文献综述-汽车半主动悬架系统的研究

汽车半主动悬架系统减震性能研究的文献综述 【摘要】：本文对汽车半主动悬架的作用和分类进行了简要介绍，结合国内外最新研究成果，重点对半主动悬架的控制方法和控制策略进行了综述，并对其研究与发展趋势进行了探讨。

【关键词】：半主动悬架，控制方法，控制策略

Review on Vibration Reduction Performance of Semi-active Suspension Pan Kexian 1100103005 【ABSTRACT】：the functions and kings of semi-active suspension were simply introduced. On the basis of the latest research achievements, review of control method and control strategies of semi-active suspension were emphasized，and the current development of semi-active suspension was discussed.

【KEYWORDS】：Semi-active suspension；Control method，Control strategy

一、前言[1][2] 车辆的悬架装置是弹性连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称。悬架装置主要由弹性元件、减振器和导向机构组成。它是车辆的重要装置之一，其主要功用有三个： 1、抑制、缓和由不平路面引起的振动和冲击，以保证车辆的正常行驶； 2、传递作用在车轮和车架(或车身) 之间的一切力和力矩； 3、保证车轮和车身之间有确定的运动关系，使汽车有良好的驾驶性能。 悬架系统减振效果对车辆行驶的平顺性、操纵的稳定性和通过性等多种使用性能有着很大的影响。理想的悬架要求在不同的形式条件下，对乘坐舒适性和形式安全性能提供最佳匹配。 根据其减振控制方式的不同，可分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架。 半主动悬架由参数可变的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是根据簧载质量和非簧载质量的振动情况，按照一定的控制规律改变弹簧的刚度系数或减振器的阻尼力，以达到较好的减振效果。美国加州大学戴维斯分校的D．A．Crosby和D．C Kamopp于1973年首先提出了半主动悬架的概念并基于此进行了大量研究，通过输入少量控制能量来调节减振器的液力阻尼，改善悬架的振动特性。1976年，Hubbard提出改变弹簧刚度构成的半主动悬架，其刚度的改变可通过切换空气弹簧来实现，与机械弹簧相比，空气弹簧存在更多的优势。1984年日产公司研制出一种声纳式半主动悬架，它能通过声纳装置预测前方路面信息，及时调整悬架减振器的状态。l994年，Prinkos等人使用电流变液体和磁流变液体作为工作介质，研究出新型半主动悬架系统。Delphi公司则采用磁流变液体作为减振液，研发出响应速度更快的MagneRide半主动悬架，使减振器的反应速度至少增快5倍，从而提高了汽车的乘坐舒适性和行驶安全性。 半主动悬架可分为可切换半主动悬架和连续可调半主动悬架，可切换半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化，其减振性能优于可切换半主动悬架。 半主动悬架是今后悬架发展的方向，有着极其广泛的应用前景。 二、汽车半主动悬架的控制方法 半主动悬架一般根据汽车的振动加速度、悬架动行程、减振器的温度、路面状况等实时地改变弹簧的刚度系数或减振器的阻尼系数，其控制的方法有以下几种。 2.1、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。[3] 2.2、减振液粘性调节 使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，通过改变电场强度或磁场强度来改变液压油的黏度从而实现阻尼无级变化，响应速度快，通过对外加磁场强度的控制，可以在毫秒级时间内改变液流的流变特性，使其由液态变成半固态。而在屈服应力、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。而且磁流变阻尼器具有出力大、调节范围宽、温度适应性强、响应速度快、能耗低等特点，因此，使用磁流变液体作为减振液的阻尼器是当前的研究热点。 国外，在凯迪拉克、奥迪等轿车上已有使用称为”MagneRide”的磁变流液减振器。在国内研究的热点也集中在磁流变液体减振器上，合肥工业大学机械与汽车工程学、吉林大学测试科学实验中心、汽车动态模拟国家重点实验、重庆大学机械传动国家重点实验室等都有此类研究。但是国内研究的磁流变液体材料比国外的略有不足，稳定度不高。这也是作为减振器的必须要考虑的问题。[4][5] 2.3、仿生原理[6] 根据鸟禽脖颈的生物原理而成，鸟禽脖颈由若干段圆柱状骨骼串联而成,其生理结构保证脖颈可以弯曲或伸长,以调节鸟禽头部的高度。只要移动距离不超出脖颈总长, 鸟禽总能通过弯曲或伸长脖颈, 始终使头部高度位置基本保持不变。若将鸟禽身体看作汽车车轮, 鸟禽头部看作汽车车身,则结果是车轮上下跳动,而车身高度基本保持一致。根据此现象可仿生应用于汽车减振装置。 2.4、带有记忆的合金弹簧[7] 带有记忆合金弹簧的汽车半主动悬架则从调节减振器的刚度系数入手，使用带有记忆的合金弹簧作为弹性元件，目的是改变系统的弹性特性，这种半主动悬架具有更换元件方便的优势。 三、半主动悬架控制策略

