楊威勇

(遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院)

車輛在行進(jìn)過程中，具有不平度的路面會引起汽車的振動。一旦振動達(dá)到一定閥值，會引起車輛乘員乘坐的不舒適感或者載貨汽車保持貨物完好的能力下降。因此，研究汽車的振動和受力情況，采取有效的控制方法和措施，將振動控制在最低限度，對改善車輛性能具有重要意義。但是來自路面的不平度激勵我們很難改變，只有從車輛減振方面考慮，車輛減振方面包含三個環(huán)節(jié)，即輪胎、懸架、座椅，其中懸架系統(tǒng)正是衰減和吸收汽車振動的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)懸架由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)和減震器等裝置組成，傳遞車輪和車架(車身)之間一切力和力矩。懸架性能的優(yōu)劣是影響車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性的重要因素。

1 懸架分類與結(jié)構(gòu)

根據(jù)懸架的彈性剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)是否隨著車輛行駛條件的變化而變化，懸架可以分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架三類，其中主動懸架又分為并聯(lián)式慢主動懸架和全主動懸架。三種懸架結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 汽車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 被動懸架

被動懸架如結(jié)構(gòu)圖1 中所示，其在經(jīng)典隔震理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，根據(jù)大量實驗折中得出最優(yōu)的彈簧剛度系數(shù)和減振器阻尼系數(shù)，使懸架不至于太硬而影響到乘員的乘坐舒適性，同時還要保證懸架不至于太軟而降低車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性。雖然被動懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修方便、安全可靠等優(yōu)點，但是由于被動懸架的參數(shù)一旦設(shè)定就無法更改，所以采用被動懸架的車輛減振效果只能在某些路況和某些車況組合時達(dá)到最優(yōu)，在其他情況下懸架的性能都不是最適合車輛需求的，也就不能保證人們對車輛安全、操縱和平順性的需求。

1.2 主動懸架

主動懸架的概念最早是在1954年有美國GM 汽車公司Erspiel.Labrosse 提出，但由于主動懸架造價高昂，技術(shù)苛刻，所以主動懸架的批量生產(chǎn)受到限制。但科研人員對于主動懸架的研究并沒有停滯不前，1976年Thompson 將最優(yōu)反饋控制理論應(yīng)用到主動懸架研究中;1988年雪鐵龍公司將裝液壓懸架的XM 車型命名為第一代主動液壓懸架;1992年LOTUS 公司、TACOM(美國陸軍坦克司令部)和TCM 聯(lián)合小組在Hummer 輪式車輛上裝置主動懸架，顯著提高該車型在崎嶇路面行駛速度。如圖1 中所示，主動懸架又分為并聯(lián)式的慢主動懸架和全主動懸架，前者是在被動懸架的基礎(chǔ)上增加作動力產(chǎn)生裝置，在主動懸架失效時依然有一套被動懸架在工作，安全可靠性高;后者僅有作動器支撐車體，對系統(tǒng)能耗和安全性要求很高。由于主動懸架能耗高、成本高，遠(yuǎn)不如半主動懸架的發(fā)展應(yīng)用。

1.3 半主動懸架

考慮到被動懸架、主動懸架的缺陷，在1973年首先由Crosby 和Kamopp 提出半主動懸架的概念。如圖1 所示，半主動懸架就是通過調(diào)整懸架參數(shù)(彈簧剛度或減振器阻尼系數(shù))，達(dá)到調(diào)節(jié)并優(yōu)化懸架性能的目的。在實際應(yīng)用中較容易實現(xiàn)的是調(diào)整減振器阻尼系數(shù)，從而通過改變阻尼力實現(xiàn)提高懸架減振特性的目的。阻尼可調(diào)式半主動懸架的高性價比和高可靠性使其具有廣闊的市場前景。阻尼可調(diào)式半主動懸架分為傳統(tǒng)可調(diào)減振器和電流變、磁流變減振器兩大類。1975年，Margolis 等人提出“開關(guān)”控制的半主動懸架，1988年日本日產(chǎn)公司成功研制Maximn 轎車和Limmited轎車上的超聲波懸架系統(tǒng)。2002年，美國德爾福公司在Cadillac Seville STS 高檔車上成功裝備磁流變減振器。

2 懸架控制策略

科技的進(jìn)步與創(chuàng)新無時無刻不在改變我們的生活，懸架的控制系統(tǒng)也早已跨入計算機時代?，F(xiàn)在，車輛主動懸架的研究主要包含兩個方向:一個是懸架控制方面的理論研究，另一個是執(zhí)行器(作動器)的研發(fā)。其中控制策略的理論研究為作動器的開發(fā)提供理論依據(jù)。

