一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架及其系统和车辆

1.本实用新型涉及车辆悬架技术领域，尤其涉及一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架及其系统和车辆。


背景技术：

2.汽车悬架系统是连接车轮和车身的系统。悬挂系统主要有两个用途。第一个目的是隔离道路激励产生的冲击和振动，以保护乘员免受乘坐不适。第二个目的是保持车轮与路面接触，以提高车辆的稳定性和安全性。一般来说，车辆悬架根据能耗和控制力可分为三种类型，即被动式、半主动式和主动式悬架。被动悬架一般由减振器和弹簧组成。被动悬架系统由于刚度阻尼参数不可调节，致使乘坐舒适性和操控性能之间存在冲突。主动悬架结构复杂，且价格昂贵、能耗高，限制了它的推广。相比于主动悬架和被动悬架，半主动悬架由于其需要的外部输入能量低，响应时间快，逐渐成为理论研究与工程领域关注的焦点。
3.车辆减振器阻尼力的大小直接决定底盘悬架的操作稳定性和乘坐舒适性，但是操作性和舒适性对阻尼力的需求又往往存在矛盾。减振器阻尼力大时，汽车悬架的操作性越好，但是乘坐舒适性则会降低，适用于急加速、急刹车、急转弯、通过凹坑路面等情况，有利于减少车身的侧倾、俯仰和车轮跳动。减振器阻尼力小时，汽车的乘坐舒适性提高，但是操作性能会相应下降，适用于崎岖不平的山路。可调式减振器能根据路况、车速、载重、运动方式变化选择合适的阻尼系数，不仅能使车轮与路面随时贴合，还能保证车身尽量平稳，实现操作性和舒适性的平衡，是车辆减振器未来的发展方向。
4.惯容器是一种具有两个端子的机械装置，具有相位超前及通高频、阻低频的特性。2002年，英国剑桥大学的史密斯教授提出了一种具有双端点的质量元件－－惯容器，实现了机电关系的严格对应，促进了悬架形式的突破与发展。惯容器是一种两端点相对加速度与其所受的力成正比的特殊元件，能以较小的自身质量模拟较大的“虚质量”，与传统质量元件相比，其尺寸和自身质量更小，将其应用减振机构中，能够突破传统弹簧、阻尼减振结构对减振性能的限制，调节减振机构的固有特性，进一步优化减振性能。目前惯容器已经在多个领域实现了应用，经过实验研究有效证明了其优越的隔振性能。然而，当前市场上惯容器的惯容系数不可调，且多使用体积较大的飞轮来实现，空间占用较大且不容易布置。因此，现有技术仍有亟待解决的一个或多个技术问题。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本实用新型时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本实用新型提供了一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架及其系统和车辆，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架，包括：
8.包括通过液压管路互连的液压缸、液压马达和发电机，以及作为发电机外接负载的阻尼、惯容调节电路，
9.其中，液压缸、液压马达和发电机依次连接，阻尼、惯容调节电路连接至发电机的输出端。
10.优选地，本发明中，阻尼、惯容调节电路包括与发电机模块可切换地连通的第一可调电阻和第二可调电阻。
11.优选地，本发明中，发电机模块包括发电机、电机内部电阻和电机内部电感。
12.优选地，本发明中，第一可调电阻包括与发电机模块电性连接的一个或多个moseft和固定值电阻。
13.优选地，本发明中，第二可调电阻包括一个或多个moseft、固定阻值电阻和固定值电容。
14.优选地，本发明提供的半主动悬架还包括蓄能器，蓄能器通过液压管路连通液压缸的上、下出油口。
15.优选地，本发明提供的半主动悬架还包括电性连接于阻尼、惯容调节电路的控制信号输出装置，控制信号输出装置配置为：
16.向第一可调电阻的一个或多个moseft或第二可调电阻的一个或多个moseft发送具有不同占空比的pwm信号；或者
17.向第一可调电阻的一个或多个moseft或第二可调电阻的一个或多个moseft分别施加不同大小的电平。
18.优选地，本发明提供一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架系统，包括：
19.前述的半主动悬架，其可操作地同悬架弹簧、悬架减振器连接于簧上质量和簧下质量之间；
20.控制器，被配置为：向第一可调电阻的一个或多个moseft或第二可调电阻的一个或多个moseft发送具有不同占空比的pwm信号；或者
21.向第一可调电阻的一个或多个moseft或第二可调电阻的一个或多个moseft分别施加不同大小的电平。
22.优选地，本发明提供的刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架系统还包括一个或多个加速度传感器，一个或多个加速度传感器设置于簧上质量和簧下质量之上，用于获取簧上质量的簧载质量运动状态信号和簧下质量的非簧载质量运动状态信号。
