趙 強，孫 柱

（東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾時，車身兩側(cè)懸架之間會產(chǎn)生相對反向跳動，進(jìn)而加劇車身的側(cè)傾，嚴(yán)重時會造成車輛側(cè)翻。傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿抑制了車輛過大的側(cè)傾角，但因其不能實時調(diào)整懸架的側(cè)傾角剛度，而具有一定的局限性[1]。

主動式穩(wěn)定桿的出現(xiàn)很好地解決了這一問題。它在傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿的基礎(chǔ)上增加了作動器，通過使用觀測估計技術(shù)及特定算法，來實時對車輛施加反側(cè)傾力矩，從而達(dá)到抑制車身側(cè)傾、實現(xiàn)車輛的主動穩(wěn)定控制的目的[2]。對主動式穩(wěn)定桿的研究目前已成為熱點，而對于主動式穩(wěn)定桿的作動器類型、布置形式、控制算法以及觀測器技術(shù)的應(yīng)用，各汽車廠商和研究機構(gòu)或?qū)W者都各有一定的研究和實踐。

本文首先介紹主動式穩(wěn)定桿的工作原理，然后從穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)形式、動力來源、控制算法和實車應(yīng)用等方面介紹目前的研發(fā)現(xiàn)狀，最后總結(jié)出目前主動式穩(wěn)定桿在研發(fā)中存在的問題，并給出相應(yīng)的對策。

1 主動式穩(wěn)定桿的工作原理

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向車身發(fā)生側(cè)傾時，會使穩(wěn)定桿的兩個端部連接點產(chǎn)生相反位移，穩(wěn)定桿被動地發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，會產(chǎn)生抗扭力矩，傳遞到車身上即為反側(cè)傾力矩。

車輛主動式穩(wěn)定桿的內(nèi)置液壓或電動作動器，可以通過主動作動產(chǎn)生反側(cè)傾力矩，而且根據(jù)車身抗側(cè)傾的需要，通過控制算法產(chǎn)生實時可調(diào)的反側(cè)傾力矩。當(dāng)車輛向左轉(zhuǎn)向時，由于離心作用，車身向外側(cè)（右側(cè)）傾斜，前后主動穩(wěn)定桿同時啟動，使每個主動穩(wěn)定桿左、右兩部分產(chǎn)生大小相等方向相反的扭矩，共同對車身產(chǎn)生一個逆時針的反側(cè)傾力矩，從而減小車身的側(cè)傾。

主動穩(wěn)定桿在改善車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的同時也合理地改善了車輪的抓地力，消除被動橫向穩(wěn)定桿在車輛發(fā)生側(cè)傾時造成車輛垂直方向的加速度與位移隨之增大的問題，所以對改善車輛轉(zhuǎn)向性能，提高車輛橫擺穩(wěn)定性也具有重要作用[3]。

2 主動式穩(wěn)定桿的研究現(xiàn)狀

2.1 主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

主動式穩(wěn)定桿在形狀上還是與傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿相似，都是一個U形的具有一定剛度的扭桿彈簧。不同之處在于主動穩(wěn)定桿從中間斷開，或者在兩端與作動器相連，作動器可以控制左右兩個半穩(wěn)定桿及其穩(wěn)定桿本體的扭轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)其扭轉(zhuǎn)剛度的可變性[4]。主動式穩(wěn)定桿的驅(qū)動形式一般采用液壓或電機作為動力源，二者原理基本類似，通過ECU或外掛電腦的控制單元發(fā)送指令來控制液壓馬達(dá)或電動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)[5]，或者控制液壓缸活塞的往復(fù)直線運動。

2.1.1 液壓馬達(dá)式主動穩(wěn)定桿

液壓馬達(dá)是通過液壓系統(tǒng)提供的液壓油控制馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，液壓馬達(dá)可以分為：徑向柱塞式、軸向柱塞式、擺動式和齒輪式馬達(dá)[6]。雙葉片式擺動液壓馬達(dá)通過串聯(lián)的形式安裝在穩(wěn)定桿上，其轉(zhuǎn)子和定子分別與左、右兩個半穩(wěn)定桿連接，通過液壓油腔里的壓力和流量的變化實現(xiàn)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化，進(jìn)而控制左、右兩半穩(wěn)定桿的反側(cè)傾力矩，從而實現(xiàn)車輛姿態(tài)的主動穩(wěn)定控制。

