汽车半主动悬架系统研究进展_方子帆
汽车发动机半主动悬置技术研究现状与展望
汽车发动机半主动悬置技术研究现状与展望摘要：国内各大汽车厂和相关减振零部件配套厂在半主动悬置的开发上投入了大量研发力量，取得了一定的成果，推进了这一技术的国产化研发及实车应用。
磁流变悬置具有优异的动特性连续可调性能，为实现发动机的宽频有效隔振提供了手段，但由于成本的原因，目前还无法实现大批量生产，仅在豪华乘用车和一些特种车辆上有一定应用。
关键词：汽车发动机；半主动悬置技术；研究现状；展望前言结构参数控制式半主动悬置在国外已经非常成熟，各大悬置生产商都有相关产品。
而国内还处于研发和试生产阶段，要实现大批量生产和实车应用，还有很多的技术难关需要突破。
1半主动悬置工作原理图1为解耦膜刚度控制式半主动悬置结构示意图。
从图1可知，当悬置受到外界低频大振幅激励时，橡胶主簧发生变形挤压上液室液体，受挤压的液体经惯性通道流往下液室，由于惯性通道阻尼作用，液体的振动能量被衰减;当悬置受到外界高频小振幅激励时，由于液体的动态硬化效应，液体几乎不再经过惯性通道，此时主要由变形的橡胶主簧和解耦膜容纳被挤压的液体。
此外，半主动悬置通过侧置的电磁阀控制解耦膜下端空气腔的开闭。
若空气腔关闭，气腔内部空气的体积刚度增大，使解耦膜和上液室的体积刚度增大，导致悬置整体表现为大刚度大阻尼特性;若空气腔打开，气腔内部空气自由流动，解耦膜刚度变小，导致上液室体积刚度变小，悬置整体表现为小刚度小阻尼特性。
2结构参数控制式半主动悬置结构参数控制式半主动悬置依靠真空或电磁阀等来改变半主动悬置内部的节流通道流通面积、长度以及解耦膜下方空气室的开闭，来实现不同模式之间的切换，是目前普遍采用的半主动悬置结构形式。
根据控制力的来源不同，其分为真空可调式和电磁可调式两种。
2.1真空可调式半主动悬置真空式半主动悬置主要通过真空负压来改变悬置的内部结构，实现不同模式之间的切换，又分为控制节流通道式和控制气体弹簧压力式。
2.1.1控制节流通道式本田雅阁轿车和宝马725所使用的前悬置是控制节流通道式半主动悬置，这种半主动悬置通过真空阀控制悬置上下液室之间的旁通道，从而改变上下液室的贯通形式，实现怠速工况下的小刚度，以衰减怠速抖动。
汽车半主动悬架关键技术的发展现状和展望
汽车半主动悬架关键技术的发展现状和展望摘要：文章介绍了国外典型半主动悬架系统的产品特点，详细阐述了半主动悬架的关键技术以及其发展现状，同时对汽车半主动悬架系统的研究与开发进行了展望。
关键词：汽车；半主动悬架；关键技术；可调阻尼减振器半主动悬架系统是无源控制，系统输入少量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性（刚度或阻尼系数），作动器价格低、能耗小、结构简单，又因系统动特性变化很小，仅消耗振动能量，故稳定性好，同时减小振动的能力几乎和主动悬架一样，其控制品质接近主动悬架。
因此半主动悬架技术日益受到人们的重视，已成为当今国内外学者和生产商研究和开发的热点。
1 国外典型半主动悬架系统产品特点介绍1.1 Tenneco连续控制电子悬架系统（CES）天纳克（Tenneco）公司的连续控制电子悬架系统是一种半主动悬架系统，能够按照路面条件和驾驶状况对悬架阻尼进行连续性调整。
CES的核心部位是一套先进的阀控系统，该阀控系统整合了电子控制器和底盘传感器，使之共同作用以实现最佳阻尼特性。
CES机电阀控系统的调节速度非常快，通常在10 ms左右，这一速度足以满足最高达20 Hz的车轮振动频率，在满足车身振动控制之外还可实现对车轮振动模态的控制，Tenneco连续控制电子悬架系统如图1所示。
1.2 ZF Sachs连续阻尼控制系统（CDC）采埃孚萨克斯（ZF Sachs）公司的连续阻尼控制系统（Continuous Damping Control，CDC）是一种半主动悬架系统，该系统通过对每个独立的车轮施加优化的阻尼力，能够显著地改善汽车的操纵稳定性、舒适性和安全性。
CDC主要由阻尼可控减振器、电控单元、传感器等构成。