23.优选地，本发明还提供一种车辆，该车辆可包括本实用新型所提供的刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架或半主动悬架系统。
24.本实用新型的有益技术效果包括：本实用新型提供一种阻尼和惯容均可调的半主动悬架，其包括液压油缸、蓄能器、液压马达、发电机、电机内部电感、电机内部电阻、可调电阻以及电容，各悬架元件通过液压管路互连。本实用新型中，车辆控制器可根据车辆具体模态通过使用mosfet来切换发电机的外接负载，实现快速响应的目的，从而确定系统进入阻尼调节或是惯容模式，当半主动悬架处于阻尼可调模式时，通过控制电阻阻值的大小可以控制本实用新型的悬架系统的阻尼大小；或当半主动悬架处于惯容可调的模式时，通过控
制电阻阻值的大小可以控制本实用新型的悬架系统的惯容大小。本实用新型即可以使用pwm波信号来控制mosfet以实现电阻值的连续调节，也可以使用高低电平信号来控制mosfet以实现电阻值的分级调节，以能够根据理想惯容力或阻尼力与实际输出力间的实际差值关系实现惯容或阻尼的连续或分级调节，从而提升车辆对各种路况载荷的适应能力，并提高车辆在各种路况下的平顺性。
附图说明
25.图1是本实用新型提供的一种优选实施方式的半主动悬架的结构示意图；
26.图2是本实用新型提供的一种优选实施方式的通过pwm信号来实现电阻连续可调功能的电路原理图；
27.图3是本实用新型提供的一种优选实施方式的通过切换mosfet开关方式来实现电阻分级可调的功能的电路原理图；
28.图4示出了在本实用新型提供的一种优选实施方式的半主动悬架处于惯容可调模式，不同电阻r
e2
下液压作动器的力-位移特性关系曲线；
29.图5示出了在本实用新型提供的一种优选实施方式的半主动悬架处于惯容可调模式，不同电阻r
e2
下液压作动器的力-加速度特性关系曲线；
30.图6示出了在本实用新型提供的一种优选实施方式的半主动悬架处于阻尼可调模式，不同电阻r
e1
下液压作动器的的力-速度特性关系曲线；
31.图7是本实用新型提供的一种优选实施方式的半主动悬架系统应用在四分之一车的结构原理图；
32.图8是具有本实用新型提供的一种优选实施方式的半主动悬架的整车系统的结构原理图。
33.附图标记列表
34.1-1：液压缸；1-2：蓄能器；1-3：液压马达；1-4：发电机；1-5：电机内部电感；1-6：电机内部内阻；1-7：第一可调电阻；1-8：第二可调电阻；1-9：电容；2-1：发电机；2-2：电机内部电阻；2-3：电机内部电感；2-4：moseft；2-5：固定阻值电阻；2-6：固定值电容；2-7：moseft；2-8：固定阻值电阻；2-9：控制信号输出装置；3-1：发电机；3-2：电机内部电阻；3-3：电机内部电感；3-4：moseft；3-5：固定阻值电阻；3-6：固定值电容；3-7：固定阻值电阻；3-8：moseft；3-9：moseft；3-10：moseft；3-11：固定阻值电阻；3-12：固定阻值电阻；6-1：簧上质量；6-2：悬架弹簧；6-3：悬架减振器；6-4：半主动悬架；6-5：簧下质量；6-6：轮胎等效弹簧；6-7：路面；7-1：车身；7-2：悬架弹簧；7-3：轮胎；7-4：路面；7-5：半主动悬架；7-6：悬架减振器。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
36.本实用新型提供了一种阻尼、惯容可调的半主动悬架，该半主动悬架可安装在车身和车轮之间。或者，本实用新型提供的半主动悬架可连接于车身和车轴之间。优选地，通过本实用新型的阻尼、惯容可调的半主动悬架，可以显著优化车辆的减振性能。
37.根据一种优选实施方式，参见图1，本实用新型提供一种半主动悬架，该半主动悬
架可以包括液压缸1-1、蓄能器1-2、液压马达1-3、发电机1-4、电机内部电感1-5(li)、电机内部电阻1-6(ri)、第一可调电阻1-7(r
e1
)、第二可调电阻1-8(r
e2
)、电容1-9(c)以及若干液压管。特别地，在本实施例中，电机内部电感1-5(li)、电机内部电阻1-6(ri)、第一可调电阻1-7(r
e1
)、第二可调电阻1-8(r
e2
)以及电容1-9(c)组成阻尼、惯容可调电路，以用于调节系统阻尼或惯容。
38.根据一种优选实施方式，如图1所示，液压缸1-1可以布设在车体与车轴之间。进一步地，液压缸1-1一端可与车轴相连。液压缸1-1另一端可与车体相连。具体而言，液压缸1-1可以包括活塞杆及配合活塞杆使用的缸筒。活塞杆和缸筒中的一个连接于车架，另一个则连接于车桥。特别地，活塞杆与缸筒经驱动能够产生相对运动，以对缸筒内的流体产生作用。具体而言，液压缸1-1可以是单出杆液压缸。液压缸1-1也可以是双出杆液压缸。
