[發明專利]基于凸輪氣閥機構的可調控空氣彈簧及其控制方法

有效

• 申請號: 201710020464.2
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN106594147B
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 袁春元;王凱麗;潘秀杰;王新彥;周宏根;李純金;楊兵;王曉陽;于凱;趙攀;蔡錦康
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: F16F9/04
• 分類號: F16F9/04;F16F9/34;B60G11/27
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 唐紅

1.一種基于凸輪氣閥機構的可調控空氣彈簧，其特征在于：包括上蓋板、橡膠氣囊、下底座和凸輪氣閥機構，所述上蓋板連接于橡膠氣囊上封口，下底座連接于橡膠氣囊下封口，凸輪氣閥機構安裝于橡膠氣囊下封口與下底座的連接處；上蓋板、橡膠氣囊和凸輪氣閥機構中的閥體上表面構成空氣彈簧主氣室，閥體下表面與下底座內壁分別構成第一副氣室和第二副氣室，兩個副氣室與主氣室之間分別通過設置于閥體內的兩個氣體通道連通；

所述凸輪氣閥機構包括閥體、凸輪軸和氣閥桿；閥體內部嵌有閥座和氣閥導管，閥體頂部通過凸輪軸座固定有凸輪軸，凸輪軸通過齒輪組件嚙合由步進電機驅動，凸輪軸上還設有凸輪；氣閥桿的一端連接有氣閥，氣閥桿的另一端穿過氣閥導管后套有氣閥彈簧然后抵于凸輪；

調控時，步進電機通過齒輪組件驅動凸輪軸，凸輪跟隨上下運動，進而帶動氣閥桿的上下動作，在氣閥彈簧預緊力作用下，氣閥的閥門落座于閥座上，閥體的氣體通道被關閉；或者克服氣閥彈簧預緊力推動氣閥向下運動，閥門離開閥座從而氣體通道被開啟；

所述凸輪軸上設有兩個凸輪和兩個凸輪軸座，凸輪軸的輸入端通過鍵安裝從動齒輪，從動齒輪與主動齒輪嚙合，主動齒輪連接于步進電機，步進電機安裝于下底座，步進電機通過H橋電路連接于車輛的懸架控制器信號輸出端；所述兩個凸輪的中心距等于閥座的閥座孔中心距，凸輪的上升段型面與下降段型面是對稱的，沿凸輪軸中心線看，兩凸輪對稱中心線互成180度夾角。

2.根據權利要求1所述的基于凸輪氣閥機構的可調控空氣彈簧，其特征在于：所述閥體整體呈箱體結構，內部設有兩個氣體通道分別連通兩個副氣室和主氣室，兩個氣閥桿穿過相應氣閥導管后先放入氣閥彈簧，然后卡固于安裝在凸輪上的彈簧座，兩半片鎖片插入彈簧座中，在彈簧預緊力作用下，彈簧座卡住在氣閥桿上。

3.根據權利要求1所述的基于凸輪氣閥機構的可調控空氣彈簧，其特征在于：所述下底座整體呈圓柱體，下底座的肩部與橡膠氣囊下封口連接，第一副氣室和第二副氣室之間的容積之比為1:1.5。

4.一種根據權利要求1至3任意一項所述的基于凸輪氣閥機構的可調控空氣彈簧的控制方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

(1)建立空氣彈簧外特性與其工作容積的函數關系：

第一種：凸輪軸初始位置，第一氣閥和第二氣閥均關閉，空氣彈簧工作容積為V；

第二種：凸輪軸順時針轉動90度，第一氣閥打開且第二氣閥關閉，工作容積為2V；

第三種：繼續順時針轉動180度，第一氣閥關閉且第二氣閥打開，空氣彈簧工作容積為2.5V；

實驗測試工作容積分別為1V、2V和2.5V時，空氣彈簧在各種氣壓下的外特性；

(2)建立含凸輪氣閥機構調控空氣彈簧的車輛系統數學模型，且用狀態空間實現其中A、B、C和D為車輛參數矩陣，狀態向量X為路面激勵x₀、輪胎動行程x₁、車身垂向位移x₂、輪胎垂向速度和車身垂向速度而控制輸出量為空氣彈簧反作用力U；

(3)根據步驟(2)的車輛數學模型，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比較在相同工況下的仿真結果與實車實驗結果，以此來修正數學模型進而檢驗其正確性；

(4)懸架控制目標是在車輛滿足操縱穩定性條件下具有良好的行駛平順性，因此應盡可能地減小車身垂向加速度和輪胎動行程，從控制的角度講，應使所需的控制量最小，選擇車輛綜合性能為目標函數，

其中，q_i(i＝1,2,3)為權系數，進而將其變為：

式中：

K_s是指空氣彈簧剛度；M_b是指車輛載荷；是指車身垂向加速度；

(5)應用最優控制理論，通過黎卡提方程AP+PA^T+Q-PBR^-1B^TP＝0，求出矩陣P，得反饋增益矩陣K＝B^TP+N^T，得空氣彈簧反作用力U＝-KX，根據步驟(1)空氣彈簧外特性與其工作容積的函數關系，確定車輛當前狀態所需的目標工作容積，并與當前工作容積的偏差量來生成步進電機的控制指令；

(6)根據車輛技術參數、步驟(1)的空氣彈簧外特性、步驟(2)的車輛系統模型、步驟(4)的目標函數和步驟(5)的最優控制律，應用C語言編寫成控制軟件，軟件調試成功后下載到懸架控制器存儲器中；

(7)汽車啟動行駛后，懸架控制器根據車輛行駛速度、車輛靜載荷、懸架動行程和車身加速度的信號，應用步驟(6)控制軟件進行計算，實時調控凸輪氣閥機構，保持空氣彈簧工作容積偏差量等于0，并且一個調控周期結束后，進入下一個周期，以此循環控制，直到車輛停止發動機熄火為止。