传感器获取车身、车轮，以及侧向加速度等信号，电控单元对传感器得到的有关信号进行实时分析处理，使得由于载荷、行驶工况，以及路面状况等造成的影响得以自动校正，ZF Sachs连续阻尼控制系统（CDC）如图2所示。
汽车半主动悬架系统研究现状与发展
汽车半主动悬架系统的研究现状与发展[摘要] 文阐述了半主动悬架的产生及发展,着重论述半主动悬架的控制方法,探讨该技术存在的问题今后研究的方向。
[关键词]半主动悬架主动悬架控制发展前言现代汽车正朝者多目标综合控制和智能化控制的方向发展。
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,代表了悬架系统发展的方向。
国外在60年代提出了主动悬架,主动悬架采用有源可控元件组成闭环系统,能获得一个优质的隔振系统,使悬架始终处于最佳减振状态。
但要由外部提供较大的控制能量、结构复杂、造价昂贵使其广泛应用受到很大限制。
半主动悬架是1974年由美国加州大学戴维斯分校机械工程系d.e.karnopp教授等提出的一种半主动隔振方案在车辆上的实现。
采用无源但可控的阻尼器在工作中消耗能量小,控制易于实现,造价低,并且性能接近主动悬架,因而得到广泛重视。
1、半主动悬架的控制从控制形式上看,有连续变化阻尼(阻尼力无级可调)的半主动悬架系统和开关式(阻尼力有级可调)半主动悬架系统,前者又称为主动阻尼控制系统,后者又称为半主动阻尼控制系统。
连续变化阻尼的半主动悬架在控制作用下,其阻尼力可以在最小值与最大值之间连续调节。
研究表明:只要合适选择控制逻辑,半主动悬架就几乎可以达到像主动悬架一样的阻尼调节范围(如图1-1)。
但其控制方法和控制系统较为复杂。
开关式半主动悬架系统的减振器采用较为简单的方式,控制方法大为简化,同时也降低了控制系统的复杂性。
通常半主动阻尼控制是根据不同的路面条件和不同的行驶要求,实现阻尼的软、硬两种工况或软、中、硬三种工况有级转换。
开关式悬架系统的性能低于连续变化阻尼的方式。
(a) 被动悬架; (b) 有级半主动悬架; (c) 无级半主动悬架; (d) 主动悬架由于悬架系统是很复杂的非线性系统,因此,基于模型的线性反馈控制是不适用的。
目前,基于现代控制理论的发展,半主动悬架控制系统的研究主要有以下几个方面。
车辆半主动悬架毕业设计开题报告
西南科技大学毕业设计（论文）开题报告参考文献：1：汽车半主动悬架系统研究进展2：车辆半主动悬架的发展状况3：HOLDMANN P,MICHAEL H.Possibilities to improve the ride and handling performance of delivery trucks by modern mechatronic systerms [J].JSAE Review,1999,20:5052510.4：刘飞，陈龙，薛念文，等。
半主动悬架控制及评价方法的探讨[J]。
江苏大学学报：自然科学版，2002，23(6)：21225。
5：:王世明，王孙安，李天石。
半主动悬架的试验研究[J]。
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节流口可调式阻尼减振器的性能分析与试验研究[J]。
江苏大学学报：自然科学版，2004，25(3)：。
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可切换半主动悬架的一种自适应控制策略[J]。
中国公路学报，1998，11(3)：1032109。
二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程1. 研究（设计）内容：本课题主要是建立了车辆半主动悬架1/4模型，设计了半主动悬架台架试验系统，对不同的路面输入进行了仿真和试验研究。
结果表明：建立的物理模型正确，试验系统稳定可靠，为半主动悬架及控制系统的进一步研究奠定了基础。
具体如下：2. 主要设计思路：车辆悬架是车辆的重要组成之一，它直接影响着车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性等。
