顧笑

摘 要：文章論述了汽車懸架系統(tǒng)的概念、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展現(xiàn)狀，綜合論述了半主動懸架系統(tǒng)在控制策略、控制器、可控減震器的研究。

關(guān)鍵詞：汽車半主動懸架;控制策略

中圖分類號：U461.99 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）10-258-03

A Review of Domestic and Foreign Research on Passenger Car Semi-suspension System

Gu Xiao

（ Jiangsu University， Jiangsu Zhenjiang 212000 ）

Abstract：?This paper discusses the concept of automobile suspension system， the research status and development status at home and abroad， and comprehensively discusses the research of semi-active suspension system in control strategy， contro?-ller， controllable shock absorber.

Keywords： Vehicle Semi-active Suspension; Control Strategy

CLC NO.：?U461.99??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）10-258-03

1 引言

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，主要由減振器、彈簧和轉(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，減小由此引起的承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的平順行駛。懸架系統(tǒng)是車輛的一個重要組成部分。

隨著生活水平的提高，人們對于車輛的節(jié)能 、環(huán)保、智能、安全、舒適性的要求越來越高，而車輛行駛的舒緩穩(wěn)定性和掌控可靠性一定程度上由汽車懸架性能的優(yōu)劣決定的。舊有的懸架系統(tǒng)的提升空間已經(jīng)很小;而主動懸架雖然性能較好，但成本與能耗較大;半主動懸架系統(tǒng)能兼顧性能與能耗兩部分，比起傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)與主動懸架系統(tǒng)更被人們所應用，可發(fā)展空間也較大，是一種具有巨大潛力與發(fā)展前景的懸架系統(tǒng)。

2 國外研究現(xiàn)狀

自汽車進入人們的生活，如何將車輛的懸架設(shè)計得更好更能應用到日常出行中？專家對此一直沒有停歇。

最開始的車輛懸架系統(tǒng)是使用的是裝在馬車的鋼板，效果可想而知。20世紀初，螺旋性彈簧用于車輛，這在當時出現(xiàn)了兩種聲音。一個是強烈要求安裝剛性較強的螺旋彈簧，以便車輪保持著與地面接觸的態(tài)勢，提高輪胎與地面的契合性，但如此一來，帶來一個問題：顛簸感較強烈。另一個，要求采用剛性較軟的，以面對凹凸不平的路面，提高車輛平衡穩(wěn)定性及乘坐的舒適性，但發(fā)現(xiàn)，操縱上有些難把握。

大概在此二十年后，獨立懸架出現(xiàn)，并保持著持續(xù)發(fā)展。減振器也由當初的摩擦式進化成液力式。這些發(fā)展，本質(zhì)還是改良，仍屬于被動式，依舊存在著很大局限性。

1973年，美國加州大學的D.A.Crosby和D.C.Karnopp第一次提出了半主動懸架的概念，基本原理是：用可調(diào)阻尼的減振器或可調(diào)剛度彈簧組成懸架，并根據(jù)簧載質(zhì)量的加速度響應等反饋信息，按照一定的控制規(guī)律，調(diào)節(jié)減振器的阻尼或彈簧剛度，以達到更好的減振效果。1974年，Margolise等人研究創(chuàng)造的半主動懸架是由“開關(guān)”控制的，在后來的改進中，逐漸得到廣泛的應用。1986年，英國的CroellaD.A等人推出了一種非路面車輛的半主動懸架系統(tǒng)，經(jīng)過實踐，此懸架系統(tǒng)的性能比被動懸架系統(tǒng)的性能要更好。2001年，日本的Katseuya等人對鐵路車銹機械技術(shù)上的主動和半主動懸架的控制策略進行了設(shè)想。2006年，比利時的Swevere等人提出了一種無模型顯架控制結(jié)構(gòu)。

2003年，Lord公司和Delph公司聯(lián)手，成功研發(fā)出磁流變液體半主動懸架，并在一些裝備上使用。磁流變液體是指在外加磁場的影響下，流變材料性能發(fā)生劇烈變化的流體;控制磁場強度，可實現(xiàn)磁流變減振器阻尼的無級、連續(xù)調(diào)節(jié)，而磁流變減振器和電流變減振器有相似的特點。美國福特、德國BASF等公司投入巨資對此進行了研究實踐，如Lord開發(fā)的磁流變液MRX-126PD，研發(fā)出單出桿活塞缸結(jié)構(gòu)的磁流變減振器，用于大型載貨汽車半主動懸架減振系統(tǒng)，達到了較好的效果。

