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配备车辆ER减震器的电子控制悬架性能评价

Kum-Gil Sung Min-Sang Seong Seung-Bok Choi

摘 要：本文介绍了配有可控电流变阻器（ER）和相应的控制策略的电子控制悬架（ECS）在乘坐舒适性和行驶稳定性上的表现。为了实现这个目标，在现有乘坐交通工具要求的阻尼力水平的基础上设计并制造一辆中型乘用车。该车装有适用于麦弗逊式支柱式悬架的圆柱形ER减震器。实验性地评估了可控电流变阻器的阻尼力场和动态特性后，ECS由簧载质量、弹簧、轮胎和控制器组成来研究乘坐舒适性和行驶稳定性表现。在悬架系统主要运动方程的基础上，制订出了5个控制策略：软、硬、舒适、运动和最佳模式。所提出的控制策略是在1/4车辆ECS系统上试验性地实现的。像车身的垂直加速度和轮胎变形等控制性能在各种路况条件下都针对时间和频率做了评估。除此之外，对每种控制策略的固有控制特性都做了调查并进行了对比。

关键词：电流变液（ER液）；ER减震器；汽车悬架；电控悬架；乘坐舒适性；行驶稳定性

1 介绍

诸如汽车乘坐舒适性和行驶稳定性等动力特征通常可以通过悬挂系统进行改进。[1, 2]因此，设计简洁且成本低廉的被动油压减震器被广泛应用于传统汽车。但是，有余不可控的阻尼力造成的性能限制是不可避免的。近年来，使用电机和电子伺服的主动液压减震器阀门已逐渐被引入以达到更好的乘坐舒适性以及更高的行驶稳定性。然而，设计的复杂性和较高的成本阻止了较先进的主动悬挂系统的广泛使用。因此，对车辆悬挂系统的替代机制进行了研究以取代被动和主动减震器。近日，对使用半主动悬挂系统车辆的振动抑制的研究工作已显著增加。使用电流变液的半主动悬挂系统不需要很大的功率消耗和昂贵的硬件就能提供运动模式所需的性能。可以通过对流域施加电场迅速改变流变特性的ER液已经在很多设备上被使用，例如减震器[3-9]、阀门[10，11]、底座[12，13]和离合器及制动系统[14, 15]。近十年来，许多研究者提出的以ER液为特色的半主动悬架非常引人注意且有效。

Nakano[3]制造了一个1/4车辆模型采用了ER减震器，并且提出了两种控制策略：恒定的控制电压以及控制电压的平方根与簧载质量下的绝对速度成正比。Sims et al.[4]描述了一个闭环控制策略，能够表示一个ER长行程减振器在实验条件下的线性化响应。Petek et al.[5]构建了一个由4个ER减震器组成的的半主动全悬架系统，并评估了其振动隔离的有效性。他们使用简单的天棚控制算法通过实验证实了不必要的间距、升沉和车身的横摇运动都可以被有利的抑制。Gordaninejad et al.[6]实验性地评估了圆柱形多电极ER减震器在受力震动下的性能。他们提出了简单的算法例如继电器式控制、线性比例控制器，并通过实验成功展示了一个闭环系统控制方案的成功实施。Choi et al.[7–9]提出了一个乘用车的圆柱形ER减震器并在实验室证明了它对阻尼力有优越的可控性。Choi et al.[16]通过HILS（计算机仿真）提出了在车辆稳定性方面ER悬架系统的控制算法。通过这些研究工作，证明了ER减震器对机动车辆振动控制的有效性。

对于使用ER减震器的半主动车辆悬架，对乘坐舒适性和行驶稳定性表现绩效评价的实验研究工作是罕见的。但是，为了将ER减震器成功的商业化，应该同时保证它在机动车乘坐舒适性和行驶稳定性上的表现。因此，这项工作的主要贡献是通过实验证明使用5种控制策略（软、硬、舒适、运动和最优模式）的电控悬架对于乘坐舒适性和行驶稳定性的悬挂控制性能。为了达到这个目的，在现有中型乘用车所需阻尼力水平的基础上设计并制造了连续可控的ER减震器。经过实验评估制成的ER减震器的场依存性阻尼力和动态特征，将ER减震器和一个由簧载质量、弹簧和轮胎组成的1/4车辆悬架系统相结合来研究电控悬架的乘坐舒适性和行驶稳定性表现。随后，在1/4车辆悬架系统上实现了5种控制策略。为了研究其控制表现的现实可行性，在颠簸以及不同的道路状况下对配备ER减震器的ECS在诸如簧载质量下的垂直加速度和轮胎挠度等参数做了实验性评估。

2 电流变减震器

前面提到的适用于中型乘用车麦弗逊式支柱型悬架的ER减震器的大概结构如图一所示。ER减震器由气缸、活塞和气室组成。气缸和气室之间的浮动活塞也用于补偿由活塞运动引起的体积。ER减震器中的气缸和气室分别充满了ER液和氮气。ER减震器呗活塞分成上、下室，ER液在活塞的运动下通过内、外圆柱之间的环形管道从一个腔室流入另一个腔室。因此，所提到的ER减震器的操作模式是在两个被固定的电极之间流动。控制电压由一个高压电源连接到内筒、地电压连接到外筒的单元产生。没有电场时，ER减震器就产生一个仅由流体粘性阻力引起的阻尼力。但是，如果给ER减震器提供一个一定程度的电场，由于电流变液的屈服应力，ER减震器就会产生一个额外的阻尼力。Er减震器的阻尼力可以通过控制电场的强度进行连续的调谐。

