汽车半主动悬架系统研究进展_方子帆

文章编号:1000-582X(2003)01-0104-05

汽车半主动悬架系统研究进展

方子帆,邓兆祥,郑　玲,舒红宇

(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044)

摘　要:基于系统工程理论,论述了汽车半主动悬架系统的研究和动态,分析了目前电磁流变液减振液的研究及减振器开发现状。在分析了一些较为成功的半主动悬架控制策略的基础上,论述了经典控制、线性最优控制、自适应控制和智能控制方法在半主动悬架系统中的应用前景,提出了基于天棚阻尼控制理论、模糊控制理论和自适应控制理论为主线的复合控制策略。此外,提出了基于磁流变液减振器的半主动悬架系统研究与开发的整体思路,探讨了值得研究的若干理论和应用问题。

关键词:汽车;半主动悬架;电流变液体;磁流变液体;减振器

中图分类号:U463.1文献标识码:A

现代汽车正朝着安全、智能化和清洁化的方向发展。悬架系统智能化解决了传统被动悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题,并能适应变化的行驶工况和任意道路激励,代表了悬架系统发展的方向。主动悬架能获得一个优质的隔振系统,实现理想悬架的控制目标,但能量消耗大,成本高,结构复杂。能量、成本和可靠性是限制主动悬架发展的瓶颈。半主动悬架通过改变减振器的阻尼特性适应不同的道路和行驶状况的需要,改善乘坐舒适性和操纵稳定性。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架,且结构简单,无须力源,能量损耗小,因而是近期最有可能走向市场推广应用的新兴技术。

1　半主动悬架技术发展状况

1974年,Crosby和Karnop基于天棚阻尼的概念发明了半主动阻尼器[1]。其生产应用始于80年代,但它对悬架性能的改善是极有限的。1975年,Margolis等人提出了“开关”控制的半主动悬架,它能产生较大的阻尼力这种悬架已应用到实车上。1986年,Kim brough 在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法,改进了控制算法的稳定性。1988年,日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架,它可通过声纳装置预测路面信息,悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态。1994年,Prinkos等人使用了电流变和磁流变流体作为工作介质,研究了新型半主动悬架系统。

半主动悬架系统除了少量的开启电液阀的能量以外,几乎不需要外加能源。研究表明:只要合适选择控制逻辑,半主动阻尼器可以达到像主动减振一样的减振效果[2]。

通常,半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节控制的悬架[3]。目前,半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面,即将阻尼可调减振器作为执行机构

,

图1　汽车半主动悬架系统装车构成

　2003年1月重庆大学学报Jan.2003第26卷第1期Journal of Chongqing University Vol.26　No.1

收稿日期:2002-07-20

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50135030)

作者简介:方子帆(1964-),男,湖北黄州人,三峡大学副教授,重庆大学博士研究生。主要从事车辆系统动力学与控制的研究。

通过传感器检测到的汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度,由E CU根据控制策略发出脉冲控制信号,实现对减振器阻尼系数的有级可调或无级可调。典型的半主动悬架系统组成如图1所示。

1.1　有级可调减振器

有级可调减振器阻尼可在2-3档之间快速切换,切换时间通常为10～20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀,使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。有级可调减振器通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置,使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单,但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。有级可调减振器的设计关键是发展先进的阀技术,增加阻尼变化的档数,缩短切换时间,从而使复杂的控制策略应用成为可能,以进一步提高悬架的控制品质。

2.2　无级可调减振器

无级可调减振器的阻尼调节可采取以下2种方式:

1)节流孔径调节

通过步进电机驱动减振器的阀杆,连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼,节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是:节流阀结构复杂,制造成本高。

2)减振液粘性调节

使用粘性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体[4-6]作为减振液,从而实现阻尼无级变化。电流变液体在外加电场作用下,其流变材料性能,如剪切强度、表观粘度等会发生显著的变化,将这种电流变液体装入减振器,并在内外筒之间加上电场,通过改变电场强度,使电流变液体的粘度改变,从而改变减振器的阻尼力。

