汽車懸架系統(tǒng)主動振動控制初探

張學(xué)明

摘 要：汽車懸架系統(tǒng)位于車身和車輪中間，作用在于緩沖地面不平坦帶來的震動，保證行車的舒適和安全?，F(xiàn)代主動懸架系統(tǒng)和半主動懸架系統(tǒng)有助于控制汽車動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)，促進(jìn)汽車行駛性能的優(yōu)化。通過對汽車的主動懸架和半主動懸架系統(tǒng)進(jìn)行分析，對主動懸架系統(tǒng)的振動控制策略進(jìn)行了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：懸架系統(tǒng)；振動控制；控制方法；減震器

中圖分類號：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）04-0004-02

懸架系統(tǒng)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振裝置組成，是車身和車輪間傳力連接裝置的總稱。在汽車行駛過程中，路面作用力、車輪垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力等產(chǎn)生的力矩都要通過懸架系統(tǒng)傳遞到車身，所以說，懸架系統(tǒng)的減振性能關(guān)系到汽車行車的安全和舒適度。

傳統(tǒng)汽車懸架系統(tǒng)是一種被動控制系統(tǒng)，其中的彈性元件剛度值是固定的，阻尼元件的阻尼值也是固定的，無法根據(jù)汽車行駛情況的變化而變化。在具體設(shè)計中，就算是實現(xiàn)了最優(yōu)化設(shè)計，也只能針對某些特定激勵產(chǎn)生最優(yōu)響應(yīng)，一旦實際行駛中激勵出現(xiàn)變化，懸架系統(tǒng)的性能就不再是最優(yōu)了。由此，設(shè)計一個綜合性能良好的懸架系統(tǒng)已成為現(xiàn)代汽車研究的一項重要內(nèi)容。近年來，信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展為新型懸架系統(tǒng)開辟了道路，為設(shè)計出具有良減震性能的懸架系統(tǒng)提供了條件。

1 主動懸架和半主動懸架概述

汽車的主動懸架思想最早由GM公司的Erspiel-Labrosse在懸架設(shè)計中提出，緊接著，W.O.Obson和L.R.Lawrther也進(jìn)行了類似的研究，最后，Thonpson總結(jié)了主動懸架的思想和控制規(guī)律。

主動懸架系統(tǒng)的工作原理是：傳感器采集汽車行駛中的震動信息，并傳遞給控制中心，控制中心根據(jù)震動情況作出一定的判斷，并發(fā)布控制指令給執(zhí)行器。在發(fā)布指令的過程中，能量源會發(fā)出一個控制力，配合執(zhí)行器采取相應(yīng)的動作，起到減震效果。圖1所示為一個簡單的主動懸架系統(tǒng)。主動懸架系統(tǒng)造價高昂，能量消耗大，因而只在一些高級轎車中應(yīng)用。目前汽車行業(yè)多采用半主動懸架系統(tǒng)，雖說減震效果不如主動懸架系統(tǒng)，但相差不大，且具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、不需要消耗能量等優(yōu)點，因而在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，圖2就是半主動懸架系統(tǒng)。與主動懸架系統(tǒng)相比，半主動懸架系統(tǒng)用可調(diào)彈性元件替代力發(fā)生器，并與普通彈簧形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，能根據(jù)力控制信號作出相應(yīng)的控制反應(yīng)。

早在20世紀(jì)80年代，國外就開始將半懸架系統(tǒng)應(yīng)用于汽車的設(shè)計和制造中，這種懸架系統(tǒng)和被動懸架系統(tǒng)相比具有更好的減振性能。1984年，日本推出一種聲納式半主動懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用預(yù)測控制方法，能預(yù)測汽車行駛前方的路況，然后根據(jù)信息調(diào)整工作狀態(tài)，以起到減震效果。1994年，Prinkos等人將電流和磁流變流體作為工作介質(zhì)研究出一種半主動懸架系統(tǒng)，接著，Delphi等人將這一想法付諸實踐，研發(fā)出一種磁流變流體減震器，設(shè)計出新型半主動懸架系統(tǒng)，這種懸架系統(tǒng)大大提高了減震器的動作速度，提高了汽車的減震性能。

2 主動懸架的振動控制策略

信息技術(shù)已經(jīng)深入社會經(jīng)濟(jì)生活的方方面面，汽車的懸架系統(tǒng)也進(jìn)入了微處理器時代，運(yùn)用最優(yōu)控制方法實現(xiàn)懸架減振性能的最優(yōu)化，實現(xiàn)能耗的最低化。目前，較為常見的汽車懸架系統(tǒng)控制方法有天棚控制思想、預(yù)測控制、最優(yōu)控制和智能控制等。

2.1 天棚控制思想

天棚控制思想最早由美國學(xué)者Karnopp等人提出，他們提出：在車身上安裝一個阻尼器，該阻尼器的阻尼值會隨著汽車振動速度的變化而變化，并成正比關(guān)系，這樣就能有效防止車身與懸架系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象，也就能起到減震效果。

