本發(fā)明屬于大型工程車輛底盤懸架領(lǐng)域，適用于面向非結(jié)構(gòu)化道路的鉸接式車輛，涉及車身姿態(tài)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種油氣互聯(lián)isd懸架車身姿態(tài)半主動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、車輛姿態(tài)調(diào)節(jié)的研究與應(yīng)用由來已久，車輛姿態(tài)調(diào)節(jié)對提高其機(jī)動(dòng)性意義重大。在叢林、山地行駛時(shí)，車體位置升高可使車輛通過各種復(fù)雜障礙路面；車輛需要批量轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸時(shí)，降低車體位置能使車輛適應(yīng)更多的運(yùn)輸載體，降低車的重心可穩(wěn)固車身；在平坦路而上行駛時(shí)將車身調(diào)低，可提高車輛行駛的穩(wěn)定性；駕駛員根據(jù)不同路面通過顯控終端對車身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可使車輛在不同的路而保持優(yōu)異的行駛性能。車身姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車輛高、中、低、側(cè)傾、俯仰等姿態(tài)的調(diào)節(jié)，其核心是油氣彈簧組件。通過設(shè)置連接方式和適時(shí)控制油路打開、關(guān)閉，可以進(jìn)行油氣彈簧的支撐尺寸的調(diào)整，以達(dá)到車體姿態(tài)調(diào)整的目的。

2、目前油氣懸架車輛的車身姿態(tài)屬于被動(dòng)控制，不能根據(jù)車輛的行駛工況實(shí)施調(diào)整，導(dǎo)致車輛制動(dòng)俯仰角較大同時(shí)轉(zhuǎn)向過程中側(cè)傾角較大，影響了車輛行駛的平順性及行駛安全性。與傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)相比，互聯(lián)懸架能夠在保證乘坐舒適性的前提下，有效提高車輛的整車操縱穩(wěn)定性，比如懸架前后互聯(lián)能夠有效的提高抗俯仰性能，而左右互聯(lián)則能夠優(yōu)化整車抗側(cè)翻性能。

3、被動(dòng)懸架由于剛度、阻尼等技術(shù)參數(shù)不可調(diào)，在匹配設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只能針對某一路況達(dá)到性能最優(yōu)，在變工況的情形下始終存在著操穩(wěn)性和平順性難以協(xié)調(diào)的矛盾，無法對復(fù)雜路面做出更好的性能反應(yīng)。主動(dòng)懸架是通過設(shè)置外部能量源，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一個(gè)額外的輸出力，從而主動(dòng)控制整體的懸架輸出力，使得車輛處于最佳減振狀態(tài)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗較高，導(dǎo)致其生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本較高，工作穩(wěn)定性和可靠性也較差，這些都極大地限制了主動(dòng)懸架的研究與應(yīng)用。因此，半主動(dòng)懸架因其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、能耗低和性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅可以用于商用車，也可以用于乘用車和特種車輛等領(lǐng)域。

4、與此同時(shí)，由于面向非結(jié)構(gòu)化道路，鉸接式車輛易產(chǎn)生顛簸，慣容器具有低頻大振幅減振作用，可以抑制低頻振動(dòng)，提高車輛的平順性和乘坐舒適性，對大型工程車輛的懸架研究具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本專利的目的是為了降低鉸接式車輛在非結(jié)構(gòu)化道路上的俯仰角和側(cè)傾角，以應(yīng)對泥濘路面、礦區(qū)復(fù)雜路面和盤山公路等復(fù)雜工況，并避免鉸接點(diǎn)因存在限位而被損壞，為此提供了一種基于油氣互聯(lián)1sd懸架的車身姿態(tài)半主動(dòng)控制方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為，一種鉸接式車輛油氣互聯(lián)isd懸架車身姿態(tài)半主動(dòng)控制系統(tǒng)，包括兩位兩通電磁閥、兩位四通電磁閥、三位四通電磁閥、螺旋管、電磁比例閥、流量傳感器、plc控制器、車身姿態(tài)監(jiān)測裝置和六個(gè)油氣液壓缸，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)整個(gè)方法的功能：

