本發(fā)明屬于汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于新型大阻尼力磁流變減振器(mrd)的半主動懸架使汽車向轉(zhuǎn)彎方向主動側(cè)傾控制的方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)被動懸架采用增強(qiáng)懸架剛度和安裝橫向穩(wěn)定桿的方式防側(cè)傾，這會導(dǎo)致汽車平順性的降低，無法滿足防側(cè)傾和改善平順性兩方面的要求。主動或半主動側(cè)傾控制可以解決這種矛盾，一種控制方式是在橫向穩(wěn)定桿上串聯(lián)作動器實(shí)施主動或半主動控制，另一種控制方式是在主動或半主動懸架中對車體實(shí)施姿態(tài)控制從而控制汽車傾斜。然而，這些側(cè)傾控制都是被動地以減小側(cè)傾角或最多使側(cè)傾角為零作為目標(biāo)。車輛在轉(zhuǎn)彎過程中，由于離心力的作用會使汽車向外側(cè)傾斜，但如果能主動向彎道內(nèi)側(cè)傾，使汽車重力產(chǎn)生的力矩減小或抵消離心力產(chǎn)生的力矩，從而使得橫向垂直載荷轉(zhuǎn)移減小，以及乘員感知的側(cè)向加速度減小或等于零，不僅能提高汽車的橫向穩(wěn)定性和行駛平順性，還能提高汽車彎道通行速度，防止側(cè)翻。借用軌道列車主動傾斜的術(shù)語，本專利將這種主動傾斜稱為主動傾擺。

目前國內(nèi)外主要有以下2種車輛采用主動傾擺技術(shù)。一種是軌道列車主動傾擺技術(shù)，其技術(shù)已較為成熟，但仍存在一些問題需要研究。另一種是窄幅車輛(narrowcommutervehicle，ncv)主動傾擺技術(shù)，ncv近幾十年來吸引了研究者的很大興趣，ncv有3個(gè)或4個(gè)車輪，車寬窄(普通車寬的一半)、重量輕、低速、適合城區(qū)行駛，可有效緩解目前城市交通擁擠的狀況和污染問題。ncv目前還處在試驗(yàn)樣車的研究階段，其傾擺控制技術(shù)還不成熟。

在汽車進(jìn)行傾擺控制方面，目前只有利用主動懸架進(jìn)行傾擺控制的研究，但相關(guān)的研究和方法采用的都是理想的主動懸架，沒有涉及具體的作動器結(jié)構(gòu)和實(shí)施方案。另外，采用主動懸架進(jìn)行傾擺控制存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，能耗高等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，并且液壓系統(tǒng)響應(yīng)慢，在懸架系統(tǒng)中增加作動器的方案也將使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜的問題，本發(fā)明提出了基于大阻尼力磁流變半主動懸架的汽車主動傾擺控制方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種基于大阻尼力磁流變半主動懸架的汽車主動傾擺控制方法，其采用回轉(zhuǎn)式磁流變減振器作為汽車主動傾擺控制的作動器，將汽車懸架的各個(gè)減振器更換成所述的磁流變減振器，通過對磁流變減振器的控制實(shí)現(xiàn)車體升降，具體的控制汽車主動傾擺的方法包括如下步驟：

(1)確立期望傾擺角θdes；根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向和側(cè)傾模型，穩(wěn)態(tài)時(shí)乘員感知的側(cè)傾加速度于0，可得如下等式，

式中：為側(cè)向加速度，v為車速，θ為傾擺角，h為簧載質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾中心的距離，為期望橫擺角速度，其等于2自由度車輛轉(zhuǎn)彎模型中性轉(zhuǎn)向時(shí)的橫擺角速度；由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，θ的值小，因此上式近似為因此，期望傾擺角為，

(2)以期望傾擺角為控制目標(biāo)，車輛左右懸架的磁流變減振器為作動器使車體向轉(zhuǎn)彎方向側(cè)傾，使實(shí)測側(cè)傾角和期望傾擺角相等；