天棚控制思想忽略了行車中的很多現(xiàn)實因素，所以說是一種理想狀態(tài)的車體震動控制策略。Karnopp等人為實現(xiàn)該想法，提出了開關(guān)阻尼概念——利用控制信號調(diào)節(jié)阻尼器的工作狀態(tài)，調(diào)整阻尼值。豐田soarer轎車、通用凱迪拉克轎車運(yùn)用了天棚控制思想，形成了二檔阻尼可調(diào)動懸架系統(tǒng)。福特藍(lán)鳥轎車、福特蘭夫人轎車采用了三檔阻尼可調(diào)動懸架系統(tǒng)。

2.2 最優(yōu)控制方法

目前常見的最優(yōu)控制方法有三種：線性最優(yōu)、預(yù)見最優(yōu)、H∞最優(yōu)。線性最優(yōu)控制建立在理想汽車模型上，受控對象是線性的，性能指標(biāo)是受控對象的狀態(tài)矢量和控制矢量的二次型函數(shù)，將相互矛盾的要求控制在一個性能指標(biāo)上，最終實現(xiàn)最優(yōu)控制。預(yù)見最優(yōu)控制方法出現(xiàn)得較早，它是利用預(yù)先確定的前方路面信息來確定車輛的行為，車輛的前輪可以預(yù)測前方行駛信息，并將信息傳遞給控制結(jié)構(gòu)，進(jìn)而采取一定的控制行為?？梢悦黠@看出，前輪預(yù)測信息傳遞給控制結(jié)構(gòu)過程需要一定的時間。由于預(yù)測信息來自于汽車前輪，所以時間非常短，目前多采用超聲波傳感器來進(jìn)行路面信息的采集。德國奔馳2000款C1型汽車的懸架系統(tǒng)就是采用預(yù)見控制方法，尤其體現(xiàn)在汽車的拐彎工況中，汽車出現(xiàn)拐彎傾向時，懸架系統(tǒng)上的傳感器就能迅速檢測到車身的傾斜度和橫向加速度，并通過微機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，最終確定在什么地方將多余負(fù)載加到懸架系統(tǒng)上，從而實現(xiàn)車身傾斜度的最小化，保證行車安全和舒適性。H∞最優(yōu)控制方法是設(shè)計一種閉環(huán)系統(tǒng)，在各回路穩(wěn)定狀態(tài)下，使相對輸出取值最小。該控制方法能使汽車的懸架系統(tǒng)具有較好的抵抗不確定性因素的能力。該方法在德國大眾汽車公司的底盤上得到了充分應(yīng)用。

2.3 智能控制方法

智能控制就是一種人腦控制方法，主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制。模糊控制方法將數(shù)字變量轉(zhuǎn)化成語言變量，加入大量的控制經(jīng)驗知識，進(jìn)行一種人腦的智能控制。日本芳村教授運(yùn)用計算機(jī)模擬出車身的垂直振動和俯仰振動，證明模糊控制方法的合理性。合肥工業(yè)大學(xué)的方錫邦等人利用模糊控制思想設(shè)計出一種汽車懸架系統(tǒng)，進(jìn)行實車研發(fā)發(fā)現(xiàn)，其減震效果比傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)有很大提高。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法將生物學(xué)領(lǐng)域關(guān)于人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識應(yīng)用到汽車振動控制中，將大量類似人腦神經(jīng)元的基本信息連接起來形成一個汽車傳動系統(tǒng)，運(yùn)用人腦的智能思維來進(jìn)行汽車傳動的控制。這種懸架系統(tǒng)需要運(yùn)用到分布式處理方法，能模仿人的大腦，進(jìn)行知識的獲取、記憶、聯(lián)想，具有適應(yīng)性強(qiáng)、容錯性好等優(yōu)點，在汽車懸架振動控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

2.4 復(fù)合控制

雖然說當(dāng)前的汽車懸架系統(tǒng)振動控制方法越來越多，但是其減震效果只能說比傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)要好一些，每種控制方法都有一定的劣勢。為了大幅度提高振動控制效果，將兩種或以上的控制方法有機(jī)結(jié)合起來形成復(fù)合控制是非常必要的，社會實踐中應(yīng)用一種振動控制方法取得的成功案例遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于應(yīng)用兩種控制方法的成功案例。由此可見，復(fù)合控制是未來汽車懸架控制系統(tǒng)的主要研究方向。法國的雪鐵龍桑迪亞設(shè)計了一種主動懸架系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中的5個傳感器分別向微電腦傳遞車速、制動系統(tǒng)、油門踏板、方向盤、車身垂直振幅信息，而微電腦則將接收的信息與之前設(shè)定好的臨界值進(jìn)行對比分析，然后確定最優(yōu)懸架工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

汽車懸架系統(tǒng)主動振動控制策略研究是當(dāng)前汽車動力系統(tǒng)和控制領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展使得主動控制懸架振動控制系統(tǒng)成為研究重點，其已經(jīng)進(jìn)入實用階段。環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心使得汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向是朝著低耗能、低排放、高效等方向發(fā)展，去解決實際應(yīng)用中的技術(shù)問題，從而推動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]曲正新，劉世剛.汽車懸架系統(tǒng)振動控制的研究[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2009（02）：256-257.