2.1.2 液壓缸式主動穩(wěn)定桿

液壓缸式的主動穩(wěn)定桿其作動器液壓缸與穩(wěn)定桿本體的連接形式一般為并聯(lián)式[7]，液壓缸安裝在穩(wěn)定桿的一側(cè)或兩側(cè)，底部與車輛懸架的下擺臂連接，通過推桿的推拉運動帶動力臂運動，從而使穩(wěn)定桿產(chǎn)生主動的扭轉(zhuǎn)運動；并通過襯套或套筒對車輛懸架施加一個主動的反側(cè)傾力矩。

液壓缸主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液壓缸主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)

配備液壓缸式穩(wěn)定桿的車輛在平整路面上作直線行駛時，車身沒有側(cè)傾的傾向，此時液壓缸處于浮動狀態(tài)，穩(wěn)定桿處于被動穩(wěn)定桿的工作模式。只有當(dāng)ECU或外掛電腦判斷需要對車輛進(jìn)行主動橫向穩(wěn)定控制時，會發(fā)送信號給液壓缸執(zhí)行器，液壓缸介入工作，此時為主動橫向穩(wěn)定控制。

此外，在穩(wěn)定桿液壓元件的輕量化研究上，京西重工在液壓執(zhí)行機構(gòu)上對液壓元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在重量上比之前減重70%[8]。

2.1.3 電機式主動穩(wěn)定桿

電機主要有單通道與雙通道式，應(yīng)用單通道電機式的主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)一般只能控制車輛的側(cè)傾穩(wěn)定，而雙通道的電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)則可以控制車輛的側(cè)傾與橫擺穩(wěn)定[9]。

目前，國內(nèi)外研究的電機式主動穩(wěn)定桿都為雙通道式，其電機式主動穩(wěn)定桿如圖3所示。

圖3 電機式主動穩(wěn)定桿

當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾時，電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)不僅可以產(chǎn)生反側(cè)傾力矩抑制車身側(cè)傾，還可以動態(tài)地分配前后主動穩(wěn)定桿的反側(cè)傾力矩，以提高車輛的橫擺穩(wěn)定性。其電機執(zhí)行器包括左右半穩(wěn)定桿、直流無刷電機和減速器。其工作原理與馬達(dá)式主動穩(wěn)定桿相仿，電機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)過減速器減速增矩輸出到左右半穩(wěn)定桿，從而輸出反側(cè)傾力矩[10-12]。

建立電機式的主動穩(wěn)定桿模型。根據(jù)穩(wěn)定桿機構(gòu)的力學(xué)關(guān)系，近似有：

（1）

式中：φ—車身側(cè)傾角；θbar—左右半穩(wěn)定桿的相對扭轉(zhuǎn)角度；L—穩(wěn)定桿桿身的長度；b—穩(wěn)定桿力臂的長度。

根據(jù)力矩平衡條件，穩(wěn)定桿力臂端部的作用力Fbar可表示為：

（2）

式中：MASB—反側(cè)傾力矩；Mbar—電機執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩。

考慮到減速器的減速增矩作用，通過推導(dǎo)可得：

（3）

式中：Te—電機的輸出轉(zhuǎn)矩；i—減速器傳動比。

重慶交通大學(xué)的趙樹恩等[13]通過研究，設(shè)計了一種新型變剛度的電機式主動橫向穩(wěn)定桿。

該新型直線電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖4所示。

1-主動橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)總成；2-車橋；3-板簧；4-穩(wěn)定桿系統(tǒng)托架；5-穩(wěn)定桿與車橋連接件

1-軸承固定座；2-直線軸承；3-軸承滑動底座；4-穩(wěn)定桿；5-直線作動器；6-滑動導(dǎo)軌圖4 新型直線電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)

此種新型直線式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)主要應(yīng)用在重型商用車上，其穩(wěn)定桿托架固定在車輛縱梁上，穩(wěn)定桿末端與車橋鉸接，軸承固定座與托架相連接。此種變剛度的電機式主動橫向穩(wěn)定桿與傳統(tǒng)電機式主動橫向穩(wěn)定桿不同之處在于：去掉了傳統(tǒng)式中的減速器，并且不再控制穩(wěn)定桿本體的扭轉(zhuǎn)，通過電機控制直線作動器進(jìn)而控制滑動底座的間距，來實現(xiàn)桿件扭轉(zhuǎn)剛度的變化，產(chǎn)生反側(cè)傾力矩來抑制車身側(cè)傾。

