車(chē)輛懸架與控制策略研究

楊威勇

(遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院)

車(chē)輛在行進(jìn)過(guò)程中，具有不平度的路面會(huì)引起汽車(chē)的振動(dòng)。一旦振動(dòng)達(dá)到一定閥值，會(huì)引起車(chē)輛乘員乘坐的不舒適感或者載貨汽車(chē)保持貨物完好的能力下降。因此，研究汽車(chē)的振動(dòng)和受力情況，采取有效的控制方法和措施，將振動(dòng)控制在最低限度，對(duì)改善車(chē)輛性能具有重要意義。但是來(lái)自路面的不平度激勵(lì)我們很難改變，只有從車(chē)輛減振方面考慮，車(chē)輛減振方面包含三個(gè)環(huán)節(jié)，即輪胎、懸架、座椅，其中懸架系統(tǒng)正是衰減和吸收汽車(chē)振動(dòng)的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)懸架由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減震器等裝置組成，傳遞車(chē)輪和車(chē)架(車(chē)身)之間一切力和力矩。懸架性能的優(yōu)劣是影響車(chē)輛的平順性和操縱穩(wěn)定性的重要因素。

1 懸架分類(lèi)與結(jié)構(gòu)

根據(jù)懸架的彈性剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)是否隨著車(chē)輛行駛條件的變化而變化，懸架可以分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架三類(lèi)，其中主動(dòng)懸架又分為并聯(lián)式慢主動(dòng)懸架和全主動(dòng)懸架。三種懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 汽車(chē)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 被動(dòng)懸架

被動(dòng)懸架如結(jié)構(gòu)圖1 中所示，其在經(jīng)典隔震理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)折中得出最優(yōu)的彈簧剛度系數(shù)和減振器阻尼系數(shù)，使懸架不至于太硬而影響到乘員的乘坐舒適性，同時(shí)還要保證懸架不至于太軟而降低車(chē)輛的平順性和操縱穩(wěn)定性。雖然被動(dòng)懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是由于被動(dòng)懸架的參數(shù)一旦設(shè)定就無(wú)法更改，所以采用被動(dòng)懸架的車(chē)輛減振效果只能在某些路況和某些車(chē)況組合時(shí)達(dá)到最優(yōu)，在其他情況下懸架的性能都不是最適合車(chē)輛需求的，也就不能保證人們對(duì)車(chē)輛安全、操縱和平順性的需求。

1.2 主動(dòng)懸架

主動(dòng)懸架的概念最早是在1954年有美國(guó)GM 汽車(chē)公司Erspiel.Labrosse 提出，但由于主動(dòng)懸架造價(jià)高昂，技術(shù)苛刻，所以主動(dòng)懸架的批量生產(chǎn)受到限制。但科研人員對(duì)于主動(dòng)懸架的研究并沒(méi)有停滯不前，1976年Thompson 將最優(yōu)反饋控制理論應(yīng)用到主動(dòng)懸架研究中;1988年雪鐵龍公司將裝液壓懸架的XM 車(chē)型命名為第一代主動(dòng)液壓懸架;1992年LOTUS 公司、TACOM(美國(guó)陸軍坦克司令部)和TCM 聯(lián)合小組在Hummer 輪式車(chē)輛上裝置主動(dòng)懸架，顯著提高該車(chē)型在崎嶇路面行駛速度。如圖1 中所示，主動(dòng)懸架又分為并聯(lián)式的慢主動(dòng)懸架和全主動(dòng)懸架，前者是在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上增加作動(dòng)力產(chǎn)生裝置，在主動(dòng)懸架失效時(shí)依然有一套被動(dòng)懸架在工作，安全可靠性高;后者僅有作動(dòng)器支撐車(chē)體，對(duì)系統(tǒng)能耗和安全性要求很高。由于主動(dòng)懸架能耗高、成本高，遠(yuǎn)不如半主動(dòng)懸架的發(fā)展應(yīng)用。

1.3 半主動(dòng)懸架

考慮到被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架的缺陷，在1973年首先由Crosby 和Kamopp 提出半主動(dòng)懸架的概念。如圖1 所示，半主動(dòng)懸架就是通過(guò)調(diào)整懸架參數(shù)(彈簧剛度或減振器阻尼系數(shù))，達(dá)到調(diào)節(jié)并優(yōu)化懸架性能的目的。在實(shí)際應(yīng)用中較容易實(shí)現(xiàn)的是調(diào)整減振器阻尼系數(shù)，從而通過(guò)改變阻尼力實(shí)現(xiàn)提高懸架減振特性的目的。阻尼可調(diào)式半主動(dòng)懸架的高性?xún)r(jià)比和高可靠性使其具有廣闊的市場(chǎng)前景。阻尼可調(diào)式半主動(dòng)懸架分為傳統(tǒng)可調(diào)減振器和電流變、磁流變減振器兩大類(lèi)。1975年，Margolis 等人提出“開(kāi)關(guān)”控制的半主動(dòng)懸架，1988年日本日產(chǎn)公司成功研制Maximn 轎車(chē)和Limmited轎車(chē)上的超聲波懸架系統(tǒng)。2002年，美國(guó)德?tīng)柛９驹贑adillac Seville STS 高檔車(chē)上成功裝備磁流變減振器。

