夏晶晶

(1.東南大學機械工程學院，江蘇 南京 211189;2.淮陰工學院交通工程學院，江蘇 淮安 223001)

當汽車遇到極限工況時，如小半徑轉(zhuǎn)彎，躲避障礙物等工況，由于汽車發(fā)生過量的動態(tài)載荷橫向轉(zhuǎn)移，容易誘發(fā)側(cè)翻事故;而且有部分汽車由于工作裝置的需要對于車身水平有較高要求，因此有必要在汽車上安裝車身姿態(tài)控制系統(tǒng)，保持車身水平滿足工作裝置需要，并且在汽車側(cè)傾狀況下保證汽車的側(cè)向穩(wěn)定性.

目前，國內(nèi)外對于汽車側(cè)翻控制系統(tǒng)進行了大量的研究，A.B.Dunwoody等［1］提出一種主動控制系統(tǒng)，利用液壓式第5輪和主動懸架來控制汽車的側(cè)傾運動，使側(cè)翻門檻值提高了20% ～30%;T.J.Wielenga等［2］提出一種防側(cè)翻控制系統(tǒng)，利用差動制動代替全輪制動，若車輪離地或汽車橫向加速度超過門檻值，該系統(tǒng)立即觸發(fā)差動制動措施避免側(cè)翻.上述幾種方法確實在一定程度上抑制車身側(cè)傾的趨勢，可以減少側(cè)翻事故的發(fā)生，但是對于汽車側(cè)傾的抑制效果有限，而且四輪轉(zhuǎn)向、差動制動同時還對其它系統(tǒng)功能造成干涉.另在部分汽車上已經(jīng)裝有可以調(diào)節(jié)車身高度的空氣懸架，但它的主要作用是有些工況下提高車身高度改善汽車通過性，有些工況下降低汽車質(zhì)心改善汽車行駛穩(wěn)定性，以及提供側(cè)跪功能便于乘客上下車等，而沒有涉及保持車身水平的功能.

筆者結(jié)合空氣彈簧的充放氣特性，為汽車設計車身運動姿態(tài)控制系統(tǒng)及其控制策略，在側(cè)傾危險狀況下，及時調(diào)整空氣懸架的剛度，提高汽車的側(cè)向穩(wěn)定性，減少汽車側(cè)翻事故的發(fā)生;在常規(guī)工況下控制車身水平，滿足工作裝置需要.

1 空氣彈簧充放氣特性

目前部分汽車上裝有的空氣彈簧充放氣的目的主要是控制車身高度，根據(jù)車速、路面等工況需求，調(diào)節(jié)空氣彈簧高度位置，改變車身高度，改善汽車低速時的通過性、高速時的行駛穩(wěn)定性以及實現(xiàn)便于乘客上下車的側(cè)跪功能等.空氣彈簧充放氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、儲氣筒、電磁閥以及氣源處理元件、保護元件等組成.

空氣彈簧的充放氣特性研究屬于開口系統(tǒng)問題，即容器內(nèi)與外界進行質(zhì)量交換、能量交換和力的相互作用過程中，容器內(nèi)的物理量(如壓力、溫度等)隨時間變化的規(guī)律.

當進行車身水平位置調(diào)節(jié)時，充放氣速度較慢，可以近似為在固定載荷下的變?nèi)莘e充放氣，為等溫過程;當進行汽車空氣懸架剛度控制時，充放氣速度較快，可以近似為在動載荷下的固定容積充放氣，為絕熱過程.

對于近似為固定容器的空氣彈簧進行充放氣，計算充放氣時間的公式如下:

式中:ρ1，ρ'1為充氣放氣前后空氣彈簧內(nèi)氣體密度;ρ為進入放出氣體的密度;A為充氣放氣管路截面積;V為空氣彈簧的體積;u為管道內(nèi)氣體平均流速;t為充氣放氣時間.

對于近似為變?nèi)莘e容器的空氣彈簧進行充放氣，計算充放氣時間的公式如下:

式中:ΔV為充氣放氣時空氣彈簧容積的變化量.

根據(jù)伯努力方程可以確定管道內(nèi)氣體平均流速，公式為

式中:p1為儲氣筒額定壓力，研究中考慮為恒定壓力;p2為空氣彈簧內(nèi)壓力.

實際充氣過程中，需要考慮隨著向空氣彈簧充氣過程，氣囊壓力增加，有3個影響因素:① 氣囊中氣體溫度升高;②使車架加速，靜載荷變?yōu)閯虞d荷;③克服減振器的力.因此在確定實際空氣彈簧充氣時間，需要取空氣彈簧承載系數(shù)γ1進行修正.

