主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架研究現(xiàn)狀綜述

章新杰 徐仁輝 賀冠杰

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

主題詞：可控懸架 主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架 主動(dòng)車輪外傾角 主動(dòng)車輪前束角 主動(dòng)彈簧減振器組位置

懸架關(guān)系到汽車的所有動(dòng)力學(xué)性能，而這些性能對(duì)懸架的要求往往是互相矛盾的。根據(jù)懸架的作用原理，可以分為被動(dòng)懸架和可控懸架。被動(dòng)懸架具有成本低、可靠性高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前仍主導(dǎo)市場(chǎng)[1]，但其難以依據(jù)行駛工況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)?？煽貞壹?，也被稱為“智能懸架”，可依據(jù)行駛工況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)懸架性能，改善了汽車的動(dòng)力學(xué)性能，成為目前汽車懸架研究的重點(diǎn)[2]。可控懸架按其工作原理可分為全主動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架。

全主動(dòng)懸架(Full Active Suspension，F(xiàn)AS,簡(jiǎn)稱主動(dòng)懸架)通常是利用高帶寬執(zhí)行元件取代被動(dòng)懸架的彈簧和減振器，系統(tǒng)還包括各種傳感器、信號(hào)處理器和控制單元。主動(dòng)懸架最早出現(xiàn)在上世紀(jì)六十年代[3-4]。Hrovat[5]總結(jié)了最優(yōu)控制技術(shù)在主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。主動(dòng)懸架執(zhí)行元件帶寬越高，實(shí)現(xiàn)越困難，成本和能耗也越高。為了降低所需功率及成本，一些主動(dòng)懸架通常選用低帶寬系統(tǒng)和響應(yīng)較慢的作動(dòng)器，也被稱為“慢主動(dòng)懸架”[2]。慢主動(dòng)懸架作動(dòng)器與彈簧并聯(lián)，拓展懸架系統(tǒng)工作帶寬，減小能耗和作動(dòng)器成本，應(yīng)用于豐田Celica[6]等車型。相比被動(dòng)懸架，主動(dòng)懸架的平順性和車輪接地性能都顯著提高，但受限于成本高、能耗大、系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性差等因素，目前尚未大范圍推廣。

半主動(dòng)懸架(Semi-Active Suspension,SAS)按其工作原理可分為剛度可調(diào)和阻尼可調(diào)?，F(xiàn)有半主動(dòng)懸架多為阻尼可調(diào)，其采用阻尼可調(diào)減振器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的被動(dòng)減振器，根據(jù)車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)減振器阻尼來改善車輛動(dòng)力學(xué)性能。半主動(dòng)懸架按阻尼調(diào)節(jié)方式分為有級(jí)式和無級(jí)式兩種：有級(jí)式通過控制減振器控制閥的閥口開度，在幾個(gè)離散阻尼值之間快速切換，有級(jí)式的結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，但難以適應(yīng)各種行駛工況和道路條件；無級(jí)式一般通過節(jié)流效應(yīng)或改變工作流體的黏度系數(shù)等方式實(shí)現(xiàn)阻尼的連續(xù)可調(diào)。無級(jí)式半主動(dòng)懸架能適應(yīng)一定的行駛工況變化，但結(jié)構(gòu)和控制更加復(fù)雜。半主動(dòng)懸架相對(duì)于主動(dòng)懸架，消耗功率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，目前已經(jīng)有較多應(yīng)用，但相對(duì)于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架，其成本依然偏高。

主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架(Active Geometry Suspension，AGS)是通過控制懸架幾何結(jié)構(gòu)來優(yōu)化懸架性能。相比常見主動(dòng)和半主動(dòng)懸架，主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效兼顧性能和能耗；相對(duì)傳統(tǒng)被動(dòng)懸架，主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架能顯著改善懸架性能。本文重點(diǎn)討論主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，并闡述其發(fā)展趨勢(shì)。

2 主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的原理和特點(diǎn)

2.1 主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的工作原理

主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架通過控制車輛的懸架幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)時(shí)控制車輪定位參數(shù)，如外傾角和前束角，來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)懸架性能。其主動(dòng)變結(jié)構(gòu)裝置一般由作動(dòng)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制單元組成。以圖1所示的雙橫臂式獨(dú)立懸架為例，控制單元根據(jù)汽車行駛工況調(diào)節(jié)作動(dòng)器行程，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞，改變懸架上控制臂1(或其他連桿)的等效桿長，調(diào)整車輪外傾角γ以改善輪胎的接地性，從而提高汽車的操縱穩(wěn)定性。