由于电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化,无须高精度的节流阀,结构简单,制造成本不高,且无液压阀的振动、冲击与噪声,不需要复杂的驱动机构,作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。

但电流变液体存在较多问题,其电致屈服强度小,温度工作范围不宽,零电场粘度偏高,悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大,易分离、沉降,稳定性差,对杂质敏感,难以适应电流变减振器长期稳定工作的需要。

要使电流变减振器响应迅速、工作可靠,必须解决以下几个问题:①设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源;②为保证电流变液体的正常工作温度,必须设计一个散热系统;③充装电流变液体时,要保证无污染;④性能优良的电流变液体;⑤高压电源的绝缘与封装。

电流变减振器,国外已有一些产品问世[7]。如德国Ba yer公司的商业电流变液与电流变减振器,美国Lord公司的几种电流变减振器等。

磁流变液体是指在外加磁场的作用下,流变材料性能发生急剧变化的流体。将磁流变液体装入磁流变减振器,通过控制磁场强度,可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级可调。

磁流变减振器具有电流变减振器同样的特点,响应比电流变减振器要慢,主要是磁流变液体的磁化和退磁需要时间。磁流变减振器通常采用活塞缸结构,磁流变液的通路由位于活塞上的阻尼孔或单独的旁路构成,在磁流变液的通路上施加磁场。按结构可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构。

在磁流变液和器件的开发方面,美国Lord公司、福特公司,德国B ASF等纷纷投入巨资,已有商业磁流变液及器件问世[8]。如Lord公司开发了商业磁流变液MRX-126PD,采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统。

磁流变减振器存在的问题是响应时间较长,结构比较笨重,流变性能和稳定性还需改进。

目前,成功开发的电流变液体与磁流变液体的特性如表1所示。从材料特性来看,它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面,磁流变液体强于电流变液体。这也是选用磁流变液体作为半主动悬架系统减振器的减振液的主要因素。其最主要的问题是实现电源以及降低减振器内液体紊流产生的噪声十分困难。

表1　电流变液体与磁流变液体的特性

材料特性电流变液体磁流变液体

剪切强度2-5kPa50-100kPa

外加电源3-5kV mm150-250kA m

受限条件结构破坏材料饱和性

零场粘度0.2-0.3PaS0.2-0.3PaS

工作温度-25～+125℃-40～+150℃

液体比重1-2.53-4

响应时间小于1ms小于1ms

噪 声噪声较大噪声较大

稳定性不能容忍杂质大多数杂质无影响

电 压2～5k V2～25V

电 流1～10mA1～10A

功 率2～50W2～50W

1.3　减振器驱动方式

可控减振器驱动方式有转阀方式、旁路阀方式、压电驱动方式、电磁场控制电磁流变方式和永磁直流

105

第26卷第1期 方子帆等:　汽车半主动悬架系统研究进展

直线伺服电机驱动方式等。

转阀方式是由控制器单元发出的信号经处理驱动步进电机,从而驱动转阀转动,改变减振器阻尼孔的大小,产生符合系统要求变化的阻尼力。

旁路阀方式是由电磁阀根据控制器单元发出的信号开关,打开磁阀,相当于在油路中增加一个节流孔,从而改变总的阻尼孔面积,产生符合系统要求的有级变化的阻尼力。

压电驱动方式是在减振器的活塞杆内,安装压电执行器和压电传感器。压电执行器由88个压电元件叠加而成,在500V直流电压作用下,压电元件会伸长50μm,该位移经位移放大室放大到2mm,可打开转换阀,形成分流油路,从而获得小阻尼。利用压电传感器可将前轮减振器检测到的路面情况传给ECU,控制后轮减振器的阻尼。

磁场控制的磁流变方式是利用ECU发出的电压或电流信号控制磁流变减振器内变压线卷,产生高压实现对阻尼的连续无级调节。

永磁直流直线伺服电机驱动方式是由直线伺服电机直接实现直线运动控制。电机驱动效率高,响应速度快,灵敏度高,随机性好,控制稳定。目前,永磁直流直线伺服电机在航天飞行器中广泛应用,其驱动性能优于液压执行机构。