2.1 天棚控制理論

由美國控制專家Karnopp 提出的天棚控制思想是在車身上安裝一個與車身振動速度成正比的阻尼器，在車輛行駛過程中，阻尼器阻尼會隨車身速度變化而變化，阻尼器產(chǎn)生的力與車身運動方向相反，這樣就有效防止懸架與車身產(chǎn)生共振，從而達(dá)到減振的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，所需車身傳感器也少，也不需要復(fù)雜的懸架模型，很容易實現(xiàn)。通用、凱迪拉克轎車運用天棚思想開發(fā)了二檔阻尼可調(diào)懸架，美國通用汽車某型號車采用了開關(guān)阻尼減振器，也是天棚思想的延伸。

2.2 最優(yōu)控制理論

最優(yōu)控制理論常用的有三種:預(yù)見最優(yōu)控制、線性最優(yōu)、H 最優(yōu)。較早出現(xiàn)的預(yù)見最優(yōu)控制，是靠安裝在車身前端的傳感器感知前方道路情況，這樣車輛前輪就可以預(yù)測前方路況，將信息傳遞給控制裝置后，由ECU 作出判斷和計算，進(jìn)而采取一定的控制措施。由于預(yù)測信息時間短，多采用超聲波傳感。線性控制針對線性的汽車模型，將相互矛盾的控制要求施加在一個性能指標(biāo)上，從而達(dá)到最優(yōu)控制，但是由于汽車是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，所以線性最優(yōu)控制使用有一定局限性。H 控制方法設(shè)計一個閉環(huán)系統(tǒng)，在保證回路穩(wěn)定前提下，盡量使輸出值取最優(yōu)，采用該控制方法的懸架系統(tǒng)具備良好的抵抗未知因素能力。

2.3 智能控制

隨著計算機的發(fā)展，智能控制得到快速發(fā)展。智能控制是模擬人腦的一種控制方法，主要有兩種:模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。模糊控制由美國控制理論專家扎德提出，由Yoshimuro 教授首先將模糊控制理論應(yīng)用到懸架系統(tǒng)。模糊控制是把精確的數(shù)字變量模糊化，然后通過專家或熟練人員總結(jié)出的模糊規(guī)則進(jìn)行計算，再輸出控制量對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。汽車懸架系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而模糊控制具有針對非線性、難以精確建立模型的系統(tǒng)魯棒性好等優(yōu)點，而得到廣泛應(yīng)用。日本芳村教授試驗?zāi)M車身垂向振動和俯仰振動，證明了模糊控制在懸架控制方面的有效性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是將生物學(xué)領(lǐng)域中神經(jīng)元知識應(yīng)用到懸架控制中，由大量神經(jīng)元模擬組成汽車懸架系統(tǒng)，借鑒人腦智能思維來進(jìn)行控制。這種控制方法具有獲取、聯(lián)想、記憶、容錯性好、適應(yīng)性強等優(yōu)點。

2.4 聯(lián)合控制

懸架的控制策略有多種，每種控制方法都可以使某一或幾個評價指標(biāo)得到優(yōu)化，但是每一種控制方法都有自己本身存在的弊端，很難同時使多個控制目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。為了能最大幅度提高懸架的減振性能，往往把兩種或兩種以上的控制方法進(jìn)行聯(lián)合對懸架進(jìn)行控制。例如將傳統(tǒng)PID 控制與模糊控制聯(lián)合設(shè)計出的模糊PID 控制器、自適應(yīng)模糊PID 控制器，就兼有PID 控制和模糊控制的優(yōu)點，在仿真試驗中也取得了理想的控制效果。國外學(xué)者將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制混合設(shè)計應(yīng)用于重型坦克和奔馳高級轎車，這種控制方法非常適用于主動懸架這樣的非線性復(fù)雜系統(tǒng)。

3 結(jié)論與展望

(1)半主動、主動懸架已經(jīng)成為懸架的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的被動懸架阻尼和剛度系數(shù)均不可調(diào)，已經(jīng)不能滿足人們對汽車舒適性和行駛平順性的要求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，成本相對低的半主動懸架具有廣闊的市場空間。

(2)隨著多種控制理論的成熟，聯(lián)合控制策略成為控制理論研究的重點。

(3)懸架系統(tǒng)的研究要結(jié)合理論研究和實踐、試驗相結(jié)合的道路。理論研究已趨于成熟，執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)能力、傳感器的可靠性和成本等技術(shù)將是懸架走向?qū)嵱玫耐黄瓶凇?/p>

(4)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展觀念的沉入人心使懸架朝著低能耗、低排放、高效的方向發(fā)展。

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