39.根据一种优选实施方式，如图1所示，液压缸1-1的上出油口和/或下出油口的液压管处可布置有蓄能器1-2。优选地，蓄能器1-2可起到缓冲和补充液压油的作用。具体地，蓄能器1-2可以吸收由液压缸1-1的上、下腔之间的面积差所产生的多余油液。特别地，蓄能器1-2可以是隔膜式蓄能器。蓄能器1-2也可以是活塞式蓄能器。
40.根据一种优选实施方式，如图1所示，液压马达1-3与发电机1-4的转轴通过联轴器(图中未示出)连接。特别地，液压马达1-3可以是摆线液压马达、齿轮液压马达或其他形式的液压马达。发电机1-4可以是直流电机或者交流电机。
41.根据一种优选实施方式，在液压缸1-1的上、下腔因路面颠簸而产生相对运动之时，液压缸1-1的活塞杆运动带动油液流动。进一步地，流动的油液经过液压马达1-3时将驱动液压马达1-3旋转。特别地，由于液压马达1-3与发电机1-4的转轴通过联轴器连接，因此液压马达1-3的旋转将驱动发电机1-4做旋转运动。发电机1-4的转子相对于定子做切割磁感线的运动从而可以在外端电路产生感应电压。
42.根据一种优选实施方式，通过对系统进行分析可得油缸输出力f为：
[0043][0044]
其中，a
up
，a
low
是油缸上下腔的面积；p1，p2是油缸上下腔的油压；δp是油缸上下腔的压力差。d
p
是活塞杆的直径。
[0045]
液压马达的流量q
m1
可以计算为：
[0046][0047]
其中，v是油缸活塞的速度，d是液压马达的排量，ωm是液压马达的转速，ηv是液压马达的容积效率。
[0048]
液压马达的力矩t
m1
可以计算为：
[0049]
t
m1
＝δp
md[0050]
其中，t
m1
是液压马达因为出入口之间δpm的压力差而形成的转矩。
[0051]
结合以上公式，可得油缸输出力f为：
[0052][0053]
其中，ηm是液压马达的机械效率，k
t
是发电机的力矩常数，i是发电机产生的电流。
[0054]
对公式(3)进行laplace变换可得：
[0055][0056]
发电机的输出电压e可以计算为：
[0057][0058]
其中，ke是发电机的发电常数。
[0059]
对公式(5)进行laplace变换可得：
[0060][0061]
结合公式(4)和(6)，可得系统的导纳ym和电路的导纳ye之间的关系为：
[0062][0063]
当r
e1
＝∞，r
e2
可调时，通过分析电路，可得电路的导纳ye为：
[0064][0065]
则系统的导纳ym为：
[0066][0067]
通过公式(9)可得系统此时的等效惯容系数bm为：
[0068][0069]
通过公式(10)可以看到等效惯容系数bm可以通过调节电阻r
e2
的值而改变。
[0070]
当r
e2
＝∞，r
e1
可调时，通过分析电路，可得电路的导纳ye为：
[0071][0072]
则系统的导纳ym为：
[0073][0074]
通过公式(12)可得系统此时的等效阻尼系数cm为：
[0075][0076]
通过公式(13)可以看到等效阻尼系数cm可以通过调节电阻r
e1
的值而改变。
[0077]
根据一种优选实施方式，本实用新型中，可以通过mosfet来切换发电机1-4的外接负载，以实现快速响应的目的。具体地，当发电机1-4的外部负载电路有电阻(如r
e2
)和电容的时候，此时半主动悬架处于惯容控制模式，通过控制电阻r
e2
阻值的大小可以控制本实用新型所述的半主动悬架的惯容大小。另一方面，当发电机1-4的外部负载电路只有电阻(如r
e1
)的时候，此时半主动悬架处于阻尼控制模式，通过控制电阻r
e1
阻值的大小可以控制本实用新型所述的半主动悬架的阻尼大小。
[0078]
根据一种优选实施方式，图2示出了本实用新型所述的通过pwm和mosfet来实现电阻或惯容连续可调功能的电路原理图。具体地，发电机模块分别与电容连续调节模块和电阻连续调节模块并联。控制信号输出装置2-9电性连接于电容连续调节模块。控制信号输出装置2-9电性连接于电阻连续调节模块。特别地，电阻连续调节模块可等效为图1中第一可调电阻1-7(r
e1
)部分。电容连续调节模块可等效为图1中第二可调电阻1-8(r
e2
)和电容1-9
部分。
[0079]
具体而言，参见图2，发电机模块可包括发电机2-1、电机内部电阻2-2和电机内部电感2-3。电容连续调节模块可包括mosfet2-4、固定阻值电阻2-5和固定值电容2-6。电阻连续调节模块可包括mosfet2-7和固定阻值电阻2-8。
[0080]
特别地，以mosfet2-4为例，当使用控制信号输出装置2-9给mosfet2-4提供不同占空比的pwm波信号时，mosfet2-4打开或关闭的频率被改变，此时可以改变电路的等效电阻。换而言之，控制信号输出装置2-9可以使用pwm波信号来控制mosfet以实现电阻值的连续调节。进一步地，当电容连续调节模块部分的电阻值改变时，系统的惯容(如上述等效惯容系数bm)改变。
