[发明专利]基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧及其控制方法

权利要求书

1.一种基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，其特征在于：包括上盖板、橡胶气囊、下底座和凸轮气阀机构，所述上盖板连接于橡胶气囊上封口，下底座连接于橡胶气囊下封口，凸轮气阀机构安装于橡胶气囊下封口与下底座的连接处；上盖板、橡胶气囊和凸轮气阀机构中的阀体上表面构成空气弹簧主气室，阀体下表面与下底座内壁分别构成第一副气室和第二副气室，两个副气室与主气室之间分别通过设置于阀体内的两个气体通道连通；

所述凸轮气阀机构包括阀体、凸轮轴和气阀杆；阀体内部嵌有阀座和气阀导管，阀体顶部通过凸轮轴座固定有凸轮轴，凸轮轴通过齿轮组件啮合由步进电机驱动，凸轮轴上还设有凸轮；气阀杆的一端连接有气阀，气阀杆的另一端穿过气阀导管后套有气阀弹簧然后抵于凸轮；

调控时，步进电机通过齿轮组件驱动凸轮轴，凸轮跟随上下运动，进而带动气阀杆的上下动作，在气阀弹簧预紧力作用下，气阀的阀门落座于阀座上，阀体的气体通道被关闭；或者克服气阀弹簧预紧力推动气阀向下运动，阀门离开阀座从而气体通道被开启；

所述凸轮轴上设有两个凸轮和两个凸轮轴座，凸轮轴的输入端通过键安装从动齿轮，从动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮连接于步进电机，步进电机安装于下底座，步进电机通过H桥电路连接于车辆的悬架控制器信号输出端；所述两个凸轮的中心距等于阀座的阀座孔中心距，凸轮的上升段型面与下降段型面是对称的，沿凸轮轴中心线看，两凸轮对称中心线互成180度夹角。

2.根据权利要求1所述的基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，其特征在于：所述阀体整体呈箱体结构，内部设有两个气体通道分别连通两个副气室和主气室，两个气阀杆穿过相应气阀导管后先放入气阀弹簧，然后卡固于安装在凸轮上的弹簧座，两半片锁片插入弹簧座中，在弹簧预紧力作用下，弹簧座卡住在气阀杆上。

3.根据权利要求1所述的基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧，其特征在于：所述下底座整体呈圆柱体，下底座的肩部与橡胶气囊下封口连接，第一副气室和第二副气室之间的容积之比为1:1.5。

4.一种根据权利要求1至3任意一项所述的基于凸轮气阀机构的可调控空气弹簧的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)建立空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系：

第一种：凸轮轴初始位置，第一气阀和第二气阀均关闭，空气弹簧工作容积为V；

第二种：凸轮轴顺时针转动90度，第一气阀打开且第二气阀关闭，工作容积为2V；

第三种：继续顺时针转动180度，第一气阀关闭且第二气阀打开，空气弹簧工作容积为2.5V；

实验测试工作容积分别为1V、2V和2.5V时，空气弹簧在各种气压下的外特性；

(2)建立含凸轮气阀机构调控空气弹簧的车辆系统数学模型，且用状态空间实现其中A、B、C和D为车辆参数矩阵，状态向量X为路面激励x₀、轮胎动行程x₁、车身垂向位移x₂、轮胎垂向速度和车身垂向速度而控制输出量为空气弹簧反作用力U；

(3)根据步骤(2)的车辆数学模型，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相同工况下的仿真结果与实车实验结果，以此来修正数学模型进而检验其正确性；

(4)悬架控制目标是在车辆满足操纵稳定性条件下具有良好的行驶平顺性，因此应尽可能地减小车身垂向加速度和轮胎动行程，从控制的角度讲，应使所需的控制量最小，选择车辆综合性能为目标函数，

其中，q_i(i＝1,2,3)为权系数，进而将其变为：

式中：

K_s是指空气弹簧刚度；M_b是指车辆载荷；是指车身垂向加速度；

(5)应用最优控制理论，通过黎卡提方程AP+PA^T+Q-PBR^-1B^TP＝0，求出矩阵P，得反馈增益矩阵K＝B^TP+N^T，得空气弹簧反作用力U＝-KX，根据步骤(1)空气弹簧外特性与其工作容积的函数关系，确定车辆当前状态所需的目标工作容积，并与当前工作容积的偏差量来生成步进电机的控制指令；

(6)根据车辆技术参数、步骤(1)的空气弹簧外特性、步骤(2)的车辆系统模型、步骤(4)的目标函数和步骤(5)的最优控制律，应用C语言编写成控制软件，软件调试成功后下载到悬架控制器存储器中；

(7)汽车启动行驶后，悬架控制器根据车辆行驶速度、车辆静载荷、悬架动行程和车身加速度的信号，应用步骤(6)控制软件进行计算，实时调控凸轮气阀机构，保持空气弹簧工作容积偏差量等于0，并且一个调控周期结束后，进入下一个周期，以此循环控制，直到车辆停止发动机熄火为止。