近年来，国内外学者对半主动悬架控制方法进行了大量的研究，控制方法几乎涉及到所有的控制理论的所有分支，许多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制等在半主动悬架上得到了应用。 3.1、天棚阻尼控制 天棚阻尼控制方法是最早提出的控制方法。该控制方法是由美国D.KARNOPP教授提出，在早期的半主动悬架上得到了广泛应用，即设想系统中车体与某“固定天棚”之间存在一个虚拟惯性阻尼器。其控制原理是，根据簧载质量的速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节可调阻尼器的阻尼系数。这种控制方式是目前研究较多且有效的。 同济大学的汽车学院的赵治国等针对passat b5轿车前悬架研制了天棚鹏阻尼控制带磁流变液的班主动悬架减振器模型,使得汽车乘坐舒适性改善大于10%[4]。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。 3.2、最优控制 最优控制是一种理论上最成熟、应用最广泛的控制方式，它一般可分为线性最优控制、最优预测控制和H∞最优控制。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,用得较少。H∞最优控制是在闭环系统各回路稳定的条件下，相对于噪声干扰的输出取极小值的一种最优控制方式，在车身质量、轮胎刚度、减振阻尼系统、车辆结构等存在不确定变化误差时，采用H∞最优控制可使车辆悬架系统的减振控制具有较强的鲁棒性。[7] 湖南大学力学与航空航天学院利用最优控制理论结合磁流变液体调节实现半主动悬架的控制。 3.3、自适应控制 自适应控制具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，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，其中自校正控制是目前应用较广的一类。采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统能改善车辆的行驶特性，在德国大众汽车公司的底盘得到了应用。国内北京理工大学也有研究。[10]

3.4、预测控制 车辆悬架系统的预测控制是指通过传感器，将车辆前方路面信息预先传给悬架装置，使参数的调节与实际需求同步。预测控制可以通过某种方法提前测得前方路况的信息，使得控制系统有足够的时间采取措施。预测控制可以分为两类：一是用前轮悬架的状态信息对后轮悬架进行预测控制；二是测量车辆行驶过程中前方道路的状态信息，以此信息来对前后轮悬架进行预测控制。采用预测控制的关键是要获得具有一定精度、不受干扰和反映路面真实情况的信息。传感器的精度、速度影响较大，而且由于车辆参数的时变性和非线性对系统性能的影响，使得具有预测控制性能的半主动悬架研究具有一定困难。[1]

3.5、模糊控制 自20世纪90年代以来，模糊控制被应用到汽车半主动悬架系统的控制中。在控制过程中，首先要把由各传感器测出的精确量转化成为适于模糊运算的模糊量，然后将这些量在模糊控制器中加以运算，最后再将运算结果中的模糊量转化为精确量，以便对各执行器进行具体的操作控制。日本德芳大学芳村敏夫教授把模糊控制理论应用于汽车悬架半主动和主动控制系统，采用模糊推理，计算机模拟分析来控制车身的的垂直振动和俯仰振动，其结果证实了采用模糊控制的有效性。北京科技大学机械工程学院基于双模糊控制器对半主动悬架进行仿真研究。[11] 与传统控制相比，其系统的鲁棒性好，尤其适用于非线性、时变和滞后系统。由于车辆的部分参数经常变化以及在不同道路条件下行驶等特点，模糊控制尤为使用。但模糊控制器的稳定性只通过一些模拟过程测试，控制对象没有精确的数学模型，与人的智能行为相似，判断其稳定性的标准还不存在。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。