[0081]
另一方面，当通过控制信号输出装置2-9将mosfet2-4关断，以将发电机模块的外部负载切换至电阻连续调节模块时，mosfet2-7打开，此时发电机模块的外部负载只有电阻(即固定阻值电阻2-8)，系统处于阻尼控制模式。进一步地，控制信号输出装置2-9可通过给mosfet2-7提供不同占空比的pwm波信号以改变mosfet2-7打开或关闭的频率被改变，此时可以改变电路的等效电阻，从而实现电阻值的连续调节。当电阻连续调节模块部分的电阻值改变时，系统的阻尼(如上述等效阻尼系数cm)改变。
[0082]
根据一种优选实施方式，图3示出了本实用新型所述的通过mosfet开关方式来实现电阻或惯容分级可调功能的电路原理图。具体地，发电机模块分别与电容分级调节模块和电阻分级调节模块并联。进一步地，控制信号输出装置2-9电性连接于电容分级调节模块。控制信号输出装置2-9电性连接于电阻分级调节模块。特别地，电阻分级调节模块可等效为图1中第一可调电阻1-7(r
e1
)部分。电容分级调节模块可等效为图1中第二可调电阻1-8(r
e2
)和电容1-9部分。
[0083]
具体而言，参见图3，发电机模块可包括发电机3-1、电机内部电阻3-2和电机内部电感3-3。电容分级调节模块可包括mosfet3-4、固定阻值电阻3-5、固定值电容3-6、固定阻值电阻3-7和mosfet3-8。电阻分级调节模块可包括mosfet3-9、mosfet3-1o和固定阻值电阻3-11和固定阻值电阻3-12。
[0084]
特别地，以mosfet3-4为例，当使用控制信号输出装置2-9给mosfet3-4提供高电平时，mosfet3-4打开或关闭，此时可以将mosfet3-4所连接的电阻(如固定阻值电阻3-5)与电路连接或断开，从而达到切换电路等效电阻的目的。换而言之，控制信号输出装置2-9可以通过使用高低电平信号来控制mosfet以实现电阻值的分级调节。特别地，当电容分级调节模块部分的阻值改变时，系统的惯容(如上述等效惯容系数bm)改变。
[0085]
另一方面，当通过控制信号输出装置2-9将将发电机模块的外部负载切换至电阻分级调节模块时，以mosfet3-9为例，控制信号输出装置2-9给mosfet3-9提供高电平时，mosfet3-9打开或关闭，此时可以将mosfet3-9所连接的电阻(如固定阻值电阻3-5)与电路连接或断开，从而达到切换电路等效电阻的目的。换而言之，控制信号输出装置2-9可以通过使用高低电平信号来控制mosfet以实现电阻值的分级调节。特别地，当电阻分级调节模块部分的阻值改变时，系统的阻尼(如上述等效惯容系数cm)改变。
[0086]
根据一种优选实施方式，相比于图2连续调节系统电阻或惯容，图3中电容分级调节模块和电阻分级调节模块各自包含多个mosfet和固定阻值电阻，控制信号输出装置2-9可通过在不同mosfet之间切换实现电阻或惯容的分级调节。
[0087]
根据一种优选实施方式，图4为在惯容可调模式下，通过调节电阻r
e2
后(如o.5ohm、1ohm、3ohm和3ohm)，液压作动器的力-位移特性关系曲线。特别地，液压作动器的力-位移特性关系曲线的负斜率可表示等效惯容系数bm。进一步地，图5为在惯容可调模式下，通过调节电阻r
e2
(如0.5ohm、1ohm、3ohm和3ohm)后，液压作动器的力-加速度特性关系曲线。
[0088]
具体地，参见图4和图5易知，液压作动器的力和位移的关系呈现负刚度特性，力和加速度的关系呈现正斜率，且力-位移特性关系曲线的斜率可以通过调节电阻r
e2
的值而改变，这表明系统的惯容(等效惯容系数bm)可以通过调节电阻r
e2
的值而改变。
[0089]
根据一种优选实施方式，图6为在阻尼可调模式下，通过调节电阻r
e1
后，液压作动器的力-速度特性关系曲线。特别地，液压作动器的力-速度特性关系曲线的负斜率可表示等效阻尼系数cm。
[0090]
具体地，参见图6易知，系统的力-速度特性关系曲线的斜率可以通过调节电阻r
e1
的值而改变，这表明系统的阻尼(等效阻尼系数cm)可以通过调节电阻r
e1
的值而改变。
[0091]
根据一种优选实施方式，图7示出了本实用新型提供的半主动悬架系统应用在四分之一车的结构原理图。具体地，半主动悬架系统可以包括簧上质量6-1(或簧载质量)、簧下质量6-5(或非簧载质量)、悬架弹簧6-2、悬架减振器6-3、轮胎等效弹簧6-6、本实施例所述的半主动悬架6-4以及车辆控制单元(如控制信号输出装置2-9，具体可以是汽车电子控制单元ecu)。特别地，参见图7，轮胎等效弹簧6-6位于路面6-7之上。
[0092]
