淺析車輛半主動懸架工作原理及控制方法

王政

摘 要：懸架是汽車的重要部件之一，其性能是提高車輛平順性和安全性的關(guān)鍵。懸架的主要作用是緩沖和吸收因路面不平而產(chǎn)生的激振力，同時承受汽車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的側(cè)傾力，以保證汽車的正常行使。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車的性能也要求越來越高，因此車輛懸架及其振動控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)己成為國內(nèi)外車輛工程領(lǐng)域的熱門課題。

關(guān)鍵字：半主動懸架；激勵；響應(yīng)；控制方法

1 研究背景和意義

傳統(tǒng)懸架（見圖1.1）是由彈簧、減振器（減振筒）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。其中彈簧主要起減緩沖擊力的作用，減振器的主要作用是衰減振動。由于這種懸架是由外力驅(qū)動而起作用的，所以又稱為被動懸架。汽車行駛在不同路面上車輪受到隨機(jī)激勵，由于懸架裝置實(shí)現(xiàn)了車身和車輪的彈性支承，有效地抑制和降低了車體與車輪的動載和振動，從而保證汽車行駛的舒適性和安全性。為了使車身的振動能夠盡量減小，提高其平順性及操縱穩(wěn)定性，人們對彈性元件和減振器組成的減振系統(tǒng)不斷改良革新，使汽車的行使性能隨著汽車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進(jìn)而達(dá)到進(jìn)一步的改善，研究汽車振動，設(shè)計(jì)新型懸架電控系統(tǒng)，將振動控制到最低水平是提高現(xiàn)代汽車品質(zhì)的重要措施。隨著電、液控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和傳感器、微處理器及液、電控元件制造技術(shù)的提高，使可控懸架在車輛上的應(yīng)用成為可能。而且，現(xiàn)代社會對車輛性能及行駛速度的要求也不斷提高，因此對車輛懸架的可控性的要求更為明顯。于是，一些能夠根據(jù)對汽車行駛的路面、工況和載荷等情況的監(jiān)測來控制懸架的工作狀態(tài)，使汽車的整體行駛性能達(dá)到最佳的可控懸架系統(tǒng)，即所謂的智能懸架。最初應(yīng)用的智能懸架是手動調(diào)節(jié)阻尼的懸架，然后進(jìn)一步發(fā)展為電控形式，即懸架阻尼或彈簧的比率在幾檔間由電信號控制，其后發(fā)展為能快速切換或連續(xù)可變阻尼和可變彈簧剛度的半主動懸架。進(jìn)而發(fā)展到有自身能源、能連續(xù)可控的主動懸架系統(tǒng)。這些懸架都是根據(jù)汽車振動的反饋信號來產(chǎn)生控制力，以克服在被動懸架中那種固定彈簧和阻尼系數(shù)的不足。

國內(nèi)在半主動懸架系統(tǒng)研究方面起步較晚，在廣度和深度上也不及國外，但發(fā)展勢頭迅速，各高等院校和科研院所進(jìn)行了大量的理論探索和實(shí)物研究，也取得不少的成就。國內(nèi)的研究主要集中在變阻尼的半主動懸架上。有改變阻尼介質(zhì)粘稠度實(shí)現(xiàn)變阻尼的，還有改變阻尼孔的大小實(shí)現(xiàn)變阻尼的。

2 半主動懸架的工作原理

半主動懸架系統(tǒng)可以根據(jù)路面激勵和車身的響應(yīng)，對懸架參數(shù)進(jìn)行控制，使車身的振動響應(yīng)始終被控制在某個范圍內(nèi)，圖1.2為其工作原理圖。

半主動懸架又可分為可切換半主動懸架和連續(xù)可調(diào)半主動懸架。而可切換半主動懸架中的阻尼系數(shù)只能在幾個離散的阻尼值之間進(jìn)行切換，連續(xù)可調(diào)半主動懸架中的阻尼系數(shù)在一定的范圍內(nèi)可以連續(xù)變化。汽車行駛過程中，當(dāng)車輪受到地面沖擊而向上跳時懸架彈簧收縮并且吸收強(qiáng)大的能量，沖擊過后懸架彈簧通過伸縮試圖釋放存儲的能量，從而使車身發(fā)生上下振動，半主動懸架的功用就是通過對車身運(yùn)動產(chǎn)生可控阻尼力，使振動能量迅速消散，減小甚至消除車身的振動；另外，在汽車轉(zhuǎn)彎行使、緊急制動和急加速等行使?fàn)顟B(tài)下，汽車行駛姿勢發(fā)生變化，給汽車行使安全性和操縱穩(wěn)定性帶來不利影響，此時即可通過減振器的阻尼力，使車身保持穩(wěn)定的行駛姿勢。

