汽车主动悬架系统的研究开发进展综述

陈军，欧家福，罗显政，刘德辉

（中国汽车工程研究院，重庆400039）

摘要：阐述了汽车各类主动悬架系统的特点及应用情况，介绍了各种控制策略及其优缺点，指出了汽车主动悬架系统的发展趋势和应用前景，提出了主动悬架系统研究开发方面的建议。

关键词：主动悬架系统；控制策略；发展趋势；研究开发建议

The Research ＆Development Trends of Automotive Active Suspension

CHEN Jun ，OU Jiafu ，LUO Xianzheng ，LIU Dehui

（China Automotive Engineering Research Institute ，Chongqing 400039，China ）

Abstract ：The charactristics and applications of automotive suspension systems were represented．Various controlling strategies and their merits and faults were introduced．The development trends of automotive active suspension were pointed out．And several Proporals on R ＆D of automotive active suspension system were put forward．

Keywords ：Active suspension systems ；Control strategy ；Development trends ；Proposals on R ＆D

0引言

传统的被动悬架具有固定的悬架刚度和阻尼系数，设计的

出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷。被动悬架在设计和工艺上得到不断改善，实现了低成本、高可靠性的目标，但无法彻底解决平顺性和操纵稳定性之间的矛盾。20世纪50年代产生了主动悬架的概念，这种悬架在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼。它能够根据悬架质量的加速度，主动地控制汽车的振动，能同时满足平顺性要求和操纵稳定性要求。自20世纪70年代以来，随着电液控制、计算机技术的发展，传感器、微处理器以及电、液控制元件制造技术的提高以及成本的降低，出现了能够根据汽车行驶的路

面、工况和载荷等情况来控制自身工作状态，使汽车的平顺性和操纵稳定性达到最佳的主动悬架系统。

1汽车主动悬架的分类

汽车悬架可分为被动悬架和主动悬架。主动悬架根据控制

方式，可分为半主动悬架、慢主动悬架和全主动悬架。目前，主动悬架的研究主要集中在控制策略和执行器的研发两个方面。图1所示为上述各种悬架系统的结构示意图，其中K s 代表悬架弹性元件刚度，K t 代表轮胎等效刚度，C 0代表减振器阻尼，M 代表主动装置，M a 代表非悬挂质量，M b 代表悬挂质量

。

图1各类悬架结构示意图

1.1半主动悬架

半主动悬架系统介于被动悬架系统和全主动悬架系统之

间，它只消耗少量的能量，可进行刚度或阻尼控制；半主动悬架比全主动悬架结构简单、成本低；自20世纪90年代以来，半主动悬架系统已较为广泛地使用在高级汽车和军用汽车上。半主动悬架可分为刚度可调式和阻尼可调式两种。

目前，弹簧的刚度调节普遍通过空气弹簧或油气弹簧来实

现。刚度可调式半主动悬架可提高汽车行驶的路面友好性，减轻汽车对道路的损伤程度。福特汽车公司的Continental Mark Ⅶ车型和丰田公司LEXSUS （LS400）车型上均成功应用了弹簧刚度有级可调的半主动空气悬架。全球汽车零部件供应商大陆集团为保时捷开发了弹簧刚度可调的空气悬架，装备于Panam-era 车型上。

目前有关阻尼可调式半主动悬架的课题较多，其中，使用

黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，通过外加电场或磁场实现阻尼的无级调节，是悬架系统研究领域的热点课题。国内已有企业研制生产磁流变减振器，并且将其应用于伤员运输车等军用汽车上。德尔福（Delphi ）公司生产的磁流变减震器（MagneRide ）已应用于Chevrolet Corvette 、卡迪拉克Seville 旅行车（STS ）和Audi TT 跑车等多种车型的半主动悬架系统中。另外，Volvo S60R 、Volvo V70R 、最新的Audi A6L 和Audi Allroad 车型上均应用了天纳克（Tenneco ）公司生产的阻尼连续可调的CES 半主动悬架。Lord 公司开发的磁流变减振器已用于大型载货汽车半主动悬架系统。MAN 公司的卡车、玛莎拉蒂总裁跑车、欧宝三代雅特等车型采用了采埃孚沙克斯（ZF Sachs ）公司的CDC 连续阻尼控制的半主动悬架系统。阻尼可调也可以是有级的，例如德尔福（Delphi ）公司的两档实时自动阻尼可调系统（BSRTD ），该系统大量装备于卡迪拉克Escalade SUV 车型上。

1.2慢主动悬架

慢主动悬架的结构是普通弹簧和执行器串联，再和被动阻

尼器并联。慢主动悬架执行器在带宽为3 6Hz 的频率范围内工作，高于这个频率，悬架就恢复成被动悬架。与全主动悬架相比，降低了成本及复杂程度，减少了能耗，且主动控制仍覆盖主要的车身振动，并能衰减车身共振频率附近的振动。