但如果只靠減振器調(diào)節(jié)阻尼來提高半主動懸架系統(tǒng)的性能顯然是不夠的，還可通過改變彈性元件的剛度來實現(xiàn)更好的減震。

Hubbard和Margolia于1976年提出，可通過改變彈簧剛度來減少振動。1977年，Hubard等人提出切換空氣彈簧來實現(xiàn)半主動懸架剛度的調(diào)節(jié)。1993年，美國的Youne等人建立了自由度四分之一半主動懸架模型。2006年，日本Yangeng Liu等建立了2個阻尼可調(diào)的減疾器和2個剛度不發(fā)生變化的彈簧構(gòu)成的半主動懸架建模，在空氣懸架的前提下，達到彈性元件剛度的可調(diào)控。G.J.Stein借助前饋與反饋融合的“天棚”掌控理念，借助比例壓力控制閥實現(xiàn)了對空氣彈簧的把控。福特、豐田汽車公司也都陸續(xù)地推出了電子掌控空氣懸架系統(tǒng)，這一系統(tǒng)依據(jù)車載質(zhì)量、車速、地面情況等，對其剛度實現(xiàn)有級把控。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國研究起步有些晚，與國外差距較大。但在國外努力研究實踐的同時，國內(nèi)的專家學者也進行了一些富有成效的研究。

如重慶大學的舒去字研究了主動懸架的模型試驗;北京理工大學的張鳴在半主動懸架的阻尼調(diào)節(jié)理論研究上收獲頗豐;武漢理工大學深入研究了附加輔助氣室的空氣懸架動態(tài)特性……再比如，青島大學提出，可通過全新的免疫粒子群混合優(yōu)化算法來達到對懸架系統(tǒng)的把控。這一控制相較于原先的應用系統(tǒng)的使用，如隨機線性最優(yōu)控制（OG）、預測控制、魯棒控制、模期控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等有著系統(tǒng)控制精度更高、響感速度更快的優(yōu)勢。隨著制造業(yè)信息化現(xiàn)代化進程的加快，這種控制滿足了人們對半主動懸架控制系統(tǒng)越來越高的要求。一定程度上也解決了傳統(tǒng)的控制方法由于計算量大、實時性差等導致系統(tǒng)產(chǎn)生很大的誤差，以致控制效果不理想的問題。專家學者們利用免疫系統(tǒng)的記憶和自我調(diào)節(jié)功能，提高粒子群界法的全局搜索能力，使其效率高，速度快，搜索精度好，可以快速、有效地找到最優(yōu)解，提高了汽車整體的控制性能，減少了可能由于控制不理想導致的汽車安全風險。

總的來看，我國先借助建立車輛懸架系統(tǒng)動力模型，來集成設(shè)計傳感操作及電路和控制電源、執(zhí)行元件等;制訂相應的控制運算，有機整合，形成半主動懸架智控系統(tǒng)。為了節(jié)省有限的資源，減少重復試驗，運用剛體動力學仿真軟件來對整合的智控體系予以驗證;隨后，在試驗室內(nèi)對此智控體系予以隨機的振動檢測，并依據(jù)不同的測試結(jié)果修改不同的預設(shè)算法;最終在上路試行檢測，對懸架系統(tǒng)的減震性能綜合評價，反復實踐，不斷完善?，F(xiàn)在又再進一步，對半主動懸架系統(tǒng)和其他電子控制系統(tǒng)，如防抱死、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向等進行整體研究，集中控制，對各元件和功能有效融合，最終形成集成式的電控底盤。這樣的研究實踐先易后難先簡后繁，事實證明，科學有效。在這當中，天棚阻尼控制、PID控制、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制方法得到了廣泛的研究與應用。這些控制策略可以適應于多種狀態(tài)下的半主動懸架系統(tǒng);但同時，它們也存在共同的問題，就是難以兼顧半主動懸架的穩(wěn)定性和魯棒性能，從而導致整車性能只能折中考慮，不能兼顧各種工況下的車輛性能。所以，在解決半主動懸架的穩(wěn)定性和魯棒性能相協(xié)調(diào)的問題上，還有更大的研究空間。