传统的被动悬架系统因其结构参数无法随外界条件变化而大大限制了悬架性能的改善。
全主动悬架系统虽然克服了被动悬架系统的缺陷，但是由于其制造和使用成本高昂，到目前为止尚未得到广泛应用.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，既克服了被动悬架系统的缺陷，又降低了实现的成本，因而有着很高的研究价值和广阔的应用前景。
汽车磁流变半主动悬架技术研究
汽车磁流变半主动悬架技术研究任萍丽【摘要】磁流变半主动悬架作为介于主动悬架和被动悬架之间的装置,其减振器采用了新型功能材料磁流变液.它具有能耗少、结构简单、响应速度快、成本低廉、可靠性高等优点,在汽车工业中具有巨大的发展潜力.文章论述了磁流变减振器的工作原理和磁流变悬架的情况,介绍了磁流变半主动悬架技术在现代车辆上的应用进展,并对磁流变悬架的发展进行了展望.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2010(000)012【总页数】3页(P47-49)【关键词】磁流变;减振器;半主动悬架【作者】任萍丽【作者单位】常州机电职业技术学院,江苏,常州,213164【正文语种】中文【中图分类】U463.33引言汽车上普遍采用的被动悬架，其弹簧刚度和减振器阻尼系数等参数是固定的，弹簧的刚度特性和减振器的阻尼特性不能随着车辆运行工况的变化而进行调节，产品结构及参数一经确定，其刚度和阻尼就固定不可调，系统的振动特性固定不变，难以在不同工况下同时满足车辆平顺性和操纵稳定性的要求。
近年来，国内外研究机构和各大汽车厂商纷纷开展了主动、半主动悬架研究，但是传统执行器普遍采用液压伺服或机械调节，使得系统结构复杂，能耗大、频响低，制约了主动、半主动悬架的发展。
磁流变减振器为半主动悬架实现提供了一种新途径。
磁流变减振器是通过改变驱动电流大小来调节阻尼力，与其它类型的可控减振器相比，磁流变减振器具有响应速度快、功耗低，调节范围大等特点，并且工作条件相对简单。
1 磁流变减振器工作原理介绍磁流变液是1948年由美国学者Rabinow J发明的一种流变性能可由外界磁场控制的智能材料，属于可控流体，材料的流变性能可由磁场控制，是由可极化的悬浮微粒、载体液和添加剂三部分组成。
磁流变液在外加磁场的作用下可以被磁化，磁化后的颗粒相互作用聚集成链或柱状有序结构，在宏观看来，就是由自由流动的状态转变为类固态，发生了相变；而一旦磁场撤去，磁流变液又恢复为自由流动状态。
汽车半主动悬架系统神经网络模型研究
汽车半主动悬架系统神经网络模型研究周玉丰【摘要】基于磁流变减振器的汽车悬架系统具有明显的滞后非线性,系统中的非线性阻尼和非线性刚度等对英动力学行为产生了很大的影响.本文利用系统识别理论建立了磁流变减振器的神经网络模型,该模型可根据半主动悬架系统的控制力求得控制电流,具有良好的辩识能力.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】4页(P25-28)【关键词】半主动悬架系统;磁流变减振器;神经网络模型;非线性【作者】周玉丰【作者单位】四川信息职业技术学院,四川,广元,628017【正文语种】中文【中图分类】TH3110 引言随着现代科技的不断发展,传统的被动悬架系统已经不能满足现代汽车对平顺性和操纵稳定性的要求。
半主动控制悬架系统因可根据汽车行驶状态和道路激励的大小主动地做出响应,以控制悬架系统始终处于最优状态,从而具有良好的应用前景。
最优控制是应用比较广泛的一种方法,但最优控制器难以适应系统参数的不确定性。
美国D.Karnopp提出了天棚阻尼减振器控制理论,提出半主动开关控制方法,它是一种半主动悬架系统的基本控制方法,在悬架系统的控制中广泛应用。
H控制方法是一种基于鲁棒控制的优化控制方法,它以传递函数的H范数作为设计指标,较适合系统的抗干扰控制器设计,能明显抑制悬架振动[1]。
以上这些控制方法多用于线性系统的控制,由于汽车悬架系统的非线性特性,难以用线性控制方法达到理想的控制目的[2]。
