乘用車(chē)半懸架系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究綜述

顧笑

摘 要：文章論述了汽車(chē)懸架系統(tǒng)的概念、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展現(xiàn)狀，綜合論述了半主動(dòng)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(chē)半主動(dòng)懸架;控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.99 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(chē)懸架系統(tǒng)是指連接車(chē)身和車(chē)輪之間全部零部件的總稱(chēng)，主要由減振器、彈簧和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三大部分組成，其作用是傳遞車(chē)輪和車(chē)架之間的一切力和力矩，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架（或車(chē)身）的沖擊載荷，減小由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車(chē)的平順行駛。懸架系統(tǒng)是車(chē)輛的一個(gè)重要組成部分。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)于車(chē)輛的節(jié)能 、環(huán)保、智能、安全、舒適性的要求越來(lái)越高，而車(chē)輛行駛的舒緩穩(wěn)定性和掌控可靠性一定程度上由汽車(chē)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(dòng)懸架雖然性能較好，但成本與能耗較大;半主動(dòng)懸架系統(tǒng)能兼顧性能與能耗兩部分，比起傳統(tǒng)被動(dòng)懸架系統(tǒng)與主動(dòng)懸架系統(tǒng)更被人們所應(yīng)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(guó)外研究現(xiàn)狀

自汽車(chē)進(jìn)入人們的生活，如何將車(chē)輛的懸架設(shè)計(jì)得更好更能應(yīng)用到日常出行中？專(zhuān)家對(duì)此一直沒(méi)有停歇。

最開(kāi)始的車(chē)輛懸架系統(tǒng)是使用的是裝在馬車(chē)的鋼板，效果可想而知。20世紀(jì)初，螺旋性彈簧用于車(chē)輛，這在當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了兩種聲音。一個(gè)是強(qiáng)烈要求安裝剛性較強(qiáng)的螺旋彈簧，以便車(chē)輪保持著與地面接觸的態(tài)勢(shì)，提高輪胎與地面的契合性，但如此一來(lái)，帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：顛簸感較強(qiáng)烈。另一個(gè)，要求采用剛性較軟的，以面對(duì)凹凸不平的路面，提高車(chē)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(dú)立懸架出現(xiàn)，并保持著持續(xù)發(fā)展。減振器也由當(dāng)初的摩擦式進(jìn)化成液力式。這些發(fā)展，本質(zhì)還是改良，仍屬于被動(dòng)式，依舊存在著很大局限性。

1973年，美國(guó)加州大學(xué)的D.A.Crosby和D.C.Karnopp第一次提出了半主動(dòng)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(yīng)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(dá)到更好的減振效果。1974年，Margolise等人研究創(chuàng)造的半主動(dòng)懸架是由“開(kāi)關(guān)”控制的，在后來(lái)的改進(jìn)中，逐漸得到廣泛的應(yīng)用。1986年，英國(guó)的CroellaD.A等人推出了一種非路面車(chē)輛的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，此懸架系統(tǒng)的性能比被動(dòng)懸架系統(tǒng)的性能要更好。2001年，日本的Katseuya等人對(duì)鐵路車(chē)銹機(jī)械技術(shù)上的主動(dòng)和半主動(dòng)懸架的控制策略進(jìn)行了設(shè)想。2006年，比利時(shí)的Swevere等人提出了一種無(wú)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(dòng)懸架，并在一些裝備上使用。磁流變液體是指在外加磁場(chǎng)的影響下，流變材料性能發(fā)生劇烈變化的流體;控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)磁流變減振器阻尼的無(wú)級(jí)、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(diǎn)。美國(guó)福特、德國(guó)BASF等公司投入巨資對(duì)此進(jìn)行了研究實(shí)踐，如Lord開(kāi)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(chē)半主動(dòng)懸架減振系統(tǒng)，達(dá)到了較好的效果。

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

Hubbard和Margolia于1976年提出，可通過(guò)改變彈簧剛度來(lái)減少振動(dòng)。1977年，Hubard等人提出切換空氣彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架剛度的調(diào)節(jié)。1993年，美國(guó)的Youne等人建立了自由度四分之一半主動(dòng)懸架模型。2006年，日本Yangeng Liu等建立了2個(gè)阻尼可調(diào)的減疾器和2個(gè)剛度不發(fā)生變化的彈簧構(gòu)成的半主動(dòng)懸架建模，在空氣懸架的前提下，達(dá)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(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣彈簧的把控。福特、豐田汽車(chē)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(chē)載質(zhì)量、車(chē)速、地面情況等，對(duì)其剛度實(shí)現(xiàn)有級(jí)把控。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)研究起步有些晚，與國(guó)外差距較大。但在國(guó)外努力研究實(shí)踐的同時(shí)，國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家學(xué)者也進(jìn)行了一些富有成效的研究。