東華大學(xué)的王立標(biāo)等[14]針對現(xiàn)有液壓式主動穩(wěn)定桿響應(yīng)速度慢，直流電機式主動穩(wěn)定桿易退磁等問題，提出了磁阻電機驅(qū)動的主動橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)，因其轉(zhuǎn)子沒有永磁體故而不會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，且響應(yīng)速度快、產(chǎn)生的力矩大，彌補了上述液壓式與直流電機式的主動穩(wěn)定桿存在的問題。

南京理工大學(xué)的孔振興等研究設(shè)計的電動式主動穩(wěn)定桿，將直流無刷電機與穩(wěn)定桿桿身通過水平臂與垂直臂以并聯(lián)的形式連接。電機式的主動橫向穩(wěn)定桿不僅可以直接固定連接在左、右半桿上，也可在空間上通過并聯(lián)的形式布置。其中，左半穩(wěn)定桿與水平臂相連，右半穩(wěn)定桿與垂直臂相連，且垂直臂鑲嵌在中空的水平臂之中，這樣就保證了左、右穩(wěn)定桿在空間運動上的相融性。

綜上所述，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置形式的不同，主動式穩(wěn)定桿可分為串聯(lián)式與并聯(lián)式。

串聯(lián)式的主動式穩(wěn)定桿是將作動器直接安裝在穩(wěn)定桿本體上，左、右兩半穩(wěn)定桿直接與作動器兩端相連[15-16]。作動器直接對左右半穩(wěn)定桿進(jìn)行控制[17]；

并聯(lián)式的主動穩(wěn)定桿是作動器不直接安裝在穩(wěn)定桿本體上，而是通過連桿或齒輪等機構(gòu)將作動器與穩(wěn)定桿在空間上形成并聯(lián)的形式。并聯(lián)式的主動橫向穩(wěn)定桿因其在布置上需要較大的空間而在實際中的應(yīng)用較少，并且體積大、重量大，也不符合輕量化的目標(biāo)。

以寶馬、奧迪和路虎這些已經(jīng)量產(chǎn)的車型上出現(xiàn)的主動穩(wěn)定桿為例，在結(jié)構(gòu)的布置形式上無一例外全是串聯(lián)式。串聯(lián)式的主動穩(wěn)定桿在結(jié)構(gòu)上占有空間少，能量損耗小，因此在實際的應(yīng)用中更符合車輛底盤空間布置的需要。

2.2 主動穩(wěn)定桿的輕量化設(shè)計

在保證汽車的可靠性和功能不受影響的前提下，為了最大限度地減輕各零部件質(zhì)量、降低燃耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，也需要對主動橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行輕量化設(shè)計。

根據(jù)汽車輕量化發(fā)展的3個方向，對穩(wěn)定桿輕量化的發(fā)展也從3個方面進(jìn)行。

穩(wěn)定桿輕量化集成如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定桿輕量化集成圖

穩(wěn)定桿輕量化發(fā)展的3個方向為：（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)；（2）在材料選取上選用新型輕質(zhì)材料；（3）在工藝制造上進(jìn)行優(yōu)化革新。

目前，對主動橫向穩(wěn)定桿的輕量化研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上和新材料的選取上。結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化方面，國內(nèi)學(xué)者栗明等[18]研究設(shè)計了空心式穩(wěn)定桿，極大的增加了輕量化程度；并且采用CAD與CAE相結(jié)合的方式，利用ANSYS軟件進(jìn)行桿件強度、壽命校核分析，保證了使用的安全性。

在新材料的選取上，國外研究學(xué)者M(jìn)ASTURA等[19]為減輕整個主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)總質(zhì)量，提出采用天然纖維材料替代穩(wěn)定桿的金屬材料，為找到合適天然纖維，采用層次分析法與環(huán)境功能配置相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究，并且對選取的材料進(jìn)行生命周期評估，最終選取了糖棕纖維這種天然纖維作為混合生物復(fù)合材料，用于穩(wěn)定桿的使用。