2　半主动悬架控制策略

最早提出半主动悬架控制方法是天棚阻尼控制方法,由于其控制算法简单,得到了广泛的应用。但天棚阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。因此,目前研究的重点是改进型的天棚阻尼控制方法[9-10]在半主动悬架系统的应用。

以经典控制理论为基础的PID控制不需要了解被控对象的数学模型,只要根据经验进行调节器参数在线调整,即可取得满意的结果,不足的是对被控对象参数变化比较敏感。研究查表法变参数PID控制和模糊PID控制方法在半主动悬架控制系统中应用有一定的实际的意义。

线性最优控制方法在系统建模时,忽略了高阶动态环节,如车架、轮胎的高阶模态以及减振器、传感器的动态特性等,所得到的控制参数是根据确定的系统参数计算出来的,仅对理想的数学模型保证预期的性能[11]。当系统参数变化到一定程度时,会使系统变得不稳定,控制参数不再使性能指标最优,有时甚至会使悬架性能恶化[12]。实际的悬架系统是含有许多不确定因素的非线性、时变、高阶动力系统,难以用定常反馈系统达到预定的性能要求[13]。所以最优控制方法在半主动悬架控制系统中应用很少。

自适应控制方法应用于汽车悬架控制系统有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制方法。模型参考自适应控制是在外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时,被控车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统改善车辆的行驶特性[14],在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。

模糊控制方法在半主动悬架系统中的应用效果比常规控制方法有效[15]。但模糊控制器的稳定性只通过一些模拟过程测试,判断其稳定性的标准还不存在;控制器只适用于一定的汽车参数;改变轮胎性能会使控制结果明显变坏;路面性质对控制效果影响较大。因此,模糊控制方法在半主动悬架控制系统中应用从理论上无法判定,只能通过系统实测才能确定。

神经网络是一个由大量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统,其特点是可学习性和并行性,故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。但神经网络不适于表达基于规则的知识,需要较长的训练时间,因此,神经网络须与其它控制方法相结合构成复合控制模式[16]才能具有更大的实际应用。

总之,半主动悬架控制方法较多,各种方法均有利弊,综合应用各种方法开发系统控制器是发展方向。从文献分析看,日本、德国、韩国等汽车发达国家,基本都是基于天棚阻尼控制理论、模糊控制理论[15]和自适应控制理论为主线的复合控制策略。

任何控制系统总存在不可避免的时滞[16],它会导致反馈控制系统预料外的失稳,出现对安全性极为不利的轮跳。文献[16]初步分析了受控悬架系统的稳定性及可能出现的混沌运动。因此,在汽车半主动悬架振动控制系统开发过程中,应该结合实际车型研究和开发控制有效、实用简单、造价合理的控制器,并经过大量的实车测试,才能推广应用。

3　今后研究和开发工作展望

随着相关学科和高新技术的迅猛发展,特别是高效微处理器的普及,使得研究实用的半主动悬架振动控制系统成为现实。因此,今后的目标是研究和开发方向是基于磁流变液体功能材料,开发控制有效、能耗低、造价合理的汽车悬架振动控制系统,并针对车型开发其适用系统。为此,必须解决一些基础性的理论研究问题和实际应用的技术问题。

1)磁流变液可控减振器的研制

开发实用的磁流变液可控减振器,研究各种结构参数对性能的影响规律,优化结构并改善其制造工艺性。

2)磁流变液体的实用性研究

在现有的磁流变液体中选择或改进并验证最佳配

106重庆大学学报 2003年

方。为此,需要进行一系列减振器疲劳寿命实验和实车运行实验,以验证在实际使用条件下磁流变液体的稳定性、可靠性和实用性。

3)汽车状态传感器的开发研究

重点研究车轮跳动和悬架行程位置传感器,而汽车惯性传感器、方向盘转角和车速传感器选用目前已有的传感器。车轮跳动和悬架行程位置传感器采用与可调减振器融为一体的结构方式,以实现高度集成和高可靠性。