2 汽車運行姿態(tài)控制

汽車運行姿態(tài)控制主要是在特殊工況下進行空氣懸架剛度控制提高汽車側(cè)向穩(wěn)定性，以及在常規(guī)工況下根據(jù)工作裝置需要進行車身水平位置控制.

目前，國外汽車側(cè)翻指標的選取主要有側(cè)向加速度，側(cè)傾角以及橫向載荷轉(zhuǎn)移率3種.考慮兼顧汽車側(cè)傾剛度控制、汽車水平位置控制，將側(cè)傾角以及側(cè)傾角速度作為汽車運行姿態(tài)控制的評價指標.

在普通空氣懸架系統(tǒng)的基礎上增加前后、左右2個方向的側(cè)傾角傳感器、高速開關電磁閥，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定為1 MPa，用來測量車身側(cè)傾角、側(cè)傾角速度、空氣懸架充放氣速度等參數(shù).實現(xiàn)上述控制的汽車運行姿態(tài)控制系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 汽車運行姿態(tài)控制示意圖

汽車運行姿態(tài)控制系統(tǒng)首先根據(jù)側(cè)傾角傳感器測量的車身側(cè)傾角及算出的側(cè)傾角速度信號，判斷汽車是否處于側(cè)翻危險狀態(tài)，側(cè)傾角及側(cè)傾角速度與汽車側(cè)翻危險狀態(tài)的關系由試驗得出，并存儲在電子控制單元(ECU)中，如果處于側(cè)翻危險狀態(tài)需要進行空氣懸架剛度控制，運用模糊算法計算出合理的充放氣速度進行快速充放氣，實現(xiàn)汽車的側(cè)向穩(wěn)定;如果沒有處于側(cè)翻危險狀態(tài)則根據(jù)工作裝置需要進行車身水平位置控制，當側(cè)傾角傳感器測出水平差大于限值時進行慢速充放氣，實現(xiàn)車身水平［3-4］.

2.1 空氣懸架剛度控制

首先分析空氣彈簧不受充放氣影響，處于封閉狀態(tài)時的剛度特性［5］.

假定為絕熱壓縮，氣壓-體積關系方程為

式中:p0為大氣壓;γ為比熱比;p3為空氣彈簧內(nèi)初始狀態(tài)的絕對氣壓;V1為空氣彈簧內(nèi)初始狀態(tài)的相應的容積.

式中:S2為空氣彈簧的有效承載面積;δ為空氣彈簧變形量.

式中:K為空氣彈簧剛度;F為空氣彈簧承受載荷.

由于體積的改變相對初始體積要小得多，則剛度表達式可以簡化為

在實際系統(tǒng)中，由于充放氣空氣彈簧內(nèi)氣體密度、氣體壓力發(fā)生了較大變化.

綜合以上公式可以得出，空氣彈簧剛度主要取決于空氣彈簧內(nèi)空氣壓力，而空氣壓力的變化取決于空氣彈簧的充放氣特性，充放氣特性受到進氣壓力差、進氣阻力等因素影響.因此通過對空氣懸架的充放氣，改變其內(nèi)部壓力，可以使空氣懸架的剛度發(fā)生改變.依據(jù)以上原理設計空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制器，如圖2所示.

圖2 空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制器

由于側(cè)傾角以及角速度和充放氣速度沒有確切的數(shù)學關系，因此在空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制中使用模糊控制器.基于以上基本原理，通過足夠多的試驗，制定合理的模糊規(guī)則，以側(cè)傾角以及角速度為輸入變量，通過模糊推理，得出高速開關電磁閥PWM驅(qū)動信號的占空比大小，控制空氣彈簧的充放氣速度，側(cè)傾內(nèi)側(cè)充氣，側(cè)傾外側(cè)放氣.

建立高速開關電磁閥PWM驅(qū)動信號的占空比與側(cè)傾角以及角速度的關系為

式中:D為高速開關電磁閥PWM驅(qū)動信號的占空比;φ為車身側(cè)傾角.

側(cè)傾角論域為［0，20］，側(cè)傾角速度論域為［0，15］，高速開關電磁閥PWM驅(qū)動信號的占空比論域為［0，1］.在整個論域范圍內(nèi)定義輸入輸出模糊變量的模糊子集:{PL，PM，PS，Z，NS，NM，NL}，分別代表正大、正中、正小、0、負小、負中、負大.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)制定空氣懸架剛度調(diào)節(jié)模糊控制器控制規(guī)則:

通過選定隸屬度函數(shù)可以把精確的變量模糊化，為了使控制器具有較快的響應和較好的穩(wěn)定性，選擇鐘形隸屬度函數(shù).采用重心法將模糊輸出進行解模糊，得到精確的控制輸出.

