車(chē)輛半主動(dòng)懸架技術(shù)發(fā)展現狀和趨勢

懸架系統是汽車(chē)的重要組成部分之一。汽車(chē)懸架系統是指連接車(chē)身和車(chē)輪之間全部零部件的總稱(chēng)，主要由彈簧、減振器和轉向機構三大部分組成，其作用是傳遞車(chē)輪和車(chē)架之間的一切力和力矩，并且緩和由不平路面傳給車(chē)架(或車(chē)身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統的振動(dòng)，以保證汽車(chē)的平順行駛。

半主動(dòng)懸架是指懸架彈性元件剛度和減振器阻尼力之一或兩者均可根據需要進(jìn)行調節的懸架。由于半主動(dòng)懸架在控制品質(zhì)上接近于主動(dòng)懸架，且結構簡(jiǎn)單，能量損耗小，成本低，因而具有巨大的發(fā)展潛力。

半主動(dòng)懸架技術(shù)發(fā)展現狀

根據懸架的阻尼和剛度是否隨著(zhù)行駛條件的變化而變化，可將懸架分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架。隨著(zhù)生活水平的不斷提高，用戶(hù)對汽車(chē)舒適性的要求也越來(lái)越高，傳統的汽車(chē)懸架系統已不能滿(mǎn)足人們的要求。人們希望汽車(chē)車(chē)身的高度、懸架的剛度、減振器的阻尼大小能隨汽車(chē)行駛速度以及路面狀況等行駛條件的變化而自動(dòng)調節，從而達到乘坐舒適性的提高。

1973年，美國加州大學(xué)戴維斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主動(dòng)懸架的概念。其基本原理是：用可調剛度彈簧或可調阻尼的減振器組成懸架，并根據簧載質(zhì)量的加速度響應等反饋信號，按照一定的控制規律調節彈簧剛度或減振器的阻尼，以達到較好的減振效果。半主動(dòng)懸架分為剛度可調和阻尼可調兩大類(lèi)。目前，在半主動(dòng)懸架的控制研究中，以對阻尼控制的研究居多。阻尼可調半主動(dòng)懸架又可分為有級可調半主動(dòng)懸架和連續可調半主動(dòng)懸架，有級可調半主動(dòng)懸架的阻尼系數只能取幾個(gè)離散的阻尼值，而連續可調半主動(dòng)懸架的阻尼系數在一定的范圍內可連續變化。

有級可調減振器

有級可調減振器阻尼可在2-3檔之間快速切換，切換時(shí)間通常為10-20ms。有級可調減振器實(shí)際上是在減振器結構中采用較為簡(jiǎn)單的控制閥，使通流面積在最大、中等或最小之間進(jìn)行有級調節。通過(guò)減振器頂部的電機控制旋轉閥的旋轉位置，使減振器的阻尼在“軟、中、硬”三檔之間變化。有級可調減振器的結構及其控制系統相對簡(jiǎn)單，但在適應汽車(chē)行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性。連續可調減振器 連續可調減振器的阻尼調節可采取以下兩種方式：

1.節流孔徑調節

早期的可調阻尼器主要是節流孔可實(shí)時(shí)調節的油液阻尼器。通過(guò)步進(jìn)電機驅動(dòng)減振器的閥桿，連續調節減振器節流閥的通流面積來(lái)改變阻尼，節流閥可采用電磁閥或其它形式的驅動(dòng)閥來(lái)實(shí)現。這類(lèi)減振器的主要問(wèn)題是節流閥結構復雜，制造成本高。

2.減振液粘性調節

使用黏度連續可調的電流變或磁流變液體作為減振液，從而實(shí)現阻尼無(wú)級變化，是當前的研究熱點(diǎn)。電流變液體在外加電場(chǎng)作用下，其流體材料性能，如剪切強度、粘度等會(huì )發(fā)生顯著(zhù)的變化，將其作為減振液，只需通過(guò)改變電場(chǎng)強度，使電流變液體的粘度改變，就可改變減振器的阻尼力。