4)智能控制器的开发研究

智能控制器集成信号变换、CPU、驱动电路为一体,并同时兼顾汽车其它电子控制系统的功能,为此,必须进行大量的理论和实验研究。要实现最佳的控制目标,控制策略的制定和控制规律、控制软件的实现是关键。为减少反复试验次数,可以采用ADAMS刚体动力学仿真软件,针对半主动悬架的实际使用汽车产品,建立完整的动力学模型,然后模拟汽车行驶的各种工况,选择多种不同的控制策略和控制规律,观察汽车行驶平顺性和稳定性,重点研究控制元器件的响应特性、执行系统的非线性、不确定性和随机性等实际因素的影响,智能控制策略的稳定性,从而制定最佳的控制策略和控制规律,最终再结合实车试验验证。针对特定的汽车产品,选择不同行驶工况进行各种实车试验,以验证半主动悬架的减振效果,验证半主动悬架系统工作的稳定性、可靠性和适应性,并在此基础上进行各个部分改善和改良,最终研制成功基于半主动悬架的新样车。

4　结论和建议

半主动悬架是一种在较短时期就可能被产业化的高新科技产品,在轿车、重型车辆[17-19]和军用车辆[20]上的普及使用比主动悬架更有市场前景。目前,汽车半主动悬架的研究和开发以及产业化受到世界汽车厂商空前的广泛重视。磁流变液研制成功,使减振器液体粘度瞬间可调成为可能,是实现半主动悬架的阻尼可调减振器的理想液体。目前,磁流变液虽然已渐渐进入商品化阶段,但是在实际的减振器上使用还存在一些问题,如温升、耐久性、稳定性等还需进一步实验研究。汽车状态传感和电子控制技术是实现半主动悬架系统另外两个关键。由于现代汽车电子控制应用的逐渐普及,相关技术都有较好的支撑环境,同时有较多的相应的组件可供选择,搭建汽车半主动悬架控制系统不会有太大的困难,但是实现真正的产品转化,需要综合考虑成本和可靠性。

参考文献:

[1]　KARNOPP D,CROSBY M,HARWOOD R A.Vibration control

using semi_active force generators[J].ASME Journal of

Engineering for Industry,1974,96(2):619-626.

[2]　KIM H,YOON Y S.Semi-active suspension with preview us ing a

frequency_shaped performance index[J].Vehicle Systems

Dynamics,1995,24:759-780.

[3]　SHOSHI HID AKA.Adaptive vibration control by a variable-damping

dynamic absorber using ER fluid.AS ME[J].Journal of vibration

and acoustics,1999,121(7):373-378.

[4]　ASAKO K.Properties of electrorheol ogical flu ids containing sul fonated

pol y particles[A].Proceedings of th e5th international conference on

electro-rheol ogical fluids,m agnetorheological suspens ions and

ass ociated techn ology[C],1995.342-349.

[5]　STANWAY R.Applications of ER fluids in vibration control-a

survey[J].Smart materials and structures,1996,5:464-482.

[6]　FILISK O F E.C ompl ex p rop erties and comp os ition of electrorh eological

fluid[J].Journal of Intelligen t Material Sys tems an d Stru cture,1998,9

(8):616-620.

[7]　CHOL S B.A semi-active suspension using ER fluid for a

commercial vehicle seat[J].Journal of Intelligent Material

Systems and Structures,1998,9(8):601-606.

[8]　CARLSON J https://www.360docs.net/doc/75365618.html,mercial magneto-rheological fluid devices

[A].5th Int.conf.on electro-rheological,magneto-rheological

suspens ions and associated technology sheffield[C],1995. [9]　M SERR AND.Implementation of s kyh ook damping feedback control

for the is olation of equipment from base-excited vibration[J].

