車輛半主動懸架技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分之一。汽車懸架系統(tǒng)是指連接車身和車輪之間全部零部件的總稱，主要由彈簧、減振器和轉(zhuǎn)向機構(gòu)三大部分組成，其作用是傳遞車輪和車架之間的一切力和力矩，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的平順行駛。

半主動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。由于半主動懸架在控制品質(zhì)上接近于主動懸架，且結(jié)構(gòu)簡單，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，可將懸架分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架。隨著生活水平的不斷提高，用戶對汽車舒適性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)已不能滿足人們的要求。人們希望汽車車身的高度、懸架的剛度、減振器的阻尼大小能隨汽車行駛速度以及路面狀況等行駛條件的變化而自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)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，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。半主動懸架分為剛度可調(diào)和阻尼可調(diào)兩大類。目前，在半主動懸架的控制研究中，以對阻尼控制的研究居多。阻尼可調(diào)半主動懸架又可分為有級可調(diào)半主動懸架和連續(xù)可調(diào)半主動懸架，有級可調(diào)半主動懸架的阻尼系數(shù)只能取幾個離散的阻尼值，而連續(xù)可調(diào)半主動懸架的阻尼系數(shù)在一定的范圍內(nèi)可連續(xù)變化。

有級可調(diào)減振器

有級可調(diào)減振器阻尼可在2-3檔之間快速切換，切換時間通常為10-20ms。有級可調(diào)減振器實際上是在減振器結(jié)構(gòu)中采用較為簡單的控制閥，使通流面積在最大、中等或最小之間進(jìn)行有級調(diào)節(jié)。通過減振器頂部的電機控制旋轉(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。有級可調(diào)減振器的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)相對簡單，但在適應(yīng)汽車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)流孔可實時調(diào)節(jié)的油液阻尼器。通過步進(jìn)電機驅(qū)動減振器的閥桿，連續(xù)調(diào)節(jié)減振器節(jié)流閥的通流面積來改變阻尼，節(jié)流閥可采用電磁閥或其它形式的驅(qū)動閥來實現(xiàn)。這類減振器的主要問題是節(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，從而實現(xiàn)阻尼無級變化，是當(dāng)前的研究熱點。電流變液體在外加電場作用下，其流體材料性能，如剪切強度、粘度等會發(fā)生顯著的變化，將其作為減振液，只需通過改變電場強度，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強度的改變而連續(xù)變化，無須高精度的節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，且無液壓閥的振動、沖擊與噪聲，不需要復(fù)雜的驅(qū)動機構(gòu)，作為半主動懸架的執(zhí)行器是一個非常好的選擇。但電流變液體存在著一些問題，如電致屈服強度小，溫度工作范圍不寬，零電場粘度偏高，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，必須解決以下幾個問題：①設(shè)計一個體積小、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，有一個散熱系統(tǒng)。③高壓電源的絕緣與封裝。國外如德國Bayer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的作用下，流變材料性能發(fā)生急劇變化的流體。通過控制磁場強度，可實現(xiàn)磁流變減振器阻尼的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)。

磁流變減振器具有電流變減振器相似的特點，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強度的增加而遞增，直至半固態(tài)，而一旦外加磁場消失，它又自行恢復(fù)原狀，整個過程可在毫秒級時間內(nèi)完成。美國Lord公司、福特公司、德國BASF等紛紛投入巨資進(jìn)行了研究，如Lord公司開發(fā)的磁流變液MRX-126PD，采用單出桿活塞缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的磁流變減振器已用于大型載貨汽車半主動懸架減振系統(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，磁流變液體強于電流變液體。

半主動懸架控制策略

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對半主動懸架控制方法進(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D.KARNOPP教授提出，在早期的半主動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)的舒適性而沒有很好解決操縱穩(wěn)定性問題。因此，目前研究的重點是改進(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輛半主動懸架系統(tǒng)中實現(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，相對于噪聲干擾的輸出取極小值的一種最優(yōu)控制方式，在車身質(zhì)量、輪胎剛度、減振阻尼系統(tǒng)、車輛結(jié)構(gòu)等存在不確定變化誤差時，采用H∞最優(yōu)控制可使車輛懸架系統(tǒng)的減振控制具有較強的魯棒性。

自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制具有參數(shù)辨識功能，能適應(yīng)懸架載荷和元件特性的變化，自動調(diào)整控制參數(shù)，保持其性能最優(yōu)。應(yīng)用于車輛懸架系統(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，其中自校正控制是目前應(yīng)用較廣的一類。采用自適應(yīng)控制的車輛懸架阻尼減振系統(tǒng)能改善車輛的行駛特性，在德國大眾汽車公司的底盤得到了應(yīng)用。

預(yù)測控制

車輛懸架系統(tǒng)的預(yù)測控制是指通過傳感器；陣車輛前方路面信息預(yù)先傳給懸架裝置，使參數(shù)的調(diào)節(jié)與實際需求同步。預(yù)測控制可以通過某種方法提前測得前方路況的信息，使得控制系統(tǒng)有足夠的時間采取措施。預(yù)測控制可以分為兩類：一是用前輪懸架的狀態(tài)信息對后輪懸架進(jìn)行預(yù)測控制；二是測量車輛行駛過程中前方道路的狀態(tài)信息，以此信息來對前后輪懸架進(jìn)行預(yù)測控制。采用預(yù)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情況的信息。由于車輛參數(shù)的時變性和非線性對系統(tǒng)性能的影響，使得具有預(yù)測控制性能的半主動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年來迅速發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科，它是以大量處理單元(神經(jīng)元)為節(jié)點，按某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所構(gòu)成的高度并行的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，其特點是具有自學(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)計中。汽車半主動懸架系統(tǒng)具有非線性特點，常規(guī)的控制策略對非線性系統(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重要分支。它適用于線性或非線性系統(tǒng)，方法簡單，易于實現(xiàn)，對模型參數(shù)的不確定性和外界擾動具有高度的魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，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，而是可以在動態(tài)過程中根據(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“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動，由于滑動模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辯識，物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

模糊控制

自20世紀(jì)90年代以來，模糊控制被應(yīng)用到汽車半主動懸架系統(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、時變和滯后系統(tǒng)。它的最大特點是允許控制對象沒有精確的數(shù)學(xué)模型，使用語言變量代替數(shù)字變量，與人的智能行為相似，由于車輛的部分參數(shù)經(jīng)常變化以及在不同道路條件下行駛等特點，模糊控制尤為使用。

半主動懸架發(fā)展趨勢

汽車懸架控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)是車輛動力學(xué)與控制領(lǐng)域的國際性前沿課題，開發(fā)具有安全、舒適和清潔高效、節(jié)能、智能控制的懸架是車輛懸架系統(tǒng)發(fā)展的方向。

(1)控制策略的研究。半主動懸架系統(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，因此，綜合應(yīng)用多種控制方法是半主動懸架控制發(fā)展的方向。

(2)控制器的研究。智能化控制器能夠根據(jù)路況和汽車振動等信息，自動地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的參數(shù)，使汽車具有良好行駛平順性和穩(wěn)定性。

(3)可控減振器的研制。研究與開發(fā)可靠的電流變和磁流變可控減振器。開發(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懸架實用化的前題。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)定性等問題，還需進(jìn)一步深入研究。