3、1.首先，設(shè)計(jì)油氣互聯(lián)isd懸架系統(tǒng)，所述油氣液壓缸a和油氣液壓缸b安裝于駕駛艙車身與駕駛艙所在車輪之間，這兩個(gè)油氣液壓缸的無桿腔連接有兩條不同油路，有桿腔連接有一條油路，油氣液壓缸a無桿腔其中的一條油路和有桿腔的油路分別與三位四通電磁換向閥的兩個(gè)端口相連，經(jīng)電磁閥后，電磁閥另外兩個(gè)端口與中間的兩個(gè)螺旋管相串聯(lián)，螺旋管的另外一端與油氣液壓缸b無桿腔其中的一條油路和有桿腔的油路相通，實(shí)現(xiàn)不同工況下對應(yīng)液壓缸的腔室的連通，并將兩個(gè)螺旋管都并聯(lián)一個(gè)電磁比例閥和一個(gè)流量傳感器。油氣液壓缸c、油氣液壓缸d、油氣液壓缸e和油氣液壓缸f安裝于載貨艙與載貨艙所在車輪之間。油氣液壓缸a無桿腔另外一條油路經(jīng)兩位兩通電磁閥d與油氣液壓缸c的無桿腔相連，油氣液壓缸b無桿腔另外一條油路經(jīng)兩位兩通電磁閥f與油氣液壓缸d的無桿腔相連；同時(shí)，油氣液壓缸c和油氣液壓缸d的無桿腔經(jīng)兩位兩通電磁閥e相連，油氣液壓缸e和油氣液壓缸f的無桿腔經(jīng)兩位兩通電磁閥g相連。再將油氣液壓缸c和油氣液壓缸d的無桿腔和有桿腔分別與兩位四通電磁閥b和c的兩端相連，電磁閥b和c的另外兩端分別與油氣液壓缸f和油氣液壓缸e的無桿腔和有桿腔相連。

4、2.建立鉸接點(diǎn)位于牽引車后軸中點(diǎn)處的鉸接式車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包括牽引車和半掛車。通過牽引車前軸中點(diǎn)of、后軸中點(diǎn)og、掛車軸中點(diǎn)og以及鉸接點(diǎn)ar在大地坐標(biāo)系下的幾何關(guān)系推導(dǎo)出車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，它們坐標(biāo)分別為of(xf，yf)、oq(xr，yr)、og(xg，yg)、ar(xa，ya)。

5、步驟2-1：由分析可知，牽引-半掛車為非完整約束系統(tǒng)，即控制量的個(gè)數(shù)小于狀態(tài)量的個(gè)數(shù)，車輛橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)始終耦合。

6、

7、式中，為車輛縱向運(yùn)動(dòng)速度，為車輛橫向運(yùn)動(dòng)速度，θ為車輛航向角。

8、步驟2-2：不考慮側(cè)向滑動(dòng)，牽引車-半掛車所有車軸中點(diǎn)軸向速度為零，則滿足以下等式：

9、

10、式中θ0為牽引車的航向角，θ1為掛車航向角，δf為牽引車等效前輪轉(zhuǎn)角。

11、步驟2-3：以牽引車后軸中點(diǎn)oq為參考點(diǎn)，根據(jù)幾何位置關(guān)系，建立牽引車后軸中點(diǎn)oq(xr，yr)與鉸接點(diǎn)ar(xa，ya)之間的關(guān)系如下式(3)所示：

12、xa＝xf

13、ya＝y(tǒng)r??(3)

14、步驟2-4：根據(jù)幾何位置關(guān)系，建立牽引車后軸中點(diǎn)oq(xr，yr)，與牽引車前軸中點(diǎn)of(xf，yf)之間的關(guān)系如下式(4)所示：

15、xf＝xr+lcosθ0

16、yf＝y(tǒng)r+lsinθ0??(4)

17、式中，l為牽引車軸距，θ0為牽引車的航向角。

18、步驟2-5：根據(jù)幾何位置關(guān)系，建立牽引車后軸中點(diǎn)oq(xr，yr)與掛車軸中點(diǎn)og(xg，yg)之間的關(guān)系如下式(5)所示：

19、xg＝xr-ltcosθ1

20、yg＝y(tǒng)r-ltsinθ1??(5)

21、式中，lt為鉸接點(diǎn)與掛車軸中點(diǎn)距離，θ，為掛車航向角。

22、假設(shè)牽引車后軸中點(diǎn)oq(xr，yr)車速為v0，車輛前輪轉(zhuǎn)角為δf，則牽引車后軸中點(diǎn)oq在大地坐標(biāo)系下的橫縱車速可以表示為式(6)所示：

23、

24、式中，v0為車輛后軸中點(diǎn)車速，θ0為牽引車的航向角。

25、步驟2-6：通過對等式(4)進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出牽引車前軸中點(diǎn)of的速度關(guān)系式，如下式(7)所示：

26、

27、式中，l為牽引車軸距，θ0為牽引車的航向角。

28、步驟2-7：通過對等式(5)進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出掛車軸中點(diǎn)og的速度關(guān)系式，如下式(8)所示：