(3)確定mrd的升降控制策略，當(dāng)車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左側(cè)懸架伸張時(shí)采用大阻尼，壓縮時(shí)采用小阻尼，同時(shí)，右側(cè)懸架伸張時(shí)采用小阻尼，壓縮時(shí)采用大阻尼，這樣車體左側(cè)就會下降，右側(cè)會上升；當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右側(cè)懸架伸張時(shí)采用大阻尼，壓縮時(shí)采用小阻尼，同時(shí)，左側(cè)懸架伸張時(shí)采用小阻尼，壓縮時(shí)采用大阻尼，這樣車體右側(cè)就會下降，左側(cè)會上升。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中，控制車體傾擺，伸張側(cè)懸架mrd采用的開關(guān)控制函數(shù)為：

壓縮側(cè)懸架mrd采用的開關(guān)控制函數(shù)為：

其中，c0為mrd不加電流時(shí)的最小阻尼系數(shù)；c(i)為mrd加電流時(shí)的阻尼系數(shù)，是電流的函數(shù)。

或者所述步驟(3)中，控制車體傾擺，伸張側(cè)懸架mrd采用的開關(guān)控制函數(shù)為：

壓縮側(cè)懸架mrd采用的開關(guān)控制函數(shù)為：

其中，f(i)為mrd阻尼力，是電流的函數(shù)；f0為mrd不加電流時(shí)的阻尼力。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中采用的控制算法為lqr，pid控制，滑模控制，魯棒控制中的一種。

進(jìn)一步的，所述作動器mrd工作的方式是：車輛左側(cè)的mrd通過控制使車體向上升或下降，而右側(cè)的mrd通過控制使車體向下降或上升，從而使車體側(cè)傾，或者車輛右側(cè)的mrd通過控制使車體向上升或下降，而左側(cè)的mrd通過控制使車體向下降或上升，從而使車體側(cè)傾。

本發(fā)明的有益效果是：半主動懸架能耗小、結(jié)構(gòu)簡單，尤其是磁流變半主動懸架控制效果好，技術(shù)較為成熟。本發(fā)明利用基于一種新型大阻尼力磁流變減振器(mrd)的半主動懸架來進(jìn)行汽車主動傾擺控制的方法，采用的作動器結(jié)構(gòu)新穎，成本低，能耗小，實(shí)施方案簡單易行。汽車實(shí)施主動傾擺控制將顯著提高操縱穩(wěn)定性、通行速度、防止側(cè)翻，同時(shí)保持較好的平順性，不僅可以提高彎道的性能，還可以控制汽車的姿態(tài)、減小車輪垂直負(fù)荷轉(zhuǎn)移，如果單獨(dú)傾擺前或后懸架，則還可以改變前后軸的相對垂直負(fù)荷轉(zhuǎn)移，從而實(shí)施橫擺力矩控制。所提出的方案也可用于類似的其他領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是回轉(zhuǎn)式磁流變減振器的阻尼力-速度特性曲線。