2.3 主動穩(wěn)定桿的控制算法

目前，應(yīng)用于主動穩(wěn)定桿的控制算法包括PID控制、模糊控制、LQR最優(yōu)控制、滑?？刂?、魯棒控制、協(xié)同進(jìn)化遺傳算法等控制算法理論。

湖南大學(xué)的周兵等人[20]通過將PID與線性控制相結(jié)合的方法，利用主動懸架與主動穩(wěn)定桿的耦合關(guān)系，設(shè)計了PID集成控制策略；吉林大學(xué)的陳志韜[21]提出一種新的主動穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)，采用線性最優(yōu)二次型控制對車身側(cè)傾進(jìn)行了閉環(huán)控制；南京理工大學(xué)的陳山等[22]針對液壓式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)提出了分層控制算法；合肥工業(yè)大學(xué)的趙福民等[23]針對液壓馬達(dá)式主動穩(wěn)定桿，對其主動控制系統(tǒng)的反饋線性化控制器以及滑模變結(jié)構(gòu)控制器進(jìn)行了設(shè)計，采用了線性化反饋的滑?？刂撇呗?；南京理工大學(xué)的丁義蘭等[24]采用ADAMS和Matlab聯(lián)合仿真的方式，設(shè)計了基于邏輯條件判斷的多策略集成控制算法；南京理工大學(xué)的李姣等[25]針對電動車設(shè)計了一套包含控制單元、各種傳感器、激勵器以及穩(wěn)定桿主體的電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)；湖南大學(xué)的呂緒寧等[26]對汽車主動穩(wěn)定桿與主動前輪轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究，設(shè)計了ARB和AFS的協(xié)調(diào)控制器，顯著改善了汽車的橫擺穩(wěn)定性、側(cè)傾性、主動安全性；華南理工的李真炎等[27]針對電機作為驅(qū)動力單元的主動穩(wěn)定桿，采用PID控制策略減少了車輛在特殊工況下的車身側(cè)傾角，實現(xiàn)了車身側(cè)傾的主動控制；合肥工業(yè)大學(xué)的陳祥林等[28]對主動橫向穩(wěn)定控制研究采用模糊滑?？刂扑惴ǎO(shè)計了基于DSP的具有嵌入式C代碼自動生成功能的仿真控制平臺。

2.4 主動穩(wěn)定桿的應(yīng)用現(xiàn)狀

關(guān)于主動式穩(wěn)定桿的應(yīng)用，國內(nèi)車企還未將其應(yīng)用到量產(chǎn)車型上。國外在寶馬、奧迪、路虎等一些車型上現(xiàn)在均已實現(xiàn)較為成熟的應(yīng)用。

全新寶馬7系配備了主動動態(tài)行駛穩(wěn)定防側(cè)傾系統(tǒng)，該系統(tǒng)由裝有液壓馬達(dá)式的主動穩(wěn)定桿和空氣彈簧組合而成[29-30]。

寶馬7系轎車主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖6所示。

該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)由液壓馬達(dá)、齒輪等組成。液壓馬達(dá)的控制與調(diào)節(jié)主要是根據(jù)車輛的行駛速度、橫向加速度、橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角等來實現(xiàn)；車輛轉(zhuǎn)向時由于離心力的作用會使車身發(fā)生側(cè)傾，其懸架系統(tǒng)配備主動穩(wěn)定桿，液壓馬達(dá)根據(jù)傳感器信號實現(xiàn)穩(wěn)定桿變剛度調(diào)節(jié)，從而動態(tài)地抑制車身側(cè)傾。

奧迪A8配備了電機式的主動穩(wěn)定桿，其主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 奧迪A8主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)

圖7中，電機的轉(zhuǎn)矩通過減速增矩后，帶動搖臂轉(zhuǎn)動；搖臂通過連桿機構(gòu)將動力傳至下橫臂，進(jìn)而控制下橫臂的運動，以實現(xiàn)對車輪跳動的控制[31-32]。同時，動力可以沿相反路徑傳至電機，由不平路面引起的車輪跳動，可以通過該路徑帶動電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)電機的發(fā)電，對蓄電池進(jìn)行充電。

