車(chē)輛半主動(dòng)懸架技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

懸架系統(tǒng)是汽車(chē)的重要組成部分之一。汽車(chē)懸架系統(tǒng)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)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?zhèn)鹘o車(chē)架(或車(chē)身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)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(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量損耗小，成本低，因而具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

半主動(dòng)懸架技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)懸架的阻尼和剛度是否隨著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。隨著生活水平的不斷提高，用戶對(duì)汽車(chē)舒適性的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的汽車(chē)懸架系統(tǒng)已不能滿足人們的要求。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(diào)節(jié)，從而達(dá)到乘坐舒適性的提高。

1973年，美國(guó)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(diào)剛度彈簧或可調(diào)阻尼的減振器組成懸架，并根據(jù)簧載質(zhì)量的加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧剛度或減振器的阻尼，以達(dá)到較好的減振效果。半主動(dòng)懸架分為剛度可調(diào)和阻尼可調(diào)兩大類(lèi)。目前，在半主動(dòng)懸架的控制研究中，以對(duì)阻尼控制的研究居多。阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架又可分為有級(jí)可調(diào)半主動(dòng)懸架和連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架，有級(jí)可調(diào)半主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)只能取幾個(gè)離散的阻尼值，而連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)在一定的范圍內(nèi)可連續(xù)變化。

有級(jí)可調(diào)減振器

有級(jí)可調(diào)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(jí)可調(diào)減振器實(shí)際上是在減振器結(jié)構(gòu)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(jí)調(diào)節(jié)。通過(guò)減振器頂部的電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)位置，使減振器的阻尼在“軟、中、硬”三檔之間變化。有級(jí)可調(diào)減振器的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但在適應(yīng)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(xù)可調(diào)減振器 連續(xù)可調(diào)減振器的阻尼調(diào)節(jié)可采取以下兩種方式：

1.節(jié)流孔徑調(diào)節(jié)

早期的可調(diào)阻尼器主要是節(jié)流孔可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的油液阻尼器。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減振器的閥桿，連續(xù)調(diào)節(jié)減振器節(jié)流閥的通流面積來(lái)改變阻尼，節(jié)流閥可采用電磁閥或其它形式的驅(qū)動(dòng)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。這類(lèi)減振器的主要問(wèn)題是節(jié)流閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。

2.減振液粘性調(diào)節(jié)

使用黏度連續(xù)可調(diào)的電流變或磁流變液體作為減振液，從而實(shí)現(xiàn)阻尼無(wú)級(jí)變化，是當(dāng)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(qiáng)度、粘度等會(huì)發(fā)生顯著的變化，將其作為減振液，只需通過(guò)改變電場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度的改變而連續(xù)變化，無(wú)須高精度的節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)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(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，作為半主動(dòng)懸架的執(zhí)行器是一個(gè)非常好的選擇。但電流變液體存在著一些問(wèn)題，如電致屈服強(qiáng)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(chǔ)液體之間比重相差較大，易分離、沉降，穩(wěn)定性差，對(duì)雜質(zhì)敏感等。要使電流變減振器響應(yīng)迅速、工作可靠，必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①設(shè)計(jì)一個(gè)體積小、重量輕、能任意調(diào)節(jié)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(tǒng)。③高壓電源的絕緣與封裝。國(guó)外如德國(guó)Bayer公司和美國(guó)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(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)磁流變減振器阻尼的連續(xù)、無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

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(xì)小的磁性顆粒懸浮于絕緣介質(zhì)中形成的液體。其黏度隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)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(fù)原狀，整個(gè)過(guò)程可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成。美國(guó)Lord公司、福特公司、德國(guó)BASF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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tǒng)。

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

半主動(dòng)懸架控制策略

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制等在半主動(dòng)懸架上得到了應(yīng)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(guó)D.KARNOPP教授提出，在早期的半主動(dòng)懸架上得到了廣泛應(yīng)用，但天棚阻尼控制只解決了懸架系統(tǒng)的舒適性而沒(méi)有很好解決操縱穩(wěn)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(yīng)用最廣泛的控制方式，它一般可分為線性最優(yōu)控制、最優(yōu)預(yù)測(cè)控制和H∞最優(yōu)控制。線性最優(yōu)控制是；陣LQ(Linear—Quadratic)控制理論應(yīng)用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)中，其性能指標(biāo)函數(shù)采用系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)與輸入的加權(quán)二次型，在保證受控結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的條件下，把線性二次型調(diào)節(jié)控制器理論和線性二次高斯型控制理論用于車(chē)輛半主動(dòng)懸架系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。H∞最優(yōu)控制是在閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，相對(duì)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(tǒng)、車(chē)輛結(jié)構(gòu)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(tǒng)的減振控制具有較強(qiáng)的魯棒性。

自適應(yīng)控制

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

預(yù)測(cè)控制

車(chē)輛懸架系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制是指通過(guò)傳感器；陣車(chē)輛前方路面信息預(yù)先傳給懸架裝置，使參數(shù)的調(diào)節(jié)與實(shí)際需求同步。預(yù)測(cè)控制可以通過(guò)某種方法提前測(cè)得前方路況的信息，使得控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間采取措施。預(yù)測(cè)控制可以分為兩類(lèi)：一是用前輪懸架的狀態(tài)信息對(duì)后輪懸架進(jìn)行預(yù)測(cè)控制；二是測(cè)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(duì)前后輪懸架進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。采用預(yù)測(cè)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(shù)的時(shí)變性和非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使得具有預(yù)測(cè)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(jié)點(diǎn)，按某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所構(gòu)成的高度并行的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是具有自學(xué)習(xí)能力和大規(guī)模并行處理的能力，因而在車(chē)輛懸架系統(tǒng)減振控制中有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法越來(lái)越多地應(yīng)用在特定環(huán)境以及采用固定描述方式的多種目的的設(shè)計(jì)中。汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)具有非線性特點(diǎn)，常規(guī)的控制策略對(duì)非線性系統(tǒng)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(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制是控制理論的一個(gè)重要分支。它適用于線性或非線性系統(tǒng)，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)模型參數(shù)的不確定性和外界擾動(dòng)具有高度的魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類(lèi)特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)，由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無(wú)需系統(tǒng)在線辯識(shí)，物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

模糊控制

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，模糊控制被應(yīng)用到汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制中。模糊控制是一種新型智能控制技術(shù)，與傳統(tǒng)控制相比，其系統(tǒng)的魯棒性好，尤其適用于非線性、時(shí)變和滯后系統(tǒng)。它的最大特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，使用語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量，與人的智能行為相似，由于車(chē)輛的部分參數(shù)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(shì)

汽車(chē)懸架控制系統(tǒng)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(guó)際性前沿課題，開(kāi)發(fā)具有安全、舒適和清潔高效、節(jié)能、智能控制的懸架是車(chē)輛懸架系統(tǒng)發(fā)展的方向。

(1)控制策略的研究。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制幾乎涉及了所有的現(xiàn)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(yīng)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(jù)路況和汽車(chē)振動(dòng)等信息，自動(dòng)地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的參數(shù)，使汽車(chē)具有良好行駛平順性和穩(wěn)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(wěn)定性等問(wèn)題，還需進(jìn)一步深入研究。