根据一种优选实施方式，如图7所示，悬架弹簧6-2、悬架减振器6-3以及本实施例所述的半主动悬架6-4可设置在簧上质量6-1和簧下质量6-5之间。进一步地，簧上质量6-1和簧下质量6-5上可分别安装有一个或多个加速度传感器(图中未示出)。加速度传感器可用于获取簧上质量6-1和簧下质量6-5的加速度信号，并可将其发送至车辆控制单元(如控制信号输出装置2-9，具体可以是汽车电子控制单元ecu)。车辆控制单元(控制信号输出装置2-9)可以通过发送具有不同占空比的pwm波信号至mosfet实现电阻或惯容的连续调节。或者，车辆控制单元(如控制信号输出装置2-9)可以通过控制mosfet的开关实现电阻或惯容的分级调节。
[0093]
根据一种优选实施方式，车辆控制单元(如控制信号输出装置2-9，具体可以是汽车电子控制单元ecu)可以信号连接于半主动悬架6-4。
[0094]
根据一种优选实施方式，应当理解的是，为了获得用于控制车辆悬架惯容、阻尼的若干参数或信号，本实用新型的半主动悬架系统还应包含用于采集各项信号参数的若干种类的传感器。传感器可设置于半主动悬架内。具体而言，如一个或多个油缸位移传感器可并联安装在油缸的上、下两端，可用于测量油缸活塞杆相对缸体的位移。或者，如一个或多个压力传感器可安装在蓄能器的出口处，可用于测量蓄能器内油液压力。或者，一个或多个速度传感器可安装在油缸(液压缸1-1)的活塞杆上，可用于测量油缸活塞的速度。再或者，一个或多个车身姿态传感器可安装在车身质心处，以用于测量车身侧倾角与俯仰角等运动姿态。
[0095]
特别地，除上述传感器类型之外，本实用新型的半主动悬架系统还可包括但不限于用于测量车身侧倾角与俯仰角信号、方向盘转角信号、悬架线位移信号和油门制动踏板信号等若干信号参数的多种传感器。进一步地，各类传感器可与汽车电子控制单元(ecu)信号连接。汽车电子控制单元(ecu)可根据半主动悬架系统中一种或多种传感器的检测数据
根据上述计算并调节半主动悬架的惯容或阻尼。
[0096]
根据一种优选实施方式，当本实用新型所述的半主动悬架系统处于阻尼可调模式时，图7所示的悬架减振器6-3可以取消。换而言之，当本实用新型所述的半主动悬架系统处于阻尼可调模式时，半主动悬架系统可以承担悬架减振器6-3的部分功能。进一步地，当本实用新型所述的半主动悬架系统处于惯容可调模式时，图7所示的悬架减振器6-3不可取消。
[0097]
根据一种优选实施方式，图8示出了本实用新型提供的半主动悬架系统应用于整车系统时的结构原理图。具体地，图8所示的具有半主动悬架系统的整车系统包括安装在车身7-1下的悬架弹簧7-2、轮胎7-3、半主动悬架7-5以及悬架减振器7-6。进一步地，类似图6，悬架弹簧7-2、半主动悬架7-5和悬架减振器7-6可连接在簧载质量和非簧载质量之间。特别地，轮胎7-3可以为近似为轮胎的弹簧。或者，轮胎7-3可以为轮胎等效弹簧。具体地，轮胎7-3位于地面7-4之上。
[0098]
根据一种优选实施方式，当本实用新型所述的半主动悬架系统处于阻尼可调模式时，图8所示的悬架减振器7-6可以取消。换而言之，当本实用新型所述的半主动悬架系统处于阻尼可调模式时，半主动悬架系统可以承担悬架减振器7-6的部分功能。进一步地，当本实用新型所述的半主动悬架系统处于惯容可调模式时，图8所示的悬架减振器7-6不可取消。
[0099]
根据一种优选实施方式，整车系统下本实施例提供的半主动悬架系统可以使用模态能量法来进行控制。具体地，根据模态能量的知识，一个运动模式只能与外部环境交换能量，而不能与其他运动模式交换能量，每个运动模式都可以看作是一个独立的能量通道。每个模态下的动能e
ki
和势能e
pi
可以表示为：
[0100][0101][0102]
其中：
[0103][0104][0105][0106][0107][0108]
[0109]ks
＝[k
sa k
sbksc k
sd
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0110]kt
＝[k
ta k
tb k
tc k
td
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0111]
每个模态下的总能量为动能和势能的总合，即：
[0112]ei
＝e
ki
+e
pi
ꢀꢀꢀ
(24)
[0113]
所有模态下的能量总合为：
[0114][0115]
每个模态下的能量占比为：
[0116][0117]
根据一种优选实施方式，本实用新型中，当俯仰和侧倾模态下的能量占比最大时，系统进入阻尼连续/分级调节模式。另一方面，当垂向模态下的能量占比最大时，系统进入惯容连续/分级调节模式。
[0118]
具体地，在惯容连续/分级调节模式下，可使用天棚惯容控制策略，理想天棚惯容力为：
[0119][0120]
由半主动惯容器产生的力为：
[0121][0122]
具体而言，惯容控制的目标是找到最接近目标力的半主动力。进一步地，对于每个时间常数，连续/分级惯容天钩控制解决了以下最佳化问题：
[0123]
min|(f
semi_inertance
(t)-f
sky
(t))|
ꢀꢀ
(29)