Proceedings of ACTIVE'99,1999:105-11.

[10]　K YI.A new adaptive sky-ook control of vehicle semi-active

suspensions[J].Proc Instn Mech Engrs,Part D,Journal of

Automobile Engineering,1999:213,293-303.

[11]　HR OV A T.An ap proach toward the optim al s emi-active s us pensions

[J].T ran s ASME J D yna mic S ystem s Measurem en t con trol,1988,110

(3):288-296.

[12]　OSITA D I,NWOKAH.Catastrophes in optimal control[J].

Trans ASME J Dynamic Systems Measurement control,1999,

121(10):577-582.

[13]　PALKOVICS.Investigation on stability and possible chaotic motions

in the controlled wheel susp ension s ystem[J].Vehicle s ystem

d ynamics,1992,21:269-296.

[14]　A GH AZI ZADEH.Neural network and fuzz y logic application

to vehicle systems:literature survey[J].International of

vehicle design,1997,8(2):132-193.

[15]　T YOSHIMUR A.A s emi-active suspension with dynamic absorbers

of ground vehicles using fu zzy reason in g[J].Int J of Vehicle

Design,1997,18(1):19-34.

[16]　张文丰,翁建生,胡海岩.时滞对车辆悬架“天棚”阻尼控

制的影响[J].振动工程学报,1999,12(4):486-491. [17]　ZHONGMING XU.Research on improving the ride comfort of

heavy_duty truck[J].Proceedings of IPC2001:124-128. [18]　KITCHING K J.Semi_active damping of heavy vehicles[D].

London:Cambridge Univers ity,1997.

[19]　KITCHING K J.Performance of a semi_active damper for heavy

vehicles[J].Trans ASME J Dynamic Systems,Measurement

107

第26卷第1期 方子帆等:　汽车半主动悬架系统研究进展

control,2000,122(9):498-506.

[20]　MILLER L R.The design and development of a semi-active suspension for a military tank[J].SAE Trans,1988, (881133):5347-5355.

A Review of Recent Advances in Research and Development

on Vehicle Semi_Active Suspension Systems

FANG Zi-fan,DENG Zh ao-xiang,ZHENG Ling,SHU Hong-yu

(State Key Laborator y of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing400044,China)

A bstract:Based on the systems engineering theor y,this paper reviews the trend of researches and developments on vehicle semiactive suspension systems,analyzes states of researches on electrorheological fluids and magnetorheological fluids material, and puts forward semi_active suspension sytems based on magnetorheological fluids da mper.On the basis of summing up existing methods for vibration control on semi_active suspension systems,emphases are put on the discussion of aplication of PID control.linear optimal control,adaptive control and intelligent control on the semi_active suspension systems.The compound control strategy is put forward based on the skyhook damping control theory,fuzzy control theor y and adaptive control theory.Moreover,the integral idea about the research and development of semi_active suspension is based on MR damper,and discusses some theories and applied problems deserving research.

Key words:vehicle;se mi_Active suspension;magnetorheological fluids material;electrorheological fluids material;damper

(责任编辑　张小强)

(上接第99页)

A Review on Medical Waste Management and

Treatment in Chongqing Three Gorges Region

HUAN G Ben-sheng,LI Xiao-hong,WANG Li-ao,LIN Jian-we i

(College of Resources&Environment Science,Chongqing University,Chongqing400044,China)

A bstract:Medical waste,belonging to one of top-ronking toxic wastes,should be safely deposed of.The characteristics and har mness of the medical wastes are introduced,and the practical status of medical wastes in Chongqing thr ee gorges region, including waste management and disposal methods,is investigated.Because of the special characteristics of the waste,the paper proposes some measures for managing and separate collection and treatment in the region,including separate collection, sealed transportation,pretreatment,incineration and safe landfill,so that the ecological environment and water resource can be pr otected fr om pollution in the Three Gorges region.

Key words:medical waste;incineration;landfill

(责任编辑　姚　飞) 108重庆大学学报 2003年