本文在充分考虑基于磁流变减振器的悬架系统非线性特性的基础上,对传统的被动汽车悬架系统进行改进,提出合理的控制策略,对汽车悬架系统实行半主动控制。
1 悬架性能的评价指标人体暴露在振动环境中分为高频区和中低频区。
有关的研究结果表明,人体对4 Hz～8 Hz的频率振动能量传递最大,称为第一共振峰。
以后随着频率的增高,振动在人体内的传递逐步衰减。
因此对半主动控制悬架系统而言,主要是控制悬架系统在中低频率下的振动。
汽车半主动悬架模糊控制研究的开题报告
汽车半主动悬架模糊控制研究的开题报告一、选题背景和意义汽车悬架系统是汽车的重要组成部分之一，它直接影响汽车的安全性、稳定性和行驶舒适性。
目前，随着科技的不断发展，汽车悬架系统也在不断升级和改进，从最初的被动悬架转变为目前应用广泛的主动悬架和半主动悬架。
半主动悬架系统不仅可以提高汽车的操控性能，还可以避免因悬架刚度过高或过低而带来的安全隐患。
与主动悬架相比，半主动悬架系统具有成本低、维护简单、响应速度快等优点，因此越来越受到人们的青睐。
模糊控制是一种能够应用于各种控制领域的智能控制方法，它能够根据系统的实际情况进行自适应调节，并且具有简单、鲁棒性强等特点。
因此，将模糊控制应用于汽车半主动悬架系统，不仅能够提高悬架系统的控制效果，还可以减少控制器硬件的成本，提高系统的实用性。
二、论文目的和研究内容本文旨在研究汽车半主动悬架模糊控制的方法，通过模糊控制算法对半主动悬架系统进行控制，提高悬架系统的控制精度和鲁棒性。
具体研究内容如下：1. 半主动悬架系统的结构和工作原理。
2. 半主动悬架的数学模型和控制策略。
3. 模糊控制算法的基本原理和应用。
4. 基于模糊控制的半主动悬架系统控制器设计与仿真。
5. 实验验证半主动悬架模糊控制的效果与性能。
三、论文研究方法1. 文献调研法通过查阅相关文献，熟悉半主动悬架系统的工作原理和数学模型，了解模糊控制算法的基本原理并寻求是否有相关研究。
2. 数学建模法基于汽车半主动悬架系统的结构和工作原理，建立起数学模型和控制策略，为控制器的设计提供参考指导。
3. 模糊控制算法设计和仿真针对汽车半主动悬架系统的数学模型和控制策略，设计模糊控制器，并进行仿真研究，以验证控制效果和优越性。
4. 实验验证通过实验对半主动悬架模糊控制的控制效果和性能进行验证，吸取经验教训，提高算法的稳定性和鲁棒性。
四、预期成果1. 可以深入了解半主动悬架系统的工作原理和控制方法。
2. 建立稳定的半主动悬架数学模型，并基于这个模型设计出合理的控制策略。
装甲车半主动悬架系统的研究进展
Ξ 收稿日期:2008-04-01作者简介:谭伯政(1980—),男,硕士研究生,工程师,主要从事车辆磁流变智能悬架系统控制研究;李以农(1961—),男,教授,博士生导师,主要从事汽车系统动力学控制、汽车主动安全性、振动控制等研究.【综述与评论】装甲车半主动悬架系统的研究进展Ξ谭伯政,李以农,郑 玲(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400030)摘要:总结了车辆半主动悬架系统的发展状况,论述了可调减振器的研发动态,详细阐述了当前主要的半主动控制策略,指出应当着重研究复合控制方法以解决非线性和时滞问题,并提出了装甲车辆半主动悬架系统今后的研究和发展方向.关建词:装甲车;半主动悬架;控制策略中图分类号:U463.33文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2008)04-0066-03 悬架作为装甲车辆的重要部件,对装甲车的平顺性、操纵稳定性和通过性都有巨大的影响.传统被动悬架系统经过长时间的发展,结构上不断更新和完善,并且性能得到很大提高,数都固定不变,被动悬挂只能保证在设计条件下的减振效果,不能根据车辆的运行状态和路面状况进行实时调节,达到最优的减振效果,这就大大限制了车辆在各种复杂路况下的越野能力、战场机动性及火力精确性[1].主动悬架是一种具有做功能力的悬架,在提高系统性能上具有较大潜力[2].