4 發(fā)展現(xiàn)狀

社會飛速發(fā)展，半主動懸架研究也與時俱進。他的研究主要集中在改變減振器阻尼系數(shù)這一方面，其中阻尼調(diào)節(jié)可采用以下兩種方式：有級可調(diào)減振器阻尼調(diào)節(jié)和無級可調(diào)減振器阻尼調(diào)節(jié)。

有級是借助控制旋轉(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，構(gòu)造比較簡單，便于操作，但不能完全契合適應復雜多變的路況。無級則采用的是連續(xù)阻尼可調(diào)誠振器和電/磁流減振器兩種方法，其中電/磁流減振器采用的電/磁流粘度可調(diào)的液體來達到阻尼的變化，連續(xù)阻尼可調(diào)是通過控制節(jié)流孔徑的調(diào)節(jié)進而控制節(jié)流閥的流通面積來連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼，結(jié)構(gòu)簡單，成本不高，且噪聲小，沖擊弱，驅(qū)動機構(gòu)簡易方便，有一定的潛力與發(fā)展前途。

5 綜合論述

由車輛系統(tǒng)垂向動力學模型可知，描述車身運動的模型參數(shù)載荷、懸架剛度和懸架阻尼的一些參數(shù)涉及路面干擾隨機性等問題，由于原有控制難以處理不確定性的問題，在系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性同時難以兼顧其魯棒性能，因此魯棒控制成為車輛控制領(lǐng)域中的研究熱點。而由于車輛的載荷工況多變性和行駛道路的隨機性，使得車輛在實際行駛過程中存在相當?shù)牟淮_定性，譬如載荷、懸架剛度及阻尼等參數(shù)變化和路面激勵的干擾及未建模誤差等。車輛系統(tǒng)標準模型卻未能考慮參數(shù)化變化、外界干擾和未建模誤差等，因此傳統(tǒng)的以車輛系統(tǒng)標準模型進行懸架控制器的設(shè)計方法難以兼顧穩(wěn)定性和魯棒性能，這就必須通過半懸架系統(tǒng)的研究來兼顧車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

在半主動懸架的研究中，實施剛度控制比阻尼控制困難得多，這是由于車輛彈性件需承受車子的凈載，因此，在當前的智控研究中，以對阻尼控制的研究居多，而對改變彈性元件來提高半主動懸架系統(tǒng)的性能研究較少。

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。而半主動懸架系統(tǒng)主要在控制策略，控制器，可控減振器以期有所突破。

5.1 控制策略的研究

半主動懸架系統(tǒng)的控制基本上涉及了所有的現(xiàn)代控制理論和方法，但由于各種控制方法皆有優(yōu)劣，沒有一種能達到十全十美，因此，綜合應用多種控制方法，或者優(yōu)化某種控制方法是半主動懸架控制發(fā)展策略研究的方向。

5.2 控制器的研究

智能化控制器能根據(jù)路況和車輛振動等信息，自動地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的參數(shù)，使車輛具有良好的行駛平順性、穩(wěn)定性和舒適性。

5.3 可控減振器的研制

可靠的電流變和磁流變可控減振器，低成本、環(huán)保和高可靠性的傳感器以及高性能微處理器是實現(xiàn)半主動懸架更優(yōu)化更實用化的前題。目前，磁流變液雖然已進入商品研發(fā)、應用，但在減振器的應用上，還存噪聲大、耐久性不強、穩(wěn)定性較差等問題，還需進一步深入研究。

事實證明，評估懸架性能優(yōu)劣的主要標準由兩點構(gòu)成：平穩(wěn)順暢和掌控的穩(wěn)定。但兩者常常不能兼顧;所以，什么樣的半主動懸架系統(tǒng)能更好地在二者之間取得合理的平衡，以達到最好效果，這就成了當前需要持續(xù)研究的課題，這也是車輛能否得以發(fā)展的一個重要因素。

參考文獻

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