圖2是汽車傾擺動力學(xué)模型，其中(a)是車輛側(cè)向動力學(xué)模型，(b)是車輛側(cè)傾動力學(xué)模型。

圖3是采用大阻尼系數(shù)為8000ns/m進(jìn)行仿真的控制圖。

圖4是采用大阻尼力為2kn進(jìn)行仿真的下降控制圖。

圖5是采用大阻尼力為3kn進(jìn)行仿真的下降控制圖。

圖6是采用大阻尼系數(shù)為4000ns/m進(jìn)行仿真的控制圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明采用一種回轉(zhuǎn)式磁流變減振器作為汽車主動傾擺控制的作動器，以前后軸均為獨(dú)立懸架的轎車為例，將汽車懸架的4個(gè)減振器更換成這種磁流變減振器。這種減振器工作在剪切模式，在外加磁場的作用下，磁流變液表現(xiàn)出bingham塑性流體的性質(zhì)，即在零速度下也能獲得很大的阻尼，其阻尼會隨著磁場的增加而增加，并且和普通磁流變減振器相比，在電流相當(dāng)?shù)那闆r下能產(chǎn)生更大的阻尼力，在最大阻尼力的情況下，汽車的磁流變減振器足以使懸架的相對運(yùn)動停止。這種磁流變減振器通過滾珠絲杠螺母將汽車的垂直振動轉(zhuǎn)換成絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，絲杠的下部和磁場的轉(zhuǎn)子相連，轉(zhuǎn)子和定子間充滿磁流變液，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動剪切了磁流變液，形成阻尼。通過改變電流大小可以調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，從而控制阻尼力的大小。圖1所示為一種回轉(zhuǎn)式磁流變減振器的外特性曲線，可見，施加電流3.5a，在相對速度接近0時(shí)，其阻尼力也可達(dá)到3kn。

這種回轉(zhuǎn)式磁流變減振器進(jìn)行主動傾擺控制，采用的方法是單獨(dú)控制車輛左右兩邊的減振器使車體進(jìn)行升降，從而實(shí)現(xiàn)車輛的傾擺控制。汽車在行駛過程中，由于地面的不斷激勵，車體總是上下振動(在正常路面行駛，懸架的相對位移幅度在厘米級)。

通過mrd的控制使車體升降，其機(jī)理是：利用了減振器壓縮和伸張阻尼不對稱使車體平衡位置發(fā)生變化的特性，高的阻尼伸張/壓縮比引起車體平衡位置下降，反之，高的壓縮/伸張阻尼比引起車體上升。其理論解釋是：高的阻尼伸張/壓縮比時(shí)，壓縮時(shí)存儲在車輛懸架彈簧中的勢能在伸張時(shí)由于更高的阻尼而耗散，從而減小了伸張運(yùn)動，使車輛簧載質(zhì)量的平衡位置下降；高的壓縮/伸張阻尼比時(shí)的情況相反。利用新型回轉(zhuǎn)式mrd可使阻尼的伸張/壓縮比在很大的范圍變化，因而可以控制車體的升降。因?yàn)檐圀w在升降過程中，彈簧仍然支持著車體，故實(shí)際上不需要很大的阻尼力。

基于以上考慮，汽車主動傾擺控制的方法是：

(1)確立期望傾擺角θdes。如圖2所示的車輛轉(zhuǎn)向和側(cè)傾模型，穩(wěn)態(tài)時(shí)乘員感知的側(cè)傾加速度于0，可得如下等式，

式中，為側(cè)向加速度，v為車速，θ為傾擺角，h為簧載質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾中心的距離，為期望橫擺角速度，其等于2自由度車輛轉(zhuǎn)彎模型中性轉(zhuǎn)向時(shí)的橫擺角速度。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，θ的值小，因此上式近似為因此，期望傾擺角為，

(2)以期望傾擺角為控制目標(biāo)，車輛左右懸架的mrd為作動器使車體向轉(zhuǎn)彎方向側(cè)傾，使實(shí)測側(cè)傾角和期望傾擺角相等。采用的控制算法可以是最優(yōu)控制lqr，pid控制，滑?？刂疲敯艨刂频鹊?。

(3)作動器mrd工作的方式是：車輛左側(cè)(或右側(cè))的mrd通過控制使車體向上升(或下降)，而右側(cè)的mrd通過控制使車體向下降(或上升)，從而使車體側(cè)傾。

(4)確定mrd的升降控制策略。當(dāng)車輛左轉(zhuǎn)彎(右轉(zhuǎn)彎類似)，左側(cè)(右側(cè))懸架伸張時(shí)采用大(小)阻尼，壓縮時(shí)采用小(大)阻尼，這樣車體左側(cè)就會下降，右側(cè)會上升。如圖2(b)的車輛側(cè)傾模型，以右轉(zhuǎn)彎為例，控制車體左側(cè)升右側(cè)降，采用的開關(guān)控制函數(shù)如下：