主动悬架系统耗能高,控制系统复杂,系统可靠性较差,这些因素均成为主动悬挂系统应用的技术瓶颈,因此,主动悬架技术在装甲车辆底盘上的应用时机尚不成熟.半主动悬架系统通过改变弹簧刚度或阻尼系数,来达到对悬架系统性能进行调整的目的,结构简单,系统可靠性高,能耗小,同时具有主动悬架、被动悬架的特征,在大多数情况下具有与主动悬架相近的特性[3-4],是装甲车理想的悬架系统.悬架系统分类见表1.1 半主动悬架系统的发展概况与现状1.1 发展概况半主动悬架的概念首先由Crosby 和K arnopp 于1973年提出[5],20世纪80年代初期才有试验性产品问世,它对车辆性能的改善十分有限.1975年,Marg olis 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.1983年日本丰田汽车公司开发了具有3种减振工况的“开关”式半主动悬架.1986年,K im Brough 引入了Lyapunov 控制方法,改进了控制方法的稳定性.1988年日本日产公司研制了“声纳”式半主动悬架,它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种状态.1994年prinkos 等人使用了电流变和磁流变体作为工作介质,研究了新型半主动悬架系统.20世纪90年代,军用轮式车辆半主动悬架系统的研究也取得了突破.美国陆军坦克车辆装备司令部在1997年前后将液压可调减振器构成的半主动悬挂系统安装在布莱德利步兵战车上进行了场地试验,结果表明车辆的机动性能得到了大幅度的提高.2003年前后美军又在重型“悍马”吉普车上安装了基于磁流变减振器的半主动悬挂系统,取得了越野速度提高30%～40%的良好试验效果.1.2 刚度可调半主动悬架系统弹性元件刚度可调是在空气弹簧(油气弹簧)基础上实现的.通过改变弹簧刚度来减振的半主动悬挂由Hubbard 和Marg olia 于1976年提出[6].20世纪80年代油气悬架已广泛用于装甲车上,我国通过努力也在履带式装甲车上成功应用油气悬架,为实现装甲车悬架弹簧刚度控制奠定了基础.车辆弹性元件需承担车身的静载,因而实施刚度控制比阻尼控制困难得多,目前主要对半主动悬架阻尼控制比较多.但空气悬架(油气悬架)具有刚度低、质量轻、噪声低、寿命长等独特优势,因此,许多学者开展了基于空气弹簧(油气弹簧)的半主动悬架的研究,可以预见,空气悬架(油气悬架)在装甲车半主动悬架系统的发展过程中将起到举足轻重的作用.第29卷 第4期四川兵工学报2008年8月表1 悬架系统分类悬架系统系统模型操作频带所需最大能量和被动悬架相比性能的提高舒适性安全性被动————半主动f B -f w 50W 20%～25%10%～25%主动0～f w 1.5～1.7kW >30%25% 注:f B 为簧上质量的固有振动;f w 为簧下质量的固有振动频率1.3 阻尼实时可调半主动悬架系统1.3.1 节流孔可调悬架.节流孔可调悬架是早期半主动悬架研究的主要方向,通过步进电机或电磁阀来控制节流阀的流通面积连续调节阻尼[7].可调节流阀一般设置在减振器内部,也可以设置在外部的旁通道上,如梅赛德斯-奔驰公司曾研制出一种外置可调减振器.经过长时间的研究发现,节流孔可调减振器有先天的缺陷,如响应速度慢、块速调节节流孔容易引起流量的严重脉动,影响振动控制效果[8].1.3.2 电流变和磁流变减振器.20世纪90年代,电流变和磁流变等新型材料的相继出现.利用电流变和磁流变液研制的减振器可以实现无级可调,磁流变液(电流变液)在外加磁场(电场)作用下,其黏度、剪切强度等发生显著变化.电流变液对电场反应迅速,控制带宽广[9].磁流变液响应略慢,但在屈服应力、温度范围、塑形黏度、稳定性等方面强于电流变液[10],并且在同样的减振要求下,磁流变液减振器的耗电量明显低于电流变液减振器.因而,各国军用车辆也加大了在这方面的研究.美国内华达大学为“悍马”军用吉普车设计并制造了磁流变减振器,该磁流变减振器具有失效保护功能,试验表明,磁流变减振器输出阻尼力大,响应速度快,具有优良的动态特性.