[0124]
s.t.b(t)∈[b1，b2，b3，b4]
[0125]
特别地，b1，b2，b3，b4的具体值可以通过本实用新型提出的半主动悬架系统的特性得到。
[0126]
具体地，在阻尼连续/分级调节模式下，可使用天棚阻尼控制策略，理想天棚阻尼力为：
[0127][0128]
由半主动减振器产生的力为：
[0129][0130]
具体而言，天棚阻尼控制的目标是找到最接近目标力的半主动力。进一步地，对于每个时间常数，连续/分级阻尼天钩控制解决了以下最佳化问题：
[0131]
min|(f
semi_dampmg
(t)-f
sky
(t))|
ꢀꢀ
(32)
[0132]
s.t.b(t)∈[c1，c2，c3，c4]
[0133]
特别地，c1，c2，c3，c4的具体值可以通过本实用新型提出的半主动悬架系统的特性得到。
[0134]
根据一种优选实施方式，在车辆于路面行驶的过程中，车辆的姿态模式因实际路况的改变而在侧倾、俯仰及垂向之间切换。进一步地，车辆控制器可以根据车辆行驶过程中的车身姿态角或俯仰角、方向盘转角信号及悬架线位移信号等判断车辆行驶状态。具体而言，车辆控制器可以根据上述信号判断车辆构型模态。
[0135]
根据一种优选实施方式，加速度传感器可用于获取簧上质量6-1和簧下质量6-5的
加速度信号，车辆控制器可以根据簧上质量6-1和簧下质量6-5的加速度信号进行天棚惯容或阻尼调节。
[0136]
根据一种优选实施方式，车辆控制器可根据车身姿态角或俯仰角、方向盘转角信号及悬架线位移信号等信号判断车辆的构型模态。进一步地，车辆控制器可计算各构型模态的能量总合，以及侧倾模态、俯仰模态及垂向模态各自能量占比。
[0137]
根据一种优选实施方式，当俯仰模态和侧倾模态下的能量占比最大时，系统进入阻尼连续/分级调节模式。具体而言，车辆控制器可以通过切换moseft的方式切换将发电机的外接负载切换至电阻连续/分级调节模块，使得发电机的外接负载仅有电阻存在，从而使系统进入阻尼连续/分级调节模式。
[0138]
进一步地，在阻尼连续/分级调节模式中，车辆控制器可以根据天棚阻尼控制策略获取理想天棚阻尼力，如式(30)。具体而言，基于天棚阻尼控制策略，车辆控制器可以根据加速度传感器获取的簧载质量运动状态信号和/或非簧载质量运动状态信号获取理想天棚阻尼力。在阻尼连续/分级调节模式中，车辆控制器可以根据加速度传感器信号获取半主动减振器的实际输出力或力矩，如式(31)。具体而言，车辆控制器可以根据获取的簧载质量运动状态信号和/或非簧载质量运动状态信号获取半主动减振器的实际输出力。
[0139]
根据一种优选实施方式，在阻尼连续/分级调节模式中，阻尼控制的目标是找到最接近目标力的半主动力。具体地，理想天棚阻尼力和半主动减振器(如悬架减振器6-3、7-6)的实际输出力之间的差值af可以作为系统调节阻尼的反馈依据，具体可参见式(32)。特别地，阻尼调节是以理想天棚阻尼力和半主动减振器的实际输出力之间的差值af最小作为目标。
[0140]
根据一种优选实施方式，在阻尼连续调节模式下，基于天棚阻尼控制策略，车辆控制器可以根据理想天棚阻尼力和半主动减振器的实际输出力之间的差值af来追踪理想天棚阻尼力，并通过向电阻连续调节模块中的mosfet提供不同占空比的pwm波信号以使mosfet打开或关闭的频率被改变，使得电阻连续调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的连续调节。当电阻连续调节模块部分的电阻值改变时，等效阻尼系数cm改变，系统的阻尼改变。进一步地，系统阻尼值的改变通过负载电路反馈至液压作动器(油缸)，使得液压作动器(油缸)的力-速度关系改变。特别地，提供至mosfet的pwm波信号的占空比取决于理想天棚阻尼力和半主动减振器的实际输出力之间的差值δf。
[0141]
另一方面，在阻尼分级调节模式下，基于天棚阻尼控制策略，车辆控制器可以根据理想天棚阻尼力和半主动减振器的实际输出力之间的差值δf来追踪理想天棚阻尼力，并通过向电阻分级调节模块中的不同mosfet分别施加高低电平以使不同mosfet所连接的电阻与电路连接或断开，使得电阻分级调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的分级调节。当电阻分级调节模块部分的电阻值改变时，等效阻尼系数cm改变，系统的阻尼改变。进一步地，系统阻尼值的改变通过负载电路反馈至液压作动器(油缸)，使得液压作动器(油缸)的力-速度关系改变。特别地，提供至不同mosfet的电平值的取决于理想天棚阻尼力和半主动减振器的实际输出力之间的差值δf。
[0142]
根据一种优选实施方式，当垂向模态下的能量占比最大时，系统进入惯容连续/分级调节模式。具体而言，车辆控制器可以通过切换moseft的方式切换将发电机的外接负载切换至电容连续/分级调节模块，使得发电机的外接负载同时有电容和电阻存在，从而使系