如重慶大學(xué)的舒去字研究了主動(dòng)懸架的模型試驗(yàn);北京理工大學(xué)的張鳴在半主動(dòng)懸架的阻尼調(diào)節(jié)理論研究上收獲頗豐;武漢理工大學(xué)深入研究了附加輔助氣室的空氣懸架動(dòng)態(tài)特性……再比如，青島大學(xué)提出，可通過(guò)全新的免疫粒子群混合優(yōu)化算法來(lái)達(dá)到對(duì)懸架系統(tǒng)的把控。這一控制相較于原先的應(yīng)用系統(tǒng)的使用，如隨機(jī)線(xiàn)性最優(yōu)控制（OG）、預(yù)測(cè)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(shì)。隨著制造業(yè)信息化現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，這種控制滿(mǎn)足了人們對(duì)半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)越來(lái)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(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差等導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生很大的誤差，以致控制效果不理想的問(wèn)題。專(zhuān)家學(xué)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(chē)整體的控制性能，減少了可能由于控制不理想導(dǎo)致的汽車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)。

總的來(lái)看，我國(guó)先借助建立車(chē)輛懸架系統(tǒng)動(dòng)力模型，來(lái)集成設(shè)計(jì)傳感操作及電路和控制電源、執(zhí)行元件等;制訂相應(yīng)的控制運(yùn)算，有機(jī)整合，形成半主動(dòng)懸架智控系統(tǒng)。為了節(jié)省有限的資源，減少重復(fù)試驗(yàn)，運(yùn)用剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件來(lái)對(duì)整合的智控體系予以驗(yàn)證;隨后，在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)此智控體系予以隨機(jī)的振動(dòng)檢測(cè)，并依據(jù)不同的測(cè)試結(jié)果修改不同的預(yù)設(shè)算法;最終在上路試行檢測(cè)，對(duì)懸架系統(tǒng)的減震性能綜合評(píng)價(jià)，反復(fù)實(shí)踐，不斷完善?，F(xiàn)在又再進(jìn)一步，對(duì)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)和其他電子控制系統(tǒng)，如防抱死、驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向等進(jìn)行整體研究，集中控制，對(duì)各元件和功能有效融合，最終形成集成式的電控底盤(pán)。這樣的研究實(shí)踐先易后難先簡(jiǎn)后繁，事實(shí)證明，科學(xué)有效。在這當(dāng)中，天棚阻尼控制、PID控制、自適應(yīng)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(yīng)用。這些控制策略可以適應(yīng)于多種狀態(tài)下的半主動(dòng)懸架系統(tǒng);但同時(shí)，它們也存在共同的問(wèn)題，就是難以兼顧半主動(dòng)懸架的穩(wěn)定性和魯棒性能，從而導(dǎo)致整車(chē)性能只能折中考慮，不能兼顧各種工況下的車(chē)輛性能。所以，在解決半主動(dòng)懸架的穩(wěn)定性和魯棒性能相協(xié)調(diào)的問(wèn)題上，還有更大的研究空間。

4 發(fā)展現(xiàn)狀

社會(huì)飛速發(fā)展，半主動(dòng)懸架研究也與時(shí)俱進(jìn)。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(jí)可調(diào)減振器阻尼調(diào)節(jié)和無(wú)級(jí)可調(diào)減振器阻尼調(diào)節(jié)。

有級(jí)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(jiǎn)單，便于操作，但不能完全契合適應(yīng)復(fù)雜多變的路況。無(wú)級(jí)則采用的是連續(xù)阻尼可調(diào)誠(chéng)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(lái)達(dá)到阻尼的變化，連續(xù)阻尼可調(diào)是通過(guò)控制節(jié)流孔徑的調(diào)節(jié)進(jìn)而控制節(jié)流閥的流通面積來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本不高，且噪聲小，沖擊弱，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易方便，有一定的潛力與發(fā)展前途。

5 綜合論述

由車(chē)輛系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型可知，描述車(chē)身運(yùn)動(dòng)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(jī)性等問(wèn)題，由于原有控制難以處理不確定性的問(wèn)題，在系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性同時(shí)難以兼顧其魯棒性能，因此魯棒控制成為車(chē)輛控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。而由于車(chē)輛的載荷工況多變性和行駛道路的隨機(jī)性，使得車(chē)輛在實(shí)際行駛過(guò)程中存在相當(dāng)?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(lì)的干擾及未建模誤差等。車(chē)輛系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(chē)輛系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行懸架控制器的設(shè)計(jì)方法難以兼顧穩(wěn)定性和魯棒性能，這就必須通過(guò)半懸架系統(tǒng)的研究來(lái)兼顧車(chē)輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

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

開(kāi)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(chē)輛懸架系統(tǒng)發(fā)展的方向。而半主動(dòng)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(dòng)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(méi)有一種能達(dá)到十全十美，因此，綜合應(yīng)用多種控制方法，或者優(yōu)化某種控制方法是半主動(dòng)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(chē)輛振動(dòng)等信息，自動(dòng)地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的參數(shù)，使車(chē)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(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架更優(yōu)化更實(shí)用化的前題。目前，磁流變液雖然已進(jìn)入商品研發(fā)、應(yīng)用，但在減振器的應(yīng)用上，還存噪聲大、耐久性不強(qiáng)、穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，還需進(jìn)一步深入研究。

事實(shí)證明，評(píng)估懸架性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)由兩點(diǎn)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(dòng)懸架系統(tǒng)能更好地在二者之間取得合理的平衡，以達(dá)到最好效果，這就成了當(dāng)前需要持續(xù)研究的課題，這也是車(chē)輛能否得以發(fā)展的一個(gè)重要因素。

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