傳統(tǒng)懸架由于其剛度和阻尼不可變，當(dāng)路面、車速以及載荷發(fā)生變化時很難適應(yīng)。因此當(dāng)工況改變時，很難滿足期望的性能指標(biāo)。主動懸架雖然性能優(yōu)良，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大且造價昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用，目前仍停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)階段。由彈性元件和阻尼力可控減震器組成的半主動懸架的出現(xiàn)和成熟發(fā)展讓人們更多的將目光聚集到半主動懸架上來，其阻尼或剛度參數(shù)能任意調(diào)節(jié)，故可以根據(jù)汽車行駛狀態(tài)和道路激勵大小主動做出響應(yīng)，以控制懸架系統(tǒng)始終處于最優(yōu)減振狀態(tài)。在現(xiàn)今車輛系統(tǒng)動力學(xué)的研究領(lǐng)域中，半主動懸架系統(tǒng)的控制已經(jīng)越來越多的受到人們的關(guān)注，許多成熟的控制技術(shù)已經(jīng)在半主動懸架系統(tǒng)中得到了應(yīng)用和發(fā)展。半主動懸架已成為國內(nèi)外汽車領(lǐng)域內(nèi)的一個較為活躍的熱門研究課題。

在汽車行駛過程中由于其外界條件變化的隨機(jī)性，因此對汽車半主動懸架的控制變得較為復(fù)雜，雖然近年來不斷引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，同時國內(nèi)學(xué)者在對半主動懸架及其控制的研究方面也做了大量工作，但仍未成功應(yīng)用于實(shí)車。所以，我國和一些發(fā)達(dá)國家在半主動懸架的研究與實(shí)際運(yùn)用方面相比還存在不少的差距。因此，研制出適合半主動懸架控制的控制方法及其性價比較高的可變阻尼減振器，對推進(jìn)我國半主動懸架技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)車應(yīng)用方面具有十分重要的意義。

3 半主動懸架控制方法

在汽車半主動懸架控制系統(tǒng)中，控制方法直接決定了控制的效果。 1973 年，美國的D. A. Crosby 和D. C. Karnopp提出半主動懸架的概念之后，各國學(xué)者陸續(xù)開發(fā)了半主動懸架和相關(guān)的控制方法。就汽車半主動懸架控制方法來說，主要有以下幾種：

1、PID 控制就是偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Differential）的綜合控制。由于其算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，PID控制策略被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。和模糊控制等方法結(jié)合的復(fù)合PID控制應(yīng)是今后的研究方向；

2、天棚和地棚控制是美國學(xué)者 Karnopp 在 1973 年提出的，屬于主動/半主動懸架的經(jīng)典控制邏輯。它設(shè)想將減振器設(shè)置在簧載質(zhì)量和慣性坐標(biāo)（“天棚”）之間，與被動懸架只控制簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的相對運(yùn)動不同，天棚阻尼器直接控制簧載質(zhì)量的絕對運(yùn)動速度而與車輪的運(yùn)動無關(guān)，這是它能使車身取得良好減振特性的原因；

3、自適應(yīng)控制主要是針對路面激勵的隨機(jī)干擾、傳感器測量噪聲及系統(tǒng)模型參數(shù)的不確定性，利用參數(shù)識別理論對模型參數(shù)進(jìn)行在線識別并以此修正控制器規(guī)則、參數(shù)以適應(yīng)變化。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，自適應(yīng)控制存在著難以彌補(bǔ)的嚴(yán)重缺陷，其應(yīng)用的有效性受到了很大的限制。比如車輛參數(shù)的變化可能顯著影響系統(tǒng)的輸出，這可能會使控制器難以區(qū)別系統(tǒng)輸出的變化是來自路面輸入的變化還是來自車輛自身參數(shù)的變化從而不能選擇到真正合適的控制參數(shù)；

4、模糊控制它以系統(tǒng)的某些狀態(tài)量作為輸入，將輸入量模糊化后按一定的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理決策，將得到的控制量作為輸出結(jié)果去控制懸架。模糊控制設(shè)計(jì)不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，控制推理采用不精確推理模仿人的思維過程，魯棒性較強(qiáng)，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯后系統(tǒng)；

4 結(jié)束語

汽車行駛過程中由于外界條件變化的隨機(jī)性，因此對汽車半主動懸架的控制較為復(fù)雜，雖然近年來不斷引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，同時國內(nèi)學(xué)者在對半主動懸架及其控制的研究方面也做了大量工作。但是，我國和一些發(fā)達(dá)國家在半主動懸架的研究與實(shí)際運(yùn)用方面相比還存在不少的差距。因此，研制出適合半主動懸架控制的控制方法及其性價比較高的可變阻尼減振器，對推進(jìn)我國半主動懸架技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)車應(yīng)用方面具有十分重要的意義。

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