電流變減振器的阻尼可隨電場(chǎng)強度的改變而連續變化，無(wú)須高精度的節流閥，結構簡(jiǎn)單，制造成本較低，且無(wú)液壓閥的振動(dòng)、沖擊與噪聲，不需要復雜的驅動(dòng)機構，作為半主動(dòng)懸架的執行器是一個(gè)非常好的選擇。但電流變液體存在著(zhù)一些問(wèn)題，如電致屈服強度小，溫度工作范圍不寬，零電場(chǎng)粘度偏高，懸浮液中固體顆粒與基礎液體之間比重相差較大，易分離、沉降，穩定性差，對雜質(zhì)敏感等。要使電流變減振器響應迅速、工作可靠，必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①設計一個(gè)體積小、重量輕、能任意調節的高壓電源。②為保證電流變液體的正常工作溫度，有一個(gè)散熱系統。③高壓電源的絕緣與封裝。國外如德國B(niǎo)ayer公司和美國Lord公司都已有電流變減振器產(chǎn)品。

磁流變液體是指在外加磁場(chǎng)的作用下，流變材料性能發(fā)生急劇變化的流體。通過(guò)控制磁場(chǎng)強度，可實(shí)現磁流變減振器阻尼的連續、無(wú)級調節。

磁流變減振器具有電流變減振器相似的特點(diǎn)，磁流變液是一種由細小的磁性顆粒懸浮于絕緣介質(zhì)中形成的液體。其黏度隨著(zhù)外加磁場(chǎng)強度的增加而遞增，直至半固態(tài)，而一旦外加磁場(chǎng)消失，它又自行恢復原狀，整個(gè)過(guò)程可在毫秒級時(shí)間內完成。美國Lord公司、福特公司、德國B(niǎo)ASF等紛紛投入巨資進(jìn)行了研究，如Lord公司開(kāi)發(fā)的磁流變液MRX-126PD，采用單出桿活塞缸結構設計的磁流變減振器已用于大型載貨汽車(chē)半主動(dòng)懸架減振系統。

電流變液與磁流變液的特性如下表所示，它們都能滿(mǎn)足汽車(chē)工作要求。但在屈服應力、溫度范圍、塑性粘度和穩定性等性能方面，磁流變液體強于電流變液體。

半主動(dòng)懸架控制策略

近年來(lái)，國內外學(xué)者對半主動(dòng)懸架控制方法進(jìn)行了大量的研究，控制方法幾乎涉及到所有的控制理論的所有分支，許多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最優(yōu)控制、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、滑模變結構控制、模糊控制等在半主動(dòng)懸架上得到了應用。

天棚阻尼控制

天棚阻尼控制方法是最早提出的控制方法。該控制方法是由美國D.KARNOPP教授提出，在早期的半主動(dòng)懸架上得到了廣泛應用，但天棚阻尼控制只解決了懸架系統的舒適性而沒(méi)有很好解決操縱穩定性問(wèn)題。因此，目前研究的重點(diǎn)是改進(jìn)型的天棚阻尼控制方法。

最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是一種理論上最成熟、應用最廣泛的控制方式，它一般可分為線(xiàn)性最優(yōu)控制、最優(yōu)預測控制和H∞最優(yōu)控制。線(xiàn)性最優(yōu)控制是；陣LQ(Linear—Quadratic)控制理論應用于車(chē)輛懸架系統中，其性能指標函數采用系統的狀態(tài)響應與輸入的加權二次型，在保證受控結構動(dòng)態(tài)穩定性的條件下，把線(xiàn)性二次型調節控制器理論和線(xiàn)性二次高斯型控制理論用于車(chē)輛半主動(dòng)懸架系統中實(shí)現最優(yōu)控制。H∞最優(yōu)控制是在閉環(huán)系統各回路穩定的條件下，相對于噪聲干擾的輸出取極小值的一種最優(yōu)控制方式，在車(chē)身質(zhì)量、輪胎剛度、減振阻尼系統、車(chē)輛結構等存在不確定變化誤差時(shí)，采用H∞最優(yōu)控制可使車(chē)輛懸架系統的減振控制具有較強的魯棒性。

自適應控制

自適應控制具有參數辨識功能，能適應懸架載荷和元件特性的變化，自動(dòng)調整控制參數，保持其性能最優(yōu)。應用于車(chē)輛懸架系統自適應控制方法主要有模型參考自適應控制和自校正控制兩類(lèi)，其中自校正控制是目前應用較廣的一類(lèi)。采用自適應控制的車(chē)輛懸架阻尼減振系統能改善車(chē)輛的行駛特性，在德國大眾汽車(chē)公司的底盤(pán)得到了應用。