29、

30、式中，lt為鉸接點(diǎn)與掛車軸中點(diǎn)距離，θ，為掛車航向角。

31、步驟2-8：將等式(7)帶入等式(2)，化簡可得牽引車橫擺角速度表達(dá)式(9)：

32、

33、θ0為牽引車航向角，δf為牽引車前輪轉(zhuǎn)角。

34、步驟2-9：將等式(8)帶入等式(2)，化簡可得：

35、

36、v0為車輛后軸中點(diǎn)車速，θ0為牽引車航向角，θ1為半掛車航向角，l為牽引車軸距，lt為鉸接點(diǎn)與掛車軸中點(diǎn)距離。

37、步驟2-10：根據(jù)上文推導(dǎo)，將等式整合，則鉸接點(diǎn)位于牽引車后軸中點(diǎn)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

38、

39、等式(11)中，v0為車輛后軸中點(diǎn)車速，θ0為牽引車航向角，θ1為半掛車航向角，l為牽引車軸距，lt為鉸接點(diǎn)與掛車軸中點(diǎn)距離，δf為牽引車前輪轉(zhuǎn)角。

40、然后，建立電磁比例閥的數(shù)學(xué)模型。在該懸架系統(tǒng)中，電磁比例閥起到半主動(dòng)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器的作用，通過與螺旋管并聯(lián)，可以調(diào)整電磁比例閥的開度來改變電磁比例閥本身以及螺旋管中的流量，從而通過分流法改變懸架輸出力，本文采用的電磁比例閥及其閥芯結(jié)構(gòu)如圖所示。

41、流經(jīng)電磁比例閥的流量與電磁比例閥的開度以及兩端的壓力之間的關(guān)系通過以下公式描述：

42、

43、h＝x0+x????(14)

44、

45、式中，cd為電磁比例閥的流量系數(shù)；ad(h)為電磁比例閥的流通面積；ai為螺旋管的橫截面積；h為電磁比例閥開度；pcr為最小湍流壓力；recr為初始雷諾數(shù)；v為流體運(yùn)動(dòng)粘度；dh為電磁比例閥的瞬時(shí)液壓直徑；xo為初始開度；x為閥芯球體相對初始位置的位移；aleak為泄漏面積；amax為最大開度；r0、d0分別為孔口半徑和直徑；rb、db分別為閥芯球體地半徑和直徑；q1為流經(jīng)電磁比例閥的流量；q2為流經(jīng)螺旋管的流量；p1為電磁比例閥和螺旋管的前段壓力；p2為電磁比例閥和螺旋管后端的壓力；μ為油液的黏度系數(shù)；r為螺旋管內(nèi)徑；ρ為油液密度；d為電磁比例閥的液壓直徑；hmax為電磁比例閥最大開度。

46、由于本文不考慮系統(tǒng)中的湍流壓力損失，因此認(rèn)為pcr的值為零，進(jìn)一步可以表示為：

47、

48、因此電磁比例閥的阻尼特性視為與阻尼閥一致。所以電磁比例閥兩端的壓降△pe可以表示為：

49、

50、由于電磁比例閥與螺旋管并聯(lián)連接，因此根據(jù)流體力學(xué)，電磁比例閥兩端的壓降與螺旋管兩端壓降相等，因此流經(jīng)電磁比例閥和螺旋管的流量之間的關(guān)系為：

51、

52、通過求解式(22)進(jìn)一步可得：

53、

54、其中，l為螺旋管拉直后長度；ai為螺旋管的橫截面積；μ為油液的黏度系數(shù)；ab為螺旋管的流通面積。

55、3.設(shè)計(jì)車身姿態(tài)監(jiān)測裝置，所述車身姿態(tài)監(jiān)測裝置是由陀螺儀傳感器、加速度傳感器和車身高度傳感器組成，分別在駕駛室和載貨車廂安裝車身姿態(tài)監(jiān)測裝置。通過兩個(gè)陀螺儀分別測量出某一時(shí)間段內(nèi)駕駛艙和載貨艙側(cè)傾或者俯仰的角速度，再將其積分即可得到側(cè)傾或者俯仰角度，但是積分運(yùn)算得來的角度本身就存在誤差，隨著時(shí)間的累加，誤差會(huì)加劇，此時(shí)就需要加速度傳感器輔助計(jì)算出駕駛艙與載貨艙的姿態(tài)角度，此時(shí)再將計(jì)算所得數(shù)據(jù)送入控制器加以分析，得到兩個(gè)艙室因同時(shí)存在側(cè)傾而產(chǎn)生的角度θ1和因同時(shí)存在俯仰而產(chǎn)生的角度δ1以及車身振動(dòng)頻率f0，并與提前設(shè)定好的側(cè)傾角θ0、俯仰角δ0和車身低頻振動(dòng)閾值f1、高頻振動(dòng)閾值f2相比較，若超過閾值，則按照預(yù)先設(shè)定的策略，通過改變電磁閥的位置和電磁比例閥的開度，對其加以控制，實(shí)現(xiàn)工況的切換和抑制振動(dòng)的目的。