为了简化对ER减震器的分析，假设ER液不可压缩且在一个腔室内的压力是均匀分布的。由于环形管道的几何形状和流体惯性造成的压力下降忽略不计。在环形导管层流，所述流体阻力[17]由下式给出

Re = 8eta; (1)

其中，eta;是ER液的粘度，是环形导管的长度。Ro 和Ri 分别是外电极的内半径和内电极的外半径。假设气体不与周围环境交换热量，因此考虑其绝热变化关系，通过

C_g = (2)

获得气室的顺应性。其中V0 和P0分别是是气室的初始体积和压力，kappa;是绝热指数。

另一方面，由于ER液屈服应力增加造成的压力下降由下式给出

P_ER = tau;_y(E) = alpha;E^beta; (3)

其中c是取决于流速分布的系数，该值的范围一般从2.0到3.0， h是环形管道的间距，tau;_y(E)是电场(E)引起的屈服应力。alpha;和beta;是通过实验确定的ER液的固有值。因此，所述ER减震器的阻尼力可以写成

F_D= k_ex_p c_ep F_ER (4)

其中k_e = ^， c_e = (A_p minus; A_r)²R_e ，F_ER = (A_p minus; A_r)P_ER sgn(_p)

其中x_p和_p分别是活塞位移和速度。A_p 和A_r分别代表活塞和活塞杆区域，sgn(·)是一个正负号函数。

制造的ER减震器图片如图二所示。所制造的可用于中型商用乘用车的ER减震器的主要设计参数在表1中给出。阻尼力的特征通过自己的工作测量，图三给出了对ER减震器在不同电场中相应活塞速度下阻尼力(FD)的测量与分析。这是通过计算每个速度下的最大阻尼力获得的。活塞速度通过激励频率从0.5Hz到4.0Hz的增加而变化，激发幅度衡东保持在plusmn;20 mm。图中这种模式在减震器制造业被频繁使用于评估减震性能的水平。可以清楚的看到，如预期一样，阻尼力随电场的增加而增加。一个特定情况下的ER减震器，在活塞速度为0.5027 m/s时的阻尼力从299.3 N通过增加一个3.0 kV/mm的电场提升至1138.0 N。值得注意的是，图3中的实线是商务轿车(Magnus, GMDAEWOO Auto and Technology)被动油减震器的阻尼力曲线。

为了测量时间常数，通过液压致动器垂直激发ER减震器。激发条件是具有1Hz、plusmn;20 mm的正弦运动。测量结果如图4。可以发现，该时间常数约为18ms，这是通过检查当其阻尼力达到最终稳态值的63.2%所需的时间获得的。图5说明了阻尼力在频率领域的动态带宽。通过扫描幅度为3 kV/mm的输入场频，获得动态带宽。可以确定所述ER减震器的动态带宽在minus;3 dB时约为33 Hz。因此，无论在车身模式（1-2Hz）还是轮模式（10-15Hz），这分别之间关系到乘坐舒适性和行驶稳定性，可以通过所述的ER减震器有效控制。图6给出了需要产生一定阻尼力的ER减震器的功率消耗。阻尼力和所需的电压分别转换为机械能和电能。在0.5027 m/s的活塞速度下产生1138.0 N的阻尼力得越需要2.7 W。在实践中，这样的能量可以由乘用车的商业电池充分的供给。

为了在下一节评估悬架的控制性能，在图7中，讲图3中测得的阻尼力用双粘度曲线拟合。从拟合曲线中，ER减震器的有效阻尼系数和可控阻尼力可按如下表示

c_e,p_r for minus; _p,t le;_plt; _p,t

c_e = c_e,p_rp,t/_p c_e,p_o （5）

for_p p ge;_p,t or _p lt; minus;_p,t

a_p ·_p,t for _p,t le; _p

a_p · _p for 0 le; ˙ xp lt;_p,t

F_ER = a_n · _p for minus; _p,t le;_p lt; 0 （6）

a_n · _p,t for _p lt; minus;_p,t

其中，_p,t是活塞速度。c_e,p_r和c_e,p_o分别是屈服前和屈服后的阻尼系数。a_p, a_n, b_p 和 b_n是通过实验确认的ER减震器的固有值。有效阻尼系数和可控阻尼力的曲线拟合参数在表2中列出。从另一方面来说，从图5中的回应结果我们可以看出，上述方程给出的阻尼力的静止表现和当前输入可以在考虑到动力特征的情况下像如下方程这样调整：

a_p ·_p,t for _p,t le; _p

tau;F_ER F_ER = a_p · _p for 0 le; ˙ xp lt;_p,t (7)

a_n · _p for minus; _p,t le;_p lt; 0

a_n · _p,t for _p lt; minus;_p,t

其中tau;指可控电流变阻器随着时间的变化的连续过程。可控电流变阻器的动力模型和悬架模型将在下一个部分合并。

3 控制策略

图8显示1/4模型的半活动性的ER悬挂系统有两个等级的自由。这里，m_s和m_u分别代表簧载质量和非簧载质量。假设悬架的弹簧是线性的并且轮胎也作为线性弹簧成分建模。现在，考虑到动力关系，如下是以1/4车辆ER悬挂系统表达的状态-空间控制

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