2 懸架控制策略

科技的進(jìn)步與創(chuàng)新無(wú)時(shí)無(wú)刻不在改變我們的生活，懸架的控制系統(tǒng)也早已跨入計(jì)算機(jī)時(shí)代。現(xiàn)在，車(chē)輛主動(dòng)懸架的研究主要包含兩個(gè)方向:一個(gè)是懸架控制方面的理論研究，另一個(gè)是執(zhí)行器(作動(dòng)器)的研發(fā)。其中控制策略的理論研究為作動(dòng)器的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

2.1 天棚控制理論

由美國(guó)控制專(zhuān)家Karnopp 提出的天棚控制思想是在車(chē)身上安裝一個(gè)與車(chē)身振動(dòng)速度成正比的阻尼器，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，阻尼器阻尼會(huì)隨車(chē)身速度變化而變化，阻尼器產(chǎn)生的力與車(chē)身運(yùn)動(dòng)方向相反，這樣就有效防止懸架與車(chē)身產(chǎn)生共振，從而達(dá)到減振的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需車(chē)身傳感器也少，也不需要復(fù)雜的懸架模型，很容易實(shí)現(xiàn)。通用、凱迪拉克轎車(chē)運(yùn)用天棚思想開(kāi)發(fā)了二檔阻尼可調(diào)懸架，美國(guó)通用汽車(chē)某型號(hào)車(chē)采用了開(kāi)關(guān)阻尼減振器，也是天棚思想的延伸。

2.2 最優(yōu)控制理論

最優(yōu)控制理論常用的有三種:預(yù)見(jiàn)最優(yōu)控制、線(xiàn)性最優(yōu)、H 最優(yōu)。較早出現(xiàn)的預(yù)見(jiàn)最優(yōu)控制，是靠安裝在車(chē)身前端的傳感器感知前方道路情況，這樣車(chē)輛前輪就可以預(yù)測(cè)前方路況，將信息傳遞給控制裝置后，由ECU 作出判斷和計(jì)算，進(jìn)而采取一定的控制措施。由于預(yù)測(cè)信息時(shí)間短，多采用超聲波傳感。線(xiàn)性控制針對(duì)線(xiàn)性的汽車(chē)模型，將相互矛盾的控制要求施加在一個(gè)性能指標(biāo)上，從而達(dá)到最優(yōu)控制，但是由于汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，所以線(xiàn)性最優(yōu)控制使用有一定局限性。H 控制方法設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在保證回路穩(wěn)定前提下，盡量使輸出值取最優(yōu)，采用該控制方法的懸架系統(tǒng)具備良好的抵抗未知因素能力。

2.3 智能控制

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，智能控制得到快速發(fā)展。智能控制是模擬人腦的一種控制方法，主要有兩種:模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。模糊控制由美國(guó)控制理論專(zhuān)家扎德提出，由Yoshimuro 教授首先將模糊控制理論應(yīng)用到懸架系統(tǒng)。模糊控制是把精確的數(shù)字變量模糊化，然后通過(guò)專(zhuān)家或熟練人員總結(jié)出的模糊規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，再輸出控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。汽車(chē)懸架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，而模糊控制具有針對(duì)非線(xiàn)性、難以精確建立模型的系統(tǒng)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛應(yīng)用。日本芳村教授試驗(yàn)?zāi)M車(chē)身垂向振動(dòng)和俯仰振動(dòng)，證明了模糊控制在懸架控制方面的有效性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是將生物學(xué)領(lǐng)域中神經(jīng)元知識(shí)應(yīng)用到懸架控制中，由大量神經(jīng)元模擬組成汽車(chē)懸架系統(tǒng)，借鑒人腦智能思維來(lái)進(jìn)行控制。這種控制方法具有獲取、聯(lián)想、記憶、容錯(cuò)性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 聯(lián)合控制

懸架的控制策略有多種，每種控制方法都可以使某一或幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)得到優(yōu)化，但是每一種控制方法都有自己本身存在的弊端，很難同時(shí)使多個(gè)控制目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。為了能最大幅度提高懸架的減振性能，往往把兩種或兩種以上的控制方法進(jìn)行聯(lián)合對(duì)懸架進(jìn)行控制。例如將傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制聯(lián)合設(shè)計(jì)出的模糊PID 控制器、自適應(yīng)模糊PID 控制器，就兼有PID 控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，在仿真試驗(yàn)中也取得了理想的控制效果。國(guó)外學(xué)者將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制混合設(shè)計(jì)應(yīng)用于重型坦克和奔馳高級(jí)轎車(chē)，這種控制方法非常適用于主動(dòng)懸架這樣的非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)。

3 結(jié)論與展望

(1)半主動(dòng)、主動(dòng)懸架已經(jīng)成為懸架的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架阻尼和剛度系數(shù)均不可調(diào)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)汽車(chē)舒適性和行駛平順性的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，成本相對(duì)低的半主動(dòng)懸架具有廣闊的市場(chǎng)空間。

(2)隨著多種控制理論的成熟，聯(lián)合控制策略成為控制理論研究的重點(diǎn)。

(3)懸架系統(tǒng)的研究要結(jié)合理論研究和實(shí)踐、試驗(yàn)相結(jié)合的道路。理論研究已趨于成熟，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)能力、傳感器的可靠性和成本等技術(shù)將是懸架走向?qū)嵱玫耐黄瓶凇?/p>

(4)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展觀念的沉入人心使懸架朝著低能耗、低排放、高效的方向發(fā)展。

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