在汽車行駛中，由于路面傾斜度較大導致載荷過度向一側(cè)轉(zhuǎn)移，或者在高速轉(zhuǎn)彎時，由于離心力的作用，汽車有傾翻趨勢時，由安裝在車身上的側(cè)傾角傳感器測量出的車身側(cè)傾角以及角速度，與ECU中存儲的試驗數(shù)據(jù)對比，確定汽車處于側(cè)翻危險狀態(tài)時，懸架剛度控制開始作用，ECU產(chǎn)生高速開關電磁閥的PWM驅(qū)動信號，控制空氣彈簧的充放氣速度，及時調(diào)整空氣懸架的剛度，同時形成與傾翻趨勢相反的反側(cè)傾力矩，保證汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性［6-8］.

2.2 車身水平位置控制

汽車在復雜道路上行駛時，車身不可避免會發(fā)生傾斜，車身傾斜會影響車上工作裝置的工作，有必要通過車身水平位置控制實現(xiàn)車身的水平.根據(jù)式(3)，(4)，同時考慮在容積變化過程中，空氣彈簧的有效承載面積變化遠小于空氣彈簧的變形量，因此可以得出，當充放氣速度較慢，近似為是在固定載荷下的變?nèi)莘e充放氣，可以通過調(diào)節(jié)空氣懸架的變形量，實現(xiàn)車身水平位置的調(diào)節(jié).依據(jù)以上原理設計車身水平位置調(diào)節(jié)控制器，如圖3所示.

圖3 車身水平位置調(diào)節(jié)控制器

通過前后、左右傾角傳感器測量車身的傾角情況，與存儲在ECU中的允許值(允許值的大小根據(jù)具體工作裝置需要設定)進行比較，如超過允許值，ECU發(fā)出PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動電磁閥，以不變且較慢的速度進行充放氣來改變空氣彈簧的變形量，始終將車身保持水平.

3 試驗驗證

考慮車身水平位置控制的主要方法近似常規(guī)的車身高度控制，且控制方法相對簡單，因此主要進行空氣懸架剛度調(diào)節(jié)控制的試驗驗證.由于汽車側(cè)翻試驗的危險性，選用仿真試驗方法進行驗證，運用Matlab/Simulink 軟件進行仿真［9-10］.

選擇汽車運行的階躍轉(zhuǎn)向工況，以80 km·h-1的行駛速度、方向盤轉(zhuǎn)角200°的輸入條件來驗證所提出的側(cè)翻主動控制的效果.圖4為不進行空氣懸架剛度控制和進行空氣懸架剛度控制的側(cè)傾角變化情況的比較，曲線1為不進行空氣懸架剛度控制的側(cè)傾角變化情況，曲線2為進行空氣懸架剛度控制的側(cè)傾角變化情況.

圖4 車身側(cè)傾角變化情況

從圖4可以看出，不進行空氣懸架剛度控制，汽車的側(cè)傾角不斷增加，有側(cè)翻的危險;進行空氣懸架剛度控制，汽車的側(cè)傾角受到很好的控制，基本穩(wěn)定在4.1°左右.圖5為后橋空氣懸架的剛度變化情況，曲線3為左側(cè)空氣懸架的剛度變化情況，曲線4為右側(cè)空氣懸架的剛度變化情況.

圖5 空氣懸架剛度變化情況

從圖5可以看出，當汽車處于側(cè)傾危險狀態(tài)時，汽車運行姿態(tài)控制系統(tǒng)及時進行左側(cè)、右側(cè)空氣懸架充放氣控制，實現(xiàn)空氣懸架剛度的調(diào)整，左側(cè)剛度從原來的25500 N·m-1上升至28700 N·m-1，上升了12.5%，右側(cè)剛度從原來的25500 N·m-1下降至22100 N·m-1，下降了13.3%，實現(xiàn)汽車的運行姿態(tài)控制.

4 結(jié)論

充分運用空氣彈簧的充放氣特性，從汽車的工作實際出發(fā)，設計了汽車運動姿態(tài)控制系統(tǒng).汽車運動姿態(tài)控制系統(tǒng)在側(cè)傾危險狀況下，可以及時調(diào)整空氣懸架的剛度，提高汽車的側(cè)向穩(wěn)定性，減少汽車側(cè)翻事故的發(fā)生，而且在常規(guī)工況下可以控制車身的水平情況，可以滿足工作裝置需要.

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