2.2 主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的特點(diǎn)

主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架目標(biāo)主要是為了更好地實(shí)現(xiàn)懸架的性能，并進(jìn)一步降低成本和能耗[7]。主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架主要具有以下特點(diǎn)：

(1)動(dòng)態(tài)調(diào)整懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，可實(shí)現(xiàn)側(cè)-縱-垂向動(dòng)力學(xué)解耦控制。現(xiàn)有主動(dòng)、半主動(dòng)懸架一般是通過調(diào)整懸架的剛度、阻尼特性或者控制垂向運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)車輛的動(dòng)力學(xué)性能，即通過直接控制垂向運(yùn)動(dòng)來達(dá)到調(diào)整側(cè)、縱向動(dòng)力學(xué)性能，存在一定程度的耦合。主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架直接調(diào)整懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)或縱向動(dòng)力學(xué)，可以與垂向動(dòng)力學(xué)解耦。

(2)主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架便于與現(xiàn)有懸架技術(shù)集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)，成本和能耗較低。

(3)主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架系統(tǒng)故障安全性好，失效時(shí)可蛻變?yōu)閭鹘y(tǒng)懸架。

3 主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的研究現(xiàn)狀

主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架最早出現(xiàn)在一款摩托車的后懸架，通過控制摩托車后彈簧減振器組上連接點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)[8]。Sharp[9]提出一種用于乘用車的可變結(jié)構(gòu)被動(dòng)懸架。Lee[10]等人研究了改變懸架安裝點(diǎn)對(duì)側(cè)傾中心的影響。本文根據(jù)主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的執(zhí)行方式將其分為三類：主動(dòng)車輪外傾角、主動(dòng)車輪前束角和主動(dòng)彈簧減振器組位置。

3.1 主動(dòng)車輪外傾角

圖1 雙橫臂主動(dòng)車輪外傾角懸架示意圖[13]

Nemeth[11-13]提出一種根據(jù)駕駛員方向盤轉(zhuǎn)角改變車輪外傾角的主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架，用于提高車輛行駛穩(wěn)定性(如圖1)，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及魯棒控制方法，并建立了懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則。Park[14]等人建立了控制前懸架外傾角的自行車模型及其控制策略，能減少轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的外傾角和外傾推力。Nemeth[15]對(duì)麥弗遜變結(jié)構(gòu)懸架進(jìn)行了分析和控制設(shè)計(jì)，通過控制麥弗遜后懸架下控制臂改變外傾角，提高汽車的轉(zhuǎn)向能力和車輛穩(wěn)定性，減少前輪所需的轉(zhuǎn)向角。Gaspar[16]通過控制系統(tǒng)產(chǎn)生差動(dòng)力矩和輔助前輪轉(zhuǎn)向角，改變車輪外傾角，提高道路軌道跟蹤能力，并提出了分層控制框架，能實(shí)現(xiàn)局部控制器的獨(dú)立設(shè)計(jì)。

3.2 主動(dòng)車輪前束角

Lee[17]等人開發(fā)了一種主動(dòng)車輪前束角的變結(jié)構(gòu)懸架(Active Geometry Control Suspension，AGCS)，通過作動(dòng)器調(diào)整后輪連桿安裝點(diǎn)的位置，使車輪產(chǎn)生最佳前束角，改善抓地力，提高汽車轉(zhuǎn)向性能。由于控制方向垂直于調(diào)節(jié)車輪前束的作用載荷，系統(tǒng)所需的作用力小，AGCS系統(tǒng)與作用方向相同的變結(jié)構(gòu)懸架系統(tǒng)相比能耗更低[17]。Lee[18]介紹了AGCS系統(tǒng)控制邏輯的開發(fā)，通過對(duì)駕駛員輸入做出及時(shí)可靠的響應(yīng)，能在緊急情況下避免過度轉(zhuǎn)向或甩尾。Goodarzi[19]完善了AGCS系統(tǒng)的分析和控制，研究了懸架幾何結(jié)構(gòu)變化對(duì)側(cè)傾中心高度和前束角的影響，并利用模糊控制理論設(shè)計(jì)了一種自校正比例積分控制器。