預測控制

車(chē)輛懸架系統的預測控制是指通過(guò)傳感器；陣車(chē)輛前方路面信息預先傳給懸架裝置，使參數的調節與實(shí)際需求同步。預測控制可以通過(guò)某種方法提前測得前方路況的信息，使得控制系統有足夠的時(shí)間采取措施。預測控制可以分為兩類(lèi)：一是用前輪懸架的狀態(tài)信息對后輪懸架進(jìn)行預測控制；二是測量車(chē)輛行駛過(guò)程中前方道路的狀態(tài)信息，以此信息來(lái)對前后輪懸架進(jìn)行預測控制。采用預測控制的關(guān)鍵是要獲得具有一定精度、不受干擾和反映路面真實(shí)情況的信息。由于車(chē)輛參數的時(shí)變性和非線(xiàn)性對系統性能的影響，使得具有預測控制性能的半主動(dòng)懸架研究具有一定困難。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興交叉學(xué)科，它是以大量處理單元(神經(jīng)元)為節點(diǎn)，按某種拓撲結構所構成的高度并行的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統，其特點(diǎn)是具有自學(xué)習能力和大規模并行處理的能力，因而在車(chē)輛懸架系統減振控制中有著(zhù)廣泛的應用前景。

目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制方法越來(lái)越多地應用在特定環(huán)境以及采用固定描述方式的多種目的的設計中。汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統具有非線(xiàn)性特點(diǎn)，常規的控制策略對非線(xiàn)性系統有一定的局限性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制方法在車(chē)輛懸架控制系統中有著(zhù)廣泛的應用前景。

滑模變結構控制

滑模變結構控制是控制理論的一個(gè)重要分支。它適用于線(xiàn)性或非線(xiàn)性系統，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，對模型參數的不確定性和外界擾動(dòng)具有高度的魯棒性?；Ｗ兘Y構控制本質(zhì)上是一類(lèi)特殊的非線(xiàn)性控制，其非線(xiàn)性表現為控制的不連續性，這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據系統當前的狀態(tài)(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動(dòng)，由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設計且與對象參數及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使得變結構控制具有快速響應、對參數變化及擾動(dòng)不靈敏、無(wú)需系統在線(xiàn)辯識，物理實(shí)現簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

模糊控制

自20世紀90年代以來(lái)，模糊控制被應用到汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統的控制中。模糊控制是一種新型智能控制技術(shù)，與傳統控制相比，其系統的魯棒性好，尤其適用于非線(xiàn)性、時(shí)變和滯后系統。它的最大特點(diǎn)是允許控制對象沒(méi)有精確的數學(xué)模型，使用語(yǔ)言變量代替數字變量，與人的智能行為相似，由于車(chē)輛的部分參數經(jīng)常變化以及在不同道路條件下行駛等特點(diǎn)，模糊控制尤為使用。

半主動(dòng)懸架發(fā)展趨勢

汽車(chē)懸架控制系統的研究與開(kāi)發(fā)是車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域的國際性前沿課題，開(kāi)發(fā)具有安全、舒適和清潔高效、節能、智能控制的懸架是車(chē)輛懸架系統發(fā)展的方向。

(1)控制策略的研究。半主動(dòng)懸架系統的控制幾乎涉及了所有的現代控制理論和方法，但由于每種控制方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，綜合應用多種控制方法是半主動(dòng)懸架控制發(fā)展的方向。

(2)控制器的研究。智能化控制器能夠根據路況和汽車(chē)振動(dòng)等信息，自動(dòng)地調節懸架系統的參數，使汽車(chē)具有良好行駛平順性和穩定性。

(3)可控減振器的研制。研究與開(kāi)發(fā)可靠的電流變和磁流變可控減振器。開(kāi)發(fā)低成本和高可靠性的傳感器，以及高性能微處理器是半主動(dòng)懸架實(shí)用化的前題。目前，磁流變液雖然已進(jìn)入商品化階段，但在減振器上使用還存如噪聲、耐久性、穩定性等問(wèn)題，還需進(jìn)一步深入研究。