1.3

全主动悬架

A —执行元件E —比较器

F —力传感器

P —电位器V —控制阀1—悬挂质量2—加速度传感器

3—信号处

理器4—控制单元5—进油6—出油7—非悬挂质量

8—路面输入

图2

全主动悬架工作原理全主动悬架系统采用一个可控的执行器代替了被动悬架的

相应部件，是有源控制系统。全主动悬架系统所采用的执行元件具有较宽的响应频带，为0 15Hz ，有的高达100Hz ，对车轮的高频共振也可以控制。全主动悬架系统结构复杂，主要由执行元件、各种传感器、信号处理器和控制单元等组成，执行元件多采用电控液压或电控气压伺服系统。

雪铁龙公司将电控主动液压悬架装备于C5和C6两款车型上；梅塞德斯-奔驰（Mercedes-Benz ）S 级、CL 级和SL 级等车型上装备了其研发的ABC 主动液压悬架系统；最新的Audi A8L 轿车装备了AAS 主动空气悬架；Audi A6L Quattro 车型、辉腾（Phaeton ）、BMW 7系列轿车和宝时捷卡宴等车型采用了威布克（Wabco ）公司的ECAS 主动空气悬架系统；梅塞德斯-奔驰（Mercedes-Benz ）公司研发的Airmatic DC 主动空气悬架已成为其最新的E 级轿车等大多数车型以及迈巴赫的标准装备。

全主动悬架工作原理如图2所示。

1.4馈能型主动悬架

近年来，有学者提出一种集馈能和减振功能于一体的馈能

型主动悬架概念。这种悬架带有能量回收装置，能将悬架间被减振器所消耗的振动能量转化为可供汽车其他液压耗能部件使用的能量，同时保持汽车良好的行驶平顺性。经研究，用这种悬架方案提高汽车的行驶平顺性和燃油经济性在理论上是可行的。

汽车主动悬架系统的主要控制策略及控制功能

2.1

PID 控制

在汽车半主动悬架控制系统中，研究查表法PID 控制和模

糊PID 控制有一定的应用价值。PID 控制过程是：通过加速度传感器测量车身的加速度，该加速度信号经电荷放大器放大后输入PID 控制器，经比例、微分、积分处理后反馈给半主动悬架，从而实现对悬架阻尼的调节。PID 控制不需要被控对象的数学模型，只需根据经验在线调整调节器参数就可以取得较好的结果。其不足之处在于对被控对象的参数变化敏感。

2.2最优控制

在汽车悬架系统中应用较多的最优控制有H ?最优控制和

最优预见控制。H ?最优控制通过设计控制器，在确保闭环系统各回路稳定的条件下使相对于输出取最小的控制方法。它可使汽车悬架系统具有较强的适应不确定因素的能力。最优预见

控制是利用前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。这种控制系统能够提前检测路面的状态和变化，使控制系统能及时采取措施，这样可以降低能耗，且改善系统的控制性能。采用不同的对预见信息的测量和利用方法，可构成诸如对四轮的进行全预见控制和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制等预见控制系统。

2.3滑模控制

滑模控制的特点是系统的“结构”并不固定，可以在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。这种控制策略对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制有良好的控制效果。所以近年来，有学者已开展相关研究并将其应用于汽车主动悬架系统。但其最大的缺点是控制器的输出具有抖动性。

2.4自适应控制

自适应控制方法针对不确定系统，可以自动检测参数变化，保持系统的性能指标最优。自校正控制和模型参考自适应控制是自适应控制方法应用于汽车悬架系统的两类控制策略。采用自适应控制方法的车辆悬架阻尼减振系统可以改善车辆的行驶特性。

2.5模糊控制

模糊控制系统不建立精确的数学模型，不依赖于系统精确的物理参数，鲁棒性好。汽车悬架系统是一个复杂的非线性系统，其数学模型复杂，应用模糊控制方法，对控制实际车体有现实意义。模糊控制方法利用较少的状态量作为反馈信号，这样减少了传感器的数量，降低了成本。但模糊控制的控制精度稍差。

2.6神经网络控制

神经网络具有自适应学习、并行分布处理和较强的稳健性、容错性等特性，在汽车主动悬架的控制方面，神经网络控制已经得到一定的应用。具有神经网络自适应控制的主动悬架能够较好地减小汽车振动，提高汽车的行驶平顺性和稳定性。

2.7汽车主动悬架系统的控制功能

汽车主动悬架的控制功能主要有车速路面感应控制、车身姿态控制和车身高度控制。车速路面感应控制主要是随着车速和路面的变化改变悬架的刚度和阻尼，使汽车悬架处于“硬”或“软”状态。车身姿态控制主要是在车速和转向急剧变化时对车身进行姿态控制。该控制有三种：一是在转向时抑制车身的侧倾；二是在制动时抑制车身点头；三是在起步时抑制车身的俯仰。车身高度控制包括三种控制功能：高速感应控制；连续坏路面行驶控制；驻车时车高控制。高速感应控制是在汽车在高速行驶时降低车身高度以减小风阻并提高稳定性。连续坏路面行驶控制是在连续坏路面上行驶时提高车身高度，这样可以避免弹簧被压死，且提高汽车的通过性能。驻车车高控制是指在驻车时使车身保持良好的驻车姿态。