统进入惯容连续/分级调节模式。
[0143]
进一步地，在惯容连续/分级调节模式中，车辆控制器可以根据天棚惯容控制策略获取理想天棚惯容力，如式(27)。具体而言，基于天棚惯容控制策略，车辆控制器可以根据加速度传感器获取的簧载质量运动状态信号和/或非簧载质量运动状态信号获取理想天棚惯容力。在惯容连续/分级调节模式中，车辆控制器可以根据加速度传感器信号获取半主动惯容器的实际输出力或力矩，如式(28)。具体而言，车辆控制器可以根据获取的簧载质量运动状态信号和/或非簧载质量运动状态信号获取半主动惯容器的实际输出力。
[0144]
根据一种优选实施方式，在惯容连续/分级调节模式中，惯容控制的目标是找到最接近目标力的半主动力。具体地，理想天棚惯容力和半主动惯容器的实际输出力之间的差值δf可以作为系统调节惯容的反馈依据，具体可参见式(29)。特别地，惯容调节是以理想天棚惯容力和半主动惯容器的实际输出力之间的差值δf最小作为目标。
[0145]
根据一种优选实施方式，在惯容连续调节模式下，基于天棚惯容控制策略，车辆控制器可以根据理想天棚惯容力和半主动惯容器的实际输出力之间的差值δf来追踪理想天棚惯容力，并通过向电容连续调节模块中的mosfet提供不同占空比的pwm波信号以使mosfet打开或关闭的频率被改变，使得电容连续调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的连续调节。当电容连续调节模块部分的电阻值改变时，等效惯容系数bm改变，系统的惯容改变。进一步地，系统惯容值的改变通过负载电路反馈至液压作动器(油缸)，使得液压作动器(油缸)的力-位移关系改变。特别地，提供至mosfet的pwm波信号的占空比取决于理想天棚惯容力和半主动惯容器的实际输出力之间的差值δf。
[0146]
另一方面，在惯容分级调节模式下，基于天棚惯容控制策略，车辆控制器可以根据理想天棚惯容力和半主动惯容器的实际输出力之间的差值δf来追踪理想天棚惯容力，并通过向电容分级调节模块中的不同mosfet分别施加高低电平以使不同mosfet所连接的电阻与电路连接或断开，使得电容分级调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的分级调节。当电容分级调节模块部分的电阻值改变时，等效惯容系数bm改变，系统的惯容改变。进一步地，系统惯容值的改变通过负载电路反馈至液压作动器(油缸)，使得液压作动器(油缸)的力-位移关系改变。特别地，提供至不同mosfet的电平值的取决于理想天棚惯容力和半主动惯容器的实际输出力之间的差值δf。
[0147]
根据一种优选实施方式，本实用新型还涉及一种车辆，该车辆可具有本实施例所述的半主动悬架系统。特别地，车辆可以是机动车辆(如汽车、卡车、农用或军用设备车辆等)。
[0148]
根据一种优选实施方式，针对本实用新型的阻尼、惯容可调的半主动悬架系统的控制半主动悬架可包括：
[0149]
通过配置在半主动悬架中的一个或多个传感器获取车身侧倾与俯仰角信号、方向盘转角信号、油门制动踏板信号和悬架线位移信号等参数信号。
[0150]
车辆控制器可根据车身侧倾与俯仰角信号、方向盘转角信号、油门制动踏板信号和悬架线位移信号中的一个或多个确定车辆的模态。具体而言，车辆模态通常包括俯仰模态、侧倾模态和垂向模态。
[0151]
车辆控制器根据确定的车辆模态计算当前车辆模态对应的能量占比。
[0152]
当车辆俯仰和侧倾模态下的能量占比最大时，控制半主动悬架进入阻尼连续或分
级调节模式。另一方面，当车辆垂向模态下的能量占比最大时，控制半主动悬架进入惯容连续或分级调节模式。
[0153]
具体地，在阻尼连续或分级调节模式中，车辆控制器基于天棚阻尼控制策略，根据簧载质量运动状态信号和/或非簧载质量运动状态信号获取理想天棚阻尼力以及半主动减振器的实际输出力或力矩，并将理想天棚阻尼力与半主动减振器的实际输出力或力矩间的差值δf作为追踪目标。进一步地，基于该差值δf，车辆控制器通过向电阻连续调节模块中的mosfet提供不同占空比的pwm波信号以使mosfet打开或关闭的频率被改变，使得电阻连续调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的连续调节。在电阻连续调节模块部分的电阻值改变时，等效阻尼系数cm改变，以达成对系统阻尼的连续调节。或者，车辆控制器通过向电阻分级调节模块中的不同mosfet分别施加高低电平以使不同mosfet所连接的电阻与电路连接或断开，使得电阻分级调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的分级调节。在电阻连续调节模块部分的电阻值改变时，等效阻尼系数cm改变，以达成对系统阻尼的分级调节。
[0154]