56、4.加入plc控制器，plc控制器部分包括plc控制器1、鋰電池2、電量檢測模塊3，plc控制器1的電源端和電量檢測模塊3分別與鋰電池2的電源端電連接，plc控制器1和電量檢測模塊3電連接，各個(gè)電磁閥、電磁比例閥、流量傳感器、車身姿態(tài)檢測裝置的控制端分別與plc控制器1的i/o端口電連接。流量傳感器a、b和車身姿態(tài)檢測裝置a、b所測得數(shù)據(jù)作為輸入，連接到輸入接口13～16，電磁比例閥a、b和電磁閥a～g連接到輸出接口。

57、5.通過由車身姿態(tài)監(jiān)測裝置收集車身縱、橫向加速度和角速度信號，將其發(fā)送到plc控制器當(dāng)中，控制器根據(jù)當(dāng)前車輛的狀態(tài)參數(shù)與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的閾值比較，判斷是否為泥濘路面工況、礦區(qū)復(fù)雜路面工況和盤山公路工況，調(diào)整電磁閥對應(yīng)的工作位置，實(shí)現(xiàn)不同工況下油氣回路中油液的不同流向，本發(fā)明的油氣互聯(lián)系統(tǒng)分為三種工況，包括：泥濘路面工況、礦區(qū)復(fù)雜路面工況和盤山公路工況，為了方便闡述互聯(lián)油氣系統(tǒng)的工作原理，將油氣液壓缸a、b、c、d、e、f各自的無桿腔和有桿腔分別標(biāo)記為a1、a2、b1、b2、c1、c2、d1、d2、e1、e2、f1、f2，電磁比例閥a和b所對應(yīng)螺旋管為l1、l2。

58、5-1.泥濘路面工況：當(dāng)車輛在泥濘路面上行駛時(shí)，駕駛艙與載貨艙之間的鉸接點(diǎn)容易因路面沉降而導(dǎo)致鉸接點(diǎn)損壞，此時(shí)，車身姿態(tài)監(jiān)測裝置收集車身縱、橫向加速度、角速度和高度信號，將其發(fā)送到plc控制器當(dāng)中，經(jīng)計(jì)算后得到駕駛艙和載貨艙高度和俯仰角度，進(jìn)一步計(jì)算得到鉸接點(diǎn)角度，若鉸接點(diǎn)角度超過提前所設(shè)定的閾值，即δ1>δ0時(shí)，泥濘路面工況開始工作，電磁閥a由plc控制器發(fā)出的指令調(diào)至下位t端。油氣液壓缸a的無桿腔a1中的液壓油經(jīng)三位四通電磁閥a與螺旋管l1相通，再與液壓缸b的無桿腔b1相連，形成主油路la，此時(shí)無桿腔a1和b1互聯(lián)，油液相互流通；油氣液壓缸a2中的液壓油經(jīng)電磁閥a與螺旋管l2相通，再與液壓缸b的有桿腔b2相連，形成主油路lb，此時(shí)有桿腔a2和b2互聯(lián)。電磁閥d和f切換至t端，電磁閥開啟，電磁閥e和g置于o端，電磁閥b和c都處于t端，a1和b1中油液經(jīng)電磁閥d、f流通至c1、d1，此時(shí)液壓缸a、b分別與液壓缸c、d前后互聯(lián)，有效減小鉸接點(diǎn)的角度，防止損壞鉸接點(diǎn)。