路虎則是配備了電動液壓式的主動穩(wěn)定桿，其由帶整體式執(zhí)行器的前后穩(wěn)定桿、兩個加速度傳感器、控制模塊、液壓泵、閥組和儲液罐組成[33-35]，其主動穩(wěn)定桿如圖8所示。

圖8 路虎攬勝主動穩(wěn)定桿1-右穩(wěn)定桿；2-穩(wěn)定桿支架；3-穩(wěn)定桿安裝襯套；4-執(zhí)行器；5-穩(wěn)定桿；6-左穩(wěn)定桿

路虎攬勝主動穩(wěn)定桿的左右兩半穩(wěn)定桿是斷開的，中間通過一體式的液壓馬達(dá)將兩個穩(wěn)定桿進(jìn)行連接。整個主動穩(wěn)定系統(tǒng)使用上、下兩個加速度傳感器，下加速度傳感器用于測量車輛的橫向加速度，以防車輛發(fā)生側(cè)翻；上加速度傳感器起到輔助作用，與下加速度傳感器進(jìn)行車輛側(cè)翻的矯正和故障的檢測。上、下加速度傳感器都能夠測量±1.11 g范圍內(nèi)的加速度值[36]。

3 存在問題及發(fā)展展望

綜上所述，筆者得出主動穩(wěn)定桿在研究中存在的問題和發(fā)展方向：

（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：通過機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更合理的穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)和布置形式，是穩(wěn)定桿研究的重要問題。一般情況下，乘用車即轎車與SUV汽車在安裝主動穩(wěn)定桿時多考慮采用的是串聯(lián)式[37]。因其在空間上的布局更加緊湊，符合車企對底盤空間的布置要求。大型的商用車如載貨汽車、大型客車因其底盤的布置空間大，多考慮采用并聯(lián)式的主動穩(wěn)定桿[38]。

在未來的研究設(shè)計中，乘用車將采用電機驅(qū)動的主動穩(wěn)定桿（因其結(jié)構(gòu)更緊湊可作為研發(fā)的重點方向），而重型商用車采用液壓式主動穩(wěn)定桿（因其可提供更大扭矩的抗側(cè)傾力矩），能源利用的高效化也可作為研發(fā)的重點方向。另外，可以采用組合式的布置形式，以追求在空間布置上的多變化；

（2）在主動穩(wěn)定桿控制算法方面：實現(xiàn)主動穩(wěn)定桿響應(yīng)的快速性與準(zhǔn)確性，同時具有更高的魯棒性與抗干擾性。如何更加精確地過濾噪聲是目前需要解決的難點，應(yīng)針對性地討論采用加入更高效的卡爾曼濾波方法，來實現(xiàn)對噪聲的過濾與預(yù)測；

（3）在主動穩(wěn)定桿與轉(zhuǎn)向、制動、懸架等其他總成的集成控制方面：研究如何將主動穩(wěn)定桿的控制和車輛差動制動、主動轉(zhuǎn)向等有機集成，提高車輛橫擺、側(cè)傾的綜合穩(wěn)定性；

（4）在穩(wěn)定桿的輕量化研究上：優(yōu)化結(jié)構(gòu)；在材料選取上選用新型輕質(zhì)材料；在工藝制造上進(jìn)行優(yōu)化革新。通過輕量化設(shè)計最大限度地減輕主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)的總質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)束語

主動穩(wěn)定桿在主動控制元件裝備越來越多的今天具有較高的研究和應(yīng)用價值，其在抑制車身側(cè)傾、橫擺等方面的作用十分明顯，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制算法方面還存在問題，理論上有待進(jìn)一步完善：

（1）應(yīng)用最新的材料進(jìn)行主動穩(wěn)定桿的輕量化設(shè)計，采用機構(gòu)學(xué)理論設(shè)計和優(yōu)化更合理的主動穩(wěn)定桿機構(gòu)，以減少主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)尺寸和占用空間，并增大主動穩(wěn)定桿扭矩的輸出；

（2）設(shè)計更有效的濾波和控制算法，提高主動穩(wěn)定桿的響應(yīng)性和魯棒性能；

（3）研究主動穩(wěn)定桿和底盤其他總成的有效集成，綜合提高車輛穩(wěn)定性。

筆者認(rèn)為，以上幾點將是主動穩(wěn)定桿未來的研發(fā)方向。