3.3 主動(dòng)彈簧減振器組位置

Sharp[8]提出一種彈簧減振器組下連接點(diǎn)位置主動(dòng)調(diào)節(jié)的變結(jié)構(gòu)懸架(Variable Geometry Active Suspension，VGAS)，并設(shè)計(jì)了比例差分(PD)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，通過控制彈簧阻尼器組的下連接點(diǎn)沿導(dǎo)桿移動(dòng)來改變彈簧/阻尼器元件和車輪組件之間的杠桿比，減小車身側(cè)傾，如圖2。由于其作動(dòng)力基本上垂直于懸架垂向作用力，主要用以克服運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，因此VGAS系統(tǒng)對(duì)力和功率需求較低。Watanabe[20]進(jìn)一步對(duì)VGAS進(jìn)行了闡述，討論了涉及比例/微分元件或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并解決了彈簧剛度和預(yù)緊力變化的沖突。

圖2 彈簧減振器組下連接點(diǎn)可調(diào)懸架示意圖[8]

Arana[7]提出了一種彈簧減振器組上連接點(diǎn)主動(dòng)調(diào)節(jié)的變結(jié)構(gòu)懸架(Series Active Variable Geometry Suspension，SAVGS)，以傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架或半主動(dòng)懸架為基礎(chǔ)，通過機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制懸架的幾何結(jié)構(gòu)來改善懸架性能，如圖3所示，通過改變連桿GF的角度，可以改變彈簧減振器組與懸架的相對(duì)位置，從而改善舒適性和懸架的姿態(tài)控制等性能。Arana[21]建立了SAVGS聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧車輛和執(zhí)行器性能，以提高SAVGS性能。Yu[22]對(duì)SAVGS系統(tǒng)進(jìn)行了“四分之一車”實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)被動(dòng)懸架相比，在不降低懸架撓度的情況下，舒適性提高了41%，且SAVGS執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率低于500 W。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了SAVGS控制算法的實(shí)際可行性、建模精度和魯棒性[22]。

4 主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的發(fā)展趨勢(shì)

主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架相對(duì)于傳統(tǒng)懸架有很多優(yōu)勢(shì)，但目前主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架仍有一些問題尚待解決，以下從構(gòu)型設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)及其智能網(wǎng)聯(lián)化下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)三方面分析主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的發(fā)展趨勢(shì)：

(1)在構(gòu)型設(shè)計(jì)方面，可以綜合考慮車型和應(yīng)用場(chǎng)景，探索主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的新構(gòu)型，并研究各種主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步提高性能并降低成本和能耗；需要剖析變結(jié)構(gòu)懸架對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究其綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配方法。

(2)在控制系統(tǒng)方面，需要考慮執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性，并需要引入?yún)?shù)不確定性的解決方法，提高主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架性能；需要明確主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架系統(tǒng)與汽車各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)機(jī)制，建立其多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略；研究控制系統(tǒng)的在線故障診斷方法及控制技術(shù)；建立并完善主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架測(cè)評(píng)及調(diào)校方法。

(3)主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架可以直接調(diào)節(jié)車輛的動(dòng)力學(xué)性能，使車輛響應(yīng)更為敏捷；也能通過控制車身及輪胎姿態(tài)擴(kuò)大車輛的穩(wěn)定域。在智能網(wǎng)聯(lián)背景下，如何有效利用V2X技術(shù)獲取的行駛中的各種信息，提高主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架性能，促進(jìn)懸架、汽車以及載運(yùn)系統(tǒng)的人性化與個(gè)性化發(fā)展是需要深入探索的問題。

圖3 彈簧減振器組上連接點(diǎn)可調(diào)懸架示意圖[7]

5 總結(jié)

本文首先闡述了主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的原理及特點(diǎn)；然后按其工作方式將主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架分為主動(dòng)車輪外傾角、主動(dòng)車輪前束角及主動(dòng)彈簧減振器組位置三種類型，分別總結(jié)了各自的發(fā)展現(xiàn)狀；最后從構(gòu)型設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)及其在智能網(wǎng)聯(lián)化下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)三方面剖析了主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的發(fā)展趨勢(shì)。

主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架通過控制懸架幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，可以實(shí)現(xiàn)側(cè)-縱-垂向動(dòng)力學(xué)解耦控制，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低和故障安全性好等優(yōu)點(diǎn)。未來主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的發(fā)展方向主要有：

（1）通過構(gòu)型設(shè)計(jì)和優(yōu)化提高主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的潛能；

（2）通過與整車的協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)控制策略的研究，充分發(fā)揮主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的性能；

（3）建立并完善主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的測(cè)評(píng)及調(diào)校技術(shù)，為主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架的發(fā)展及推廣提供依據(jù)；

（4）在智能網(wǎng)聯(lián)的背景下，通過其與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的集成，提高主動(dòng)變結(jié)構(gòu)懸架性能，促進(jìn)懸架、汽車以及載運(yùn)系統(tǒng)的人性化與個(gè)性化發(fā)展。