其中，c0為mrd不加電流時(shí)的最小阻尼系數(shù)；c(i)為mrd加電流時(shí)的阻尼系數(shù)，是電流的函數(shù)。

上面是調(diào)節(jié)mrd阻尼系數(shù)大小的公式，也可以采用直接調(diào)節(jié)阻尼力的方式，其開開關(guān)控制函數(shù)如下：

其中，f(i)為mrd的阻尼力，是電流的函數(shù)；f0為mrd不加電流時(shí)的阻尼力。

現(xiàn)舉例說明此方法的可行性(此方案僅為所提出傾擺控制方法的具體方案之一)：

以磁流變減振器為作動器單獨(dú)控制左右車體的升降，即對一側(cè)車體向下控制的同時(shí)對另一側(cè)車體向上控制，或者僅對一側(cè)車體控制，這樣即可達(dá)到使車體左右傾擺的目的。在此，僅證明這種升降車體控制方法的可行性。簡單起見，采用普通轎車的1/4車輛懸架模型進(jìn)行升降控制仿真?？刂撇呗詾椋寒?dāng)車體和車輪的垂直速度之差為正時(shí)(mrd伸張)取大阻尼，為負(fù)時(shí)(mrd壓縮)取小阻尼，進(jìn)行簡單的切換控制。分別采用2種控制方案：(1)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)大小的方式，如式(1)；(2)調(diào)節(jié)阻尼力的方式，如式(2)。模型中考慮重力的作用，路面為b級路面，車速為20m/s，仿真開始時(shí)使用小阻尼(c0＝300ns/m)，20秒后切換到升降控制。

第1種仿真結(jié)果如圖3所示，為便于顯示車體左右升降位移差，將下降和上升控制的位移曲線放到一張圖上顯示，采用大阻尼系數(shù)為8000ns/m進(jìn)行仿真，得到的阻尼力峰值為3kn，左右車體平衡位置之差為0.05m，簧載質(zhì)量加速度均方根值為0.95m/s²，輪胎動位移均方根值為0.00285m，而相應(yīng)的被動懸架(阻尼系數(shù)為1100ns/m)簧載質(zhì)量加速度均方根值為0.65m/s²，輪胎動位移均方根值為0.00225m。第2種仿真結(jié)果如圖4和5所示，仿真中僅對車體進(jìn)行下降控制，大阻尼力分別是2kn和3kn，20秒后車體的平衡位置偏差分別為0.1m和0.155m。從仿真可見，通過阻尼的控制明顯使車體左右傾斜。一般乘用車的懸架行程為0.25m，車體可傾斜的最大角度為10°,主動傾擺車輛后重力可產(chǎn)生的最大側(cè)向加速度為0.17g，而正常轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的側(cè)向加速度為0.3-0.5g。經(jīng)初步計(jì)算可知，圖3的傾擺控制可使車體傾斜1°左右，側(cè)向加速度比普通向外傾斜的車輛減小10％左右。圖4和5的傾擺控制使車體傾斜2.5°和4.5°，側(cè)向加速度比普通向外傾斜的車輛減小20％和35％左右?？梢?，即使轉(zhuǎn)彎時(shí)只讓車體內(nèi)側(cè)下降而外側(cè)不控制，車體也能達(dá)到很好的傾擺效果。另外，車輛的簧載質(zhì)量加速度和輪胎動載荷和被動懸架相比變化不大。

實(shí)際上采用這種新型mrd，施加足夠阻尼力可使車體停止運(yùn)動，如果伸張(或壓縮)時(shí)限制運(yùn)動，壓縮(或伸張)時(shí)放開運(yùn)動，這樣可以達(dá)到使車體上升或下降的目的。在第1種仿真中，如果大阻尼系數(shù)取40000ns/m(實(shí)際中如果達(dá)不到此阻尼系數(shù)，因這種mrd可以停止車體的運(yùn)動，所以可以采用切換控制實(shí)施升降控制，這時(shí)mrd的大阻尼力起到了單向開關(guān)的作用。)，仿真結(jié)果如圖6所示，可見比圖3的位移之差增大不少。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡采用等同替換等方式所獲得的技術(shù)方案，均落于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。