59、5-2.礦區(qū)復(fù)雜路面工況：當(dāng)車輛在礦區(qū)行駛時(shí)，由于路面狀況較為復(fù)雜，路面沉降和路面突起較多，同時(shí)也易產(chǎn)生俯仰和側(cè)傾，此時(shí)，車身姿態(tài)監(jiān)測裝置收集車身縱、橫向加速度、角速度和高度信號，將其發(fā)送到plc控制器當(dāng)中，經(jīng)計(jì)算后得到駕駛艙和載貨艙側(cè)傾或俯仰角度，若側(cè)傾和俯仰角度超過提前所設(shè)定的閾值，即δ1>δ0且θ1>θ0時(shí)，電磁閥a、b、c調(diào)至上位p端，電磁閥d、e、f、g都置于o端。油氣液壓缸a的無桿腔a1中的液壓油經(jīng)換向閥a流入螺旋管l2，再流通至液壓缸b的有桿腔，形成主油路lc，此時(shí)無桿腔a1與有桿腔b2互聯(lián)，油液相互流通；而有桿腔a2中的油液經(jīng)換向閥a流入螺旋管l1，再流通至液壓缸b的無桿腔，形成主油路ld，此時(shí)有桿腔a2與無桿腔b1互聯(lián)，油氣液壓缸a和b左右反向互聯(lián)。油氣液壓缸c的無桿腔c1中的油液經(jīng)電磁閥b流至液壓缸f的有桿腔f2，c2中的油液經(jīng)電磁閥b流入f1；油氣液壓缸d的無桿腔d1中的油液經(jīng)電磁閥c流入液壓缸e的有桿腔e2，d2中的油液經(jīng)電磁閥c流入e1，此時(shí)載貨艙所在的四個(gè)液壓缸四角x型互聯(lián)，同時(shí)提高其抗側(cè)傾和抗俯仰性能。

60、5-3：盤山公路工況：當(dāng)車輛在盤山公路上行駛時(shí)，車身姿態(tài)監(jiān)測裝置收集的車身縱、橫向加速度和角速度信號經(jīng)plc控制器計(jì)算分析過后，若車輛長時(shí)間處于側(cè)傾狀態(tài)，即θ1>θ0時(shí)，切換至盤山公路工況，此時(shí)plc控制器將電磁閥a切換至工作端p，電磁閥b和c切換至t端，電磁閥d和f置于o端，電磁閥e和g置于t端。駕駛艙的主油路lc、ld連通，液壓缸a和b左右反向互聯(lián)。液壓缸c的無桿腔c1中的油液經(jīng)電磁閥e流入液壓缸d的無桿腔d1，無桿腔e1中的油液經(jīng)電磁閥g流入液壓缸f的無桿腔f1，此時(shí)液壓缸c和d左右互聯(lián)，液壓缸e和f左右互聯(lián)，提高其抗側(cè)傾性能。

61、6.在互聯(lián)油路中加入螺旋管式慣容器，螺旋管中的油液以較大的速度螺旋流動(dòng)，從而放大螺旋管中油液的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；油氣彈簧集成了阻尼閥，能夠與蓄能器匹配使用，蓄能器中的氮?dú)庾鳛閺椥越橘|(zhì)通過氣體壓縮膨脹儲(chǔ)存或釋放彈性勢能，兩者結(jié)合能同時(shí)起到緩沖與減振的作用?；谛聶C(jī)電相似理論，通過油液這一介質(zhì)，三者的有機(jī)結(jié)合能發(fā)揮慣容器能夠有效衰減低頻振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)明顯，改善車輛的行駛平順性與道路友好性。

62、7.在油氣互聯(lián)回路中將螺旋管并聯(lián)一個(gè)電磁比例閥和一個(gè)流量傳感器，流量傳感器檢測并聯(lián)油路中的油量，控制器可以按照預(yù)先設(shè)定好的控制策略控制電磁比例閥的開度，從而改變流經(jīng)螺旋管的油液流量，綜合調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的阻尼力和慣性力，實(shí)現(xiàn)懸架輸出力的可調(diào)，達(dá)到適應(yīng)不同工況的目的。當(dāng)車輛低頻振動(dòng)，即f0<f1時(shí)，可以適當(dāng)減小電磁比例閥的開度h，促使流經(jīng)螺旋管的流量相應(yīng)增加，這種調(diào)整充分利用了慣容器在低頻振動(dòng)中的衰減優(yōu)勢，有效抑制了低頻振動(dòng)對車輛穩(wěn)定性的影響；當(dāng)車輛處于高頻振動(dòng)，即f0>f2時(shí)，可以調(diào)大電磁比例閥的開度h，從而減少或阻斷流經(jīng)螺旋管中的流量，從而避免慣容器在高頻振動(dòng)中產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)。

63、8.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

64、(1).與被動(dòng)懸架相比，本發(fā)明可以更好的應(yīng)對泥濘道路、礦區(qū)復(fù)雜道路和盤山公路等工況，降低俯仰側(cè)傾角，防止側(cè)翻；

65、(2).同時(shí)，可以通過電磁比例閥實(shí)現(xiàn)對懸架的半主動(dòng)控制，以應(yīng)對復(fù)雜的工況，提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性；

66、(3).根據(jù)車身姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，避免側(cè)傾或俯仰角度過大而損壞鉸接點(diǎn)，提升了車輛的行駛安全性。