[发明专利]一种空气弹簧容积调节机构及其控制方法

权利要求书

1.一种空气弹簧容积调节机构，包括附加气室和安装于附加气室底端的下底座，其特征在于：所述附加气室内设有固定渐开型面板、旋转渐开型面板和旋转中心轴，旋转中心轴沿附加气室的中轴线方向竖直设立，旋转渐开型面板的内侧边沿旋转中心轴竖直安装，固定渐开型面板固定竖直安装于附加气室外筒壁的内表面，且与下底座上表面垂直安装，同时与旋转中心轴竖直紧密相切，固定渐开型面板与旋转渐开型面板相互嵌套，并将附加气室内腔区分为工作空间和非工作空间；所述下底座的内腔中设有与旋转中心轴相连的驱动电机，驱动电机驱动旋转中心轴做顺时针或逆时针转动，进而带动旋转渐开型面板做顺时针或逆时针转动，最终改变空气弹簧的工作容积。

2.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述附加气室的顶端覆盖有上盖板，上盖板上开设有连通孔，连通孔连接主气室和附加气室中的工作空间；所述附加气室外壁上开设有贯通孔，贯通孔连接附加气室非工作空间与大气。

3.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述下底座内腔中还包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮与驱动电机的输出轴相连，主动齿轮与从动齿轮相啮合，从动齿轮与旋转中心轴的底端相连，旋转中心轴的底端穿出附加气室内腔并延伸至下底座内腔中。

4.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述固定渐开型面板和旋转渐开型面板的最大半径相同，且固定渐开型面板和旋转渐开型面板的中心渐开线起点均是旋转中心轴的圆心，两者都是采用金属材质。

5.根据权利要求1所述的空气弹簧容积调节机构，其特征在于：所述旋转中心轴的初始位置为旋转渐开型面板外表面与固定渐开型面板内表面贴合，设定旋转中心轴初始转角为0，此时空气弹簧的附加气室容积V为0；旋转渐开型面板的末位置为旋转渐开型面板内表面与固定渐开型面板外表面贴合，此时旋转中心轴的转角最大为340°，且空气弹簧的附加气室容积变化量V达到最大；

空气弹簧附加气室容积V与旋转渐开型面板转过的角度θ之间的关系：

上述公式中，h为附加气室的高度，R₁为附加气室内壁半径，R₂为旋转中心轴半径；

其中，旋转中心轴所旋转的角度θ与主动齿轮所旋转的角度δ满足以下关系：

其中，Z₂为主动轮齿数，Z₁为从动轮齿数。

6.一种根据权利要求1至5任意一项所述的空气弹簧容积调节机构的控制方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

(1)建立含上述空气弹簧的七自由度悬架车辆系统动力学模型及四轮路面模型，并转化成状态空间表征，用MATLAB/Simulink建立仿真模型，比较在相同工况下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；

(2)悬架的控制目标是在特定工况下使车辆具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，操纵稳定性以轮胎动载荷、车身侧倾角二者加权和为函数J₁，行驶平顺性以悬架动挠度、车身加速度、车身俯仰角加速度三者加权和为函数J₂，汽车的综合性能目标函数为J＝q₁J₁+q₂J₂；

其中，q_i为权系数，i＝1,2，且q₁+q₂＝1；

(3)构建空气弹簧悬架控制策略：基于多智能体的协同控制原理将汽车前、后、左及右四个空气悬架简化成子智能体拓扑结构，并在系统智能体的指导下进行协同配合，其中系统智能体根据路面激励、转向盘转角、汽车行驶速度等输入量判断工况类型，并通过层次分析法决定步骤(2)中函数J₁，J₂及目标函数J的加权系数，从而确定目标函数J，然后通过人工智能鱼群算法计算出各子智能体所需空气弹簧最佳容积，即在人工智能鱼群优化算法中，优化变量为附加气室容积V，对应初始化鱼群，目标函数为J，对应人工鱼的当前位置的食物浓度，约束条件为悬架偏频、轮胎动载荷以及悬架动挠度这三者的取值范围；然后将最佳容积的值分别输送给对应悬架子智能体，每个悬架子智能体采用闭环PID控制策略，各悬架子智能体的控制目标是控制驱动电机带动旋转渐开面板转过一定的角度，使空气弹簧的容积达到当前最优值，首先各悬架子智能体将空气弹簧现容积与最佳容积比较，并决定空气弹簧附加气室的容积是否需要调节，若需要调节，则将容积转换为主动齿轮需要旋转的角度，然后将其设定为闭环PID控制中的输入值，从而控制驱动电机旋转并使其达到目标旋转角度，最终使空气弹簧的容积达到最佳；

(4)将车辆技术参数、步骤(1)的车辆系统模型、步骤(2)的目标函数和步骤(3)的控制策略，应用C语言编写成控制程序，软件调试成功后下载到悬架控制器存储器中；

(5)汽车启动行驶后，空气悬架控制器实时采集汽车行驶速度、载荷、悬架动行程、轮胎及车身的垂向加速度信号，然后应用步骤(4)控制程序进行实时控制驱动电机，使得空气弹簧具有最佳容积，在不牺牲操纵稳定性条件下提高汽车舒适性。