔，第三蓄能器16气腔内的气体被压缩，导致第二油缸3内的油压升高，使得第二活塞杆2向上推动车身1向上运动；在此运动过程中，车轮11的向上振动经过传统减振结构时，第二蓄能器5及第一蓄能器6产生的刚度对车轮11向上振动进行了一次隔振，第一可调节流阀8对车轮11向上振动进行了第一次被动减振；经传统减振结构隔振与减振后的车轮11向上振动经过悬架第三质量4时，悬架第三质量4对车轮11向上振动动能进行了一次吸收；当经过悬架第三质量4吸收动能后的车轮11向上振动经过由主动减振结构转变成的反共振减振结构时，第二可调节流阀18对车轮11向上振动进行了第二次被动减振，第三蓄能器16产生的刚度与泵或马达19、永磁同步电机13以及惯容螺旋管13产生的惯容和对车轮11向上振动进行了一次反共振减振，最终起到了大幅度衰减车轮11向上振动对车身1的向上振动输入。

当主动或反共振减振结构出现了故障，并且整个悬架处于被动减振工作模式时，该二级减振主动悬架系统自动恢复到无控制状态，即第一电磁阀7处于常开状态、第一可调节流阀8处于中等常流通状态、第二电磁阀14处于常闭状态、第二可调节流阀18处于最小常流通状态，，汽车行驶时的车轮11开始向下振动的瞬间，车身1还来不及运动，车轮11向下振动带动第一活塞杆10下移，第一油缸9的上腔室容积变大，导致第一油缸9内的油压降低，使得第二蓄能器5及第一蓄能器6油腔中液压油通过第一可调节流阀8流向第一油缸9，同时带动第一油缸9缸体、第二油缸3缸体及悬架第三质量4整体向下运动，第二油缸3缸体向下运动，导致第二油缸3下腔室容积变大，第二油缸3内的油压降低，使得第三蓄能器16油腔中液压油依次经惯容螺旋管15、第二可调节流阀18、泵/马达19流入第二油缸3，同时第二活塞杆2带动车身1向下运动；在此运动过程中，车轮11的向下振动经过传统减振结构时，第二蓄能器5及第一蓄能器6产生的刚度对车轮11向下振动进行了一次隔振，第一可调节流阀8对车轮11向下振动进行了第一次被动减振；经传统减振结构隔振与减振后的车轮11向下振动经过悬架第三质量4时，悬架第三质量4对车轮11向下振动动能进行了一次吸收；当经过悬架第三质量4吸收动能后的车轮11向下振动，经过由主动减振结构转变成的反共振减振结构时，第二可调节流阀18对车轮11向下振动进行了第二次被动减振，第三蓄能器16产生的刚度与泵或马达19、永磁同步电机13以及惯容螺旋管15产生的惯容和对车轮11向下振动进行了一次反共振减振，最终起到了大幅度衰减车轮11向下振动对车身1的向下振动输入。

如图2所示的本发明所述的故障后功能不丧失的二级减振主动悬架工作原理图，其中，主动或反共振减振结构的惯容m

当第二电磁阀14开启时，仅由泵或马达19、永磁同步电机13转子在第二油缸3主动工作模式下产生等效惯性质量或惯容，当第二电磁阀14关闭时，泵或马达19、永磁同步电机13转子及惯容螺旋管15一起为第二油缸3反共振工作模式提供较大的惯容。当第二油缸3处于主动工作模式时，使第二可调节流阀18处于最大流通状态基本上不产生阻尼，当第二油缸3处于反共振工作模式时，使第二可调节流阀18处于小流通状态提供大阻尼。当第一电磁阀7关闭时，仅由第二蓄能器5在悬架主动工作模式下为传统减振结构提供较大刚度，当第一电磁阀7开启时，由第二蓄能器5及第一蓄能器6在悬架反共振工作模式下为传统减振结构提供较小刚度。当悬架处于主动工作模式时，使第一可调节流阀8处于大流通状态产生较小阻尼，当悬架处于反共振工作模式时，使第一可调节流阀8处于中等流通状态提供中等阻尼。

本发明提供的故障后功能不丧失的二级减振主动悬架运动的微分方程为：

将式(1)、(2)和(3)写成矩阵形式如下：

式(4)中：

取状态变量为：

式(5)中：

以车身1、悬架第三质量4及车轮11的垂直加速度为输入，设计卡尔曼滤波器，则检测方程为：

Y＝CX+DU+HW+V (6)

式(6)中：

其中，ν

P

式(10)中，E()为求数学期望函数。

则悬架综合性能指标J按式(11)构建：

式中：T与t分别为汽车的行驶总时间及时间变量；

将式(11)成二次型标准形式如下：

式(12)中：

则悬架的主动控制力按下式计算：

K＝R

S为下式(15)所示黎卡提方程的唯一解，

(SA)

悬架处于主动工作状态时参数取值为：m

悬架处于被动工作状态时参数取值为：m

汽车在一般(C级路面)、较差(D级路面)、差(E级路面)的路面上以车速72km/h、50km/h、30km/h行驶时，汽车行驶时间为100秒。本发明悬架主动控制模式、被动工作模式、传统一级减振被动悬架、现有二级减振被动悬架的簧载质量加速度、车轮动变形、悬架动挠度的均方根值及悬架综合性能指标分别在表1、表2、表3中列出如下，RMS为均方根值的缩写。

表1 一般路面72km/h车速工况下的性能指标比较

表2 较差路面50km/h车速工况下的性能指标比较

表3 差路面30km/h车速工况下的性能指标比较

从表1、表2及表3可以看出，本发明悬架的主动工作模式在三种行驶工况下均能取得非常理想的悬架综合性能，在故障发生后，本发明悬架的被动工作模式在三种行驶工况下均能取得比传统一级减振被动悬架及现有二级减振被动悬架好的悬架综合性能，说明本发明提供二级减振主动悬架在故障发生后功能没有丧失，仍可以取得较好的悬架工作效果。

本发明仅提供了实现如图2所示故障后功能不丧失的二级减振主动悬架原理的一种具体实物结构方案，凡是实现如2所示故障后功能不丧失的二级减振主动悬架原理的实物结构方案均在本发明的保护范围之内。