而在惯容连续或分级调节模式中，车辆控制器基于天棚惯容控制策略，根据簧载质量运动状态信号和/或非簧载质量运动状态信号获取理想天棚惯容力以及半主动惯容器的实际输出力或力矩，并将理想天棚惯容力与半主动惯容器的实际输出力或力矩间的差值δf作为追踪目标。进一步地，基于该差值δf，车辆控制器通过向电容连续调节模块中的mosfet提供不同占空比的pwm波信号以使mosfet打开或关闭的频率被改变，使得电容连续调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的连续调节。在电容连续调节模块部分的电阻值改变时，等效惯容系数bm改变，以达成对系统惯容的连续调节。或者，车辆控制器通过向电容分级调节模块中的不同mosfet分别施加高低电平以使不同mosfet所连接的电阻与电路连接或断开，使得电容分级调节模块部分的等效电阻改变，从而实现电阻值的分级调节。在电容连续调节模块部分的电阻值改变时，等效惯容系数bm改变，以达成对系统惯容的分级调节。
[0155]
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。本实用新型说明书包含多项实用新型构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项实用新型构思提出分案申请的权利。

技术特征：
1.一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架，其特征在于，包括通过液压管路互连的液压缸（1-1）、液压马达（1-3）和发电机模块，以及作为所述发电机外接负载的阻尼、惯容调节电路，其中，所述液压缸（1-1）、液压马达（1-3）和发电机模块依次连接，所述阻尼、惯容调节电路连接至所述发电机的输出端。2.根据权利要求1所述的半主动悬架，其特征在于，所述阻尼、惯容调节电路包括与发电机模块可切换地连通的第一可调电阻（1-7）和第二可调电阻（1-8）。3.根据权利要求1所述的半主动悬架，其特征在于，所述发电机模块包括发电机、电机内部电阻和电机内部电感。4.根据权利要求2所述的半主动悬架，其特征在于，所述第一可调电阻（1-7）包括与发电机模块电性连接的一个或多个moseft和固定阻值电阻。5.根据权利要求2所述的半主动悬架，其特征在于，所述第二可调电阻（1-8）包括与发电机模块电性连接的一个或多个moseft、固定阻值电阻和固定值电容。6.根据权利要求1所述的半主动悬架，其特征在于，还包括蓄能器（1-2），所述蓄能器（1-2）通过液压管路连通所述液压缸（1-1）的上、下出油口。7.根据权利要求1所述的半主动悬架，其特征在于，还包括电性连接到所述阻尼、惯容调节电路的控制信号输出装置（2-9）。8.一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架系统，其特征在于，包括：如权利要求1～6任一项所述的半主动悬架，其可操作地同悬架弹簧、悬架减振器连接于簧上质量（6-1）和簧下质量（6-5）之间；和控制器，以向所述第一可调电阻（1-7）的一个或多个moseft或所述第二可调电阻（1-8）的一个或多个moseft提供具有不同占空比的pwm信号或者不同大小的电平的方式连接到阻尼、惯容调节电路。9.根据权利要求8所述的半主动悬架系统，其特征在于，还包括一个或多个加速度传感器，所述一个或多个加速度传感器以获取簧上质量（6-1）的簧载质量运动状态信号和簧下质量（6-5）的非簧载质量运动状态信号的方式设置于簧上质量（6-1）和簧下质量（6-5）之上。10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1~7任一项所述的刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架，或权利要求8或9所述的刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架系统。

技术总结
本实用新型涉及一种刚度、阻尼、惯容可调的半主动悬架及其系统和车辆，该半主动悬架包括液压油缸、蓄能器、液压马达、发电机、电机内部电感、电机内部电阻、可调电阻以及电容，各悬架元件通过液压管路互连。本发明提供的半主动悬架可与悬架弹簧、悬架减振器连接于簧上质量和簧下质量之间，当车辆控制器根据确定的车辆模态计算出各车辆模态的能量占比之时，可指示半主动悬架进入相应阻尼连续或分级调节模式或是惯容连续或分级调节模式，并通过改变系统电阻值的方式连续地或分级调节系统的阻尼或惯容，且针对系统阻尼的调节取决于理想天棚阻尼力与悬架减振器实际输出力的差值，针对系统惯容的调节取决于理想天棚惯容力与半主动惯容器实际输出力的差值。容器实际输出力的差值。容器实际输出力的差值。


技术研发人员：张农 王斌 郑敏毅 罗亮 钟伟民 刘明星
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/6/20