国内在磁流变减振器的研究上做了大量工作,取得了一些成绩.国家仪表功能材料工程研究中心研制的磁流变体,其剪切屈服应力基本达到美国Lord 公司的水平[11].2 半主动悬架系统的主要控制策略 目前,应用于悬架控制系统的控制理论比较多,主要有天棚控制、最优控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制及复合控制等.1974年美国学者karnopp 等提出了天棚阻尼控制思想.原理是在车身上安装一个与车身振动速度成正比的阻尼器,可以完全防止车身与悬架系统产生共振,达到衰减振动的目的.在天棚控制方式中,控制力取决于车体的绝对速度的反馈,不需要很多传感器也不需要复杂的数学模型,可靠性较好.控制力可以表示为:f =-C sky x式中:C sky 为比例系数;x 为车体垂直振动速度.天棚阻尼是理论上的理想状态,为实现“天棚”控制思想提出了“on -off ”控制策略,根据控制信号调节阻尼器阻尼的“软”、“硬”设置,进而调整阻尼力的大小,“on -off ”阻尼控制思想的阻尼力算法可用如下公式表示:F d =c ( x -y ) x ( x -y )>00 ,x ( x - y )<0 由于天棚阻尼控制简单可靠,所以成为军用车辆重点研究对象.目前,研究的重点是改进型的天棚阻尼控制方法[12],综合天棚和地棚阻尼控制的优点而产生的混合控制算法[13].最优控制是比较成熟和完整的半主动悬架控制理论,在车辆上运用的最优控制方法常用的有线性最优控制、H ∞最优控制等.线性最优控制是将LQ (Linear Quadrat 2ic )应用于车辆悬架系统中,采用线性最优控制算法设计主动最优控制力为:u (t )=-GX (t ) 在最优控制领域装,装甲兵工程学院关于履带车辆悬挂系统半主动控制策略的研究比较深入.自适应控制通过自动检测悬架系统的参数变化来调整控制策略,保持其性能最优.应用于车辆悬架系统自适应控制方法主要有模型参考自适应控制和自校正控制两类[14],自适应控制能显著改善汽车的行驶特性[15],但是,自校正控制过程需要在线辨识大量的结构参数,实时性不好;而模型参考自适应控制方法涉及路面信息获得的精度问题.模糊控制及神经网络控制是解决具有非线性、时变和不确定因素系统的有效方法.模糊控制技术可以使系统的鲁棒性更好,减少控制器的存储空间;神经网络控制具有自学能力和大规模并行处理的能力,在车辆悬架系统减振76谭伯政,等:装甲车半主动悬架系统的研究进展控制中有着广泛的前景[16].但是,模糊控制和神经网络控制是建立在专家知识和经验的基础上的,因此人为因素在其中占据着很重要的角色,如果专家知识的集合不能真实或准确地反应车辆的状态,那么控制就失去了准确性.目前,应用于车辆悬架振动控制的各种控制策略都有自身无法弥补的缺陷,难以达到人们期望的效果.而将两种或多种控制策略相结合,对悬架进行复合控制往往能得到意想不到的结果.近期文献记载的控制策略设计有应用于装甲车辆的自适应控制与LQG控制的联合控制,最优预见控制与神经网络控制的复合,以及模糊控制与神经网络控制的复合等等.研究表明,复合控制方法更适用于车辆悬架这样复杂非线性系统的建模与控制,可以预见复合控制方法是今后控制策略研究的一个重要方向.3 今后研究和开发工作的方向3.1 研究开发可靠、高效的减振器变刚度油气弹簧仍然有较高的研究价值,特别是在现有装甲车辆的改进上.磁流变减振器的发展已成为车辆行业发展的焦点,虽然国外的研究成果及应用已经比较多,但国内还处于理论研究和试验阶段,主要是磁流变液减振器的工作不稳定,成本偏高.因此,当前的工作重点应该包括2方面:①研制高性能磁流变材料;②优化磁路及减振器结构.3.2 研究开发稳定、智能的控制方法为了满足要求,要充分运用智能控制技术、非线性控制理论及动力学系统理论[20],综合应用各种理论技术开发稳定、智能的复合控制方法.由于车辆悬架系统属于强非线性和强耦合系统,用线性系统模型对悬架系统求解会带来误差,另外,任何系统总存在不可避免的时滞[21].