3汽车主动悬架的发展趋势及研究开发建议

3.1汽车主动悬架的研究发展趋势

目前，被动悬架的应用在一定时间内仍是最广泛的，可以通过进一步优化结构和参数来提升悬架性能。半主动悬架性能优于被动悬架，成本比全主动悬架低，它将是今后悬架系统的主要发展方向之一，而研发可靠、调节方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略则是其主要课题。全主动悬架性能突出，由于其高成本，结构复杂，目前还只装备于高级汽车上。全主动悬架研究的重点在于高性能的执行器和控制策略两方面。电控式全主动悬架是汽车悬架的发展方向。

3.2汽车主动悬架的研究开发建议

（1）注重控制策略的综合运用。

上述控制策略，均有各自的优缺点。单独使用这些控制策略，在实际使用中不能取得较为满意的效果。但我们可以综合应用两种或两种以上的控制策略，取长补短，研发出较为理想的控制器和控制软件，就能取得较好的控制效果，如模糊控制和PID控制的综合应用就解决了模糊控制精度差的问题，且有利于工程实现。

（2）注重汽车其他系统与主动悬架系统的联合控制研究。

因汽车的车身运动是由不同系统之间的相互作用决定的，单独研究主动悬架的控制问题已不能满足汽车发展应用的要求，应注重主动悬架系统与转向、制动等系统之间的联合控制研究。

（3）研究开发馈能型汽车主动悬架系统。

随着全球能源危机的发展，节能与环保成为汽车产品研发的重要主题。而主动悬架系统耗能较大，研发馈能型的主动悬架系统正是适应这种发展的需要。

（4）注重刚度可调的半主动悬架的研究和开发。

在重型汽车和大型客车上使用刚度可调半主动悬架系统，可改进车辆的操纵稳定性和平顺性，并减轻对道路的损伤程度。根据目前国内道路运输的实际状况，重载汽车使用较多，道路损坏程度较严重，研发应用刚度可调式半主动悬架系统显得尤为迫切。

（5）注重研发高效、可靠和低成本的主动悬架信号反馈装置和执行装置。

目前，主动悬架还未得到广泛应用，这主要是因其成本高，主要体现在传感器和执行器。因此，研发生产高效、可靠和低成本的传感器和执行器亦是目前主动悬架领域的重要课题。

（6）注重主动悬架系统试验技术、与整车匹配技术的研究和评价体系的建立。

作为主动悬架产业发展的技术基础，我们应积极研究试验技术和系统与整车匹配技术，并且尽早建立评价体系，构建我国汽车主动悬架系统的标准规范体系。

4结束语

随着汽车技术的发展，主动悬架系统也将随之得到不断

的发展和应用。我们相信，将会不断有成本低廉、质量优越的主动悬架产品出现，在不久的将来，主动悬架系统也不再是高级汽车的专利，普通汽车上也将越来越多地使用主动悬架系统。

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作者简介：陈军（1976—），男，汉，河南汝南人，工学学士，工程师，研究方向为汽车悬架系统试验研究。电话：136********，E-mail：simon.j.chen@https://www.360docs.net/doc/ea10850165.html,。

收稿日期：2009－12－18

（上接第63页）

由图4（a）、（d）可见优化前后车轮外倾角和车轮前束角在满载静止时的设计值保持不变，但优化后的曲线变得平缓，即在整个车轮跳动过程中变化量减小。虽然由图4（b）、（c）可见优化后主销后倾和内倾角满载静止初值发生了变化，但由于这两个定位参数基值较大，优化前后的相对变化量较小，可以接受；且优化后主销后倾和内倾角变化幅度明显小于优化前的变化幅度，达到优化目的。

4结论

基于响应面法对麦弗逊悬架优化设计方法进行了讨论，该方法可用于汽车其他形式悬架的优化设计，并得到以下结论：（1）基于响应面方法可以将目标函数或约束近似为设计变量的显示表达，能快捷得到优化结果；通过响应面模型的确定性系数检验，保证结果的可靠性。

（2）以车轮各定位参数的标准差最小作为优化目标，可保持静止满载位置时定位参数基本不变，而达到减小车轮跳动过程中各定位参数变化量最小的目的。

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作者简介：冯樱（1968—），女，湖南醴陵人，副教授，研究方向为汽车仿真与控制。电话：138********，E-mail：fengyqcx@ https://www.360docs.net/doc/ea10850165.html,。

收稿日期：2009－12－18