〔編輯：陳文強(qiáng)〕

Abstract： The vehicle suspension system of the vehicle body and wheel in the middle， the role is to buffer the shock caused by uneven ground， to ensure driving comfort and safety. Modern active suspension system and semi-active suspension system helps to control the working status of automotive power systems， promote the optimization of performance cars. Through the active suspension vehicles and semi-active suspension system for analysis， vibration control strategy of active suspension systems were discussed in detail.

Key words： suspension systems； vibration control； control methods； shock absorbers

2.4 復(fù)合控制

雖然說當(dāng)前的汽車懸架系統(tǒng)振動控制方法越來越多，但是其減震效果只能說比傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)要好一些，每種控制方法都有一定的劣勢。為了大幅度提高振動控制效果，將兩種或以上的控制方法有機(jī)結(jié)合起來形成復(fù)合控制是非常必要的，社會實踐中應(yīng)用一種振動控制方法取得的成功案例遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于應(yīng)用兩種控制方法的成功案例。由此可見，復(fù)合控制是未來汽車懸架控制系統(tǒng)的主要研究方向。法國的雪鐵龍桑迪亞設(shè)計了一種主動懸架系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中的5個傳感器分別向微電腦傳遞車速、制動系統(tǒng)、油門踏板、方向盤、車身垂直振幅信息，而微電腦則將接收的信息與之前設(shè)定好的臨界值進(jìn)行對比分析，然后確定最優(yōu)懸架工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

汽車懸架系統(tǒng)主動振動控制策略研究是當(dāng)前汽車動力系統(tǒng)和控制領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展使得主動控制懸架振動控制系統(tǒng)成為研究重點，其已經(jīng)進(jìn)入實用階段。環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心使得汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向是朝著低耗能、低排放、高效等方向發(fā)展，去解決實際應(yīng)用中的技術(shù)問題，從而推動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]曲正新，劉世剛.汽車懸架系統(tǒng)振動控制的研究[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2009（02）：256-257.

〔編輯：陳文強(qiáng)〕

Abstract： The vehicle suspension system of the vehicle body and wheel in the middle， the role is to buffer the shock caused by uneven ground， to ensure driving comfort and safety. Modern active suspension system and semi-active suspension system helps to control the working status of automotive power systems， promote the optimization of performance cars. Through the active suspension vehicles and semi-active suspension system for analysis， vibration control strategy of active suspension systems were discussed in detail.

Key words： suspension systems； vibration control； control methods； shock absorbers

2.4 復(fù)合控制

雖然說當(dāng)前的汽車懸架系統(tǒng)振動控制方法越來越多，但是其減震效果只能說比傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)要好一些，每種控制方法都有一定的劣勢。為了大幅度提高振動控制效果，將兩種或以上的控制方法有機(jī)結(jié)合起來形成復(fù)合控制是非常必要的，社會實踐中應(yīng)用一種振動控制方法取得的成功案例遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于應(yīng)用兩種控制方法的成功案例。由此可見，復(fù)合控制是未來汽車懸架控制系統(tǒng)的主要研究方向。法國的雪鐵龍桑迪亞設(shè)計了一種主動懸架系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中的5個傳感器分別向微電腦傳遞車速、制動系統(tǒng)、油門踏板、方向盤、車身垂直振幅信息，而微電腦則將接收的信息與之前設(shè)定好的臨界值進(jìn)行對比分析，然后確定最優(yōu)懸架工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

汽車懸架系統(tǒng)主動振動控制策略研究是當(dāng)前汽車動力系統(tǒng)和控制領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，信息技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展使得主動控制懸架振動控制系統(tǒng)成為研究重點，其已經(jīng)進(jìn)入實用階段。環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心使得汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向是朝著低耗能、低排放、高效等方向發(fā)展，去解決實際應(yīng)用中的技術(shù)問題，從而推動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]曲正新，劉世剛.汽車懸架系統(tǒng)振動控制的研究[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2009（02）：256-257.

〔編輯：陳文強(qiáng)〕

Abstract： The vehicle suspension system of the vehicle body and wheel in the middle， the role is to buffer the shock caused by uneven ground， to ensure driving comfort and safety. Modern active suspension system and semi-active suspension system helps to control the working status of automotive power systems， promote the optimization of performance cars. Through the active suspension vehicles and semi-active suspension system for analysis， vibration control strategy of active suspension systems were discussed in detail.

Key words： suspension systems； vibration control； control methods； shock absorbers