这方面的研究者提出了多种解决办法,其中一种是采用模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制和智能学习系统等智能控制,它们将是今后应用控制领域的一个主要研究方向.3.3 轻型轮式装甲车将是半主动悬架的重要应用领域目前,半主动悬架技术主要应用于高级轿车,而对该技术需求更为迫切的是轻型轮式装甲车领域.随着装甲车辆装备信息化建设的逐渐深入,轻型轮式装甲车也逐渐形成了自身鲜明的发展方向,高机动性就是其发展特色之一,主要表现在车辆的快速反应能力、行驶的地域更加广泛,通过崎岖、苛刻路面的能力增强,这就要求车辆的行驶平顺性与之相适应.任何技术从出现到实际应用都有一个漫长的过程,半主动悬架技术在国内已经有着广泛的研究基础,今后的研究工作应以轻型轮式装甲车的悬架系统为切人点,将该领域的技术逐渐推广.参考文献:[1] 王德胜,杨建华.装甲车辆行驶原理[M].北京:装甲兵工程学院出版社,1992.[2] Lauwerys C,S wevers J,Sas P.M odel Free C ontrol Design fora Semi-active Suspension of a Passenger Car[C].Pro2ceedings of IS M A,2004:75-86.[3] Marg olis D L.The Response of Active and Semi—activeSuspension to Realistic Feedback S ignals[J].Vehicle Sys2 tem Dynamics,1982(11):267-282.[4] 王世明,王孙安.半主动悬架及其控制[J].汽车技术,1999(12):1-3.[5] G rosby M J,K arnopp D C.The Active Dam per-A NewC oncept for Shock and Vibration C ontrol[J].The Shock andVibration Bull,1973,43(4):119-133.[6] Hroval D.Survey of Advanced Suspension Developmentsand Related Optimal C ontrol Applications[J].Automatica,1997,33(10):56-58.[7] Reim pell J,S toll H.The Autom otive Chassis[M].Arnold:[s.n],1996.[8] 胡海岩,郭大蕾,温建生.振动半主动控制技术的进展[J].振动、测试与诊断,2001,21(4):235-244.[9] Choi S B,Lee H K,Chang E G.Field T est Results of a Semi-active ER Supension System Ass ociated with SkyhookC ontroller[J].Mechatronics,2001(11):345-353.[10]Y okoyama M,Hedrick J K,T oyama S.A M odel F ollowingS liding M ode C ontroller for Semi-active Suspension Sys2 tems with MR Dam pers[C]//Proceedings of the AmericanC ontrol C on ference Arlington.VA:[s.n],2001.[11]刘奇,张平,王东亚,等,磁流变体(MRF)材料的制备与性能研究[J].功能材料,2001,32(3):257-259. 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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2～50W2～50W1.3 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。