汽車懸架系統振動控制的研究

摘要：根據現代汽車懸架特點，對其振動特性進行研究。本文在對比幾種典型的懸架控制系統的基礎上，應用自動控制理論和微機技術，設計了一種實用的汽車懸架微機控制系統，以期改善汽車在各種工況的平順性和安全性。

關鍵詞：汽車懸架 振動 控制

0 引言

懸架系統是提高車輛行駛平順性和安全性，減輕動載荷對汽車零件損壞影響的必要裝置，但是車輛行駛的平順性和操縱的安全性是相互矛盾的，由于道路條件的復雜性，傳統懸架系統無法解決這一矛盾關系。自70年代以來，工業較發達的一些國家開始研究汽車懸架系統的振動控制。根據汽車懸架系統特點，對車輛所設計的懸架振動控制系統，既能使平順性達到令人滿意的程度，又可使汽車安全性達到最佳狀態。這就要涉及到機械動力學、液體力學、電子技術、計算機技術等多學科的互相協調，以使現代汽車懸架系統的振動控制達到更高的水平。隨著人們對汽車性能要求的不斷提高，將對懸架系統提出更高的要求。使懸架系統適應不同的道路條件，保證汽車行駛平順性和安全性勢在必行。

1 確定控制方案

汽車減振主要依賴于懸架系統，它由彈性元件和阻尼元件組成，傳統懸架系統阻尼及剛度是在設計過程中確定的，而在汽車行駛中無法調整，這就使它不適應復雜的行駛工況和道路條件。通過采用電子技術來控制汽車懸架系統就可滿足上述要求，所謂懸架系統控制，一般有兩種方法，其一是對減振器阻尼力的大小進行控制，其二是控制汽車減振彈簧的彈性系數。眾所周知，在車輛懸架中，彈性元件除了用于吸收和存貯振動能量外，還具有支撐作用。在無源的條件下，改變剛度要比改變振動阻尼困難。因此，本文僅設計并討論通過對減振器阻尼力的調節，來實現對懸架系統振動的控制。

1.1 懸架系統兩自由度振動模型 一般汽車懸架系統都由彈性元件和阻尼元件所組成，因此它可簡化為兩自由度的振動系統，如圖1所示。

1.2 振動控制類型的確定 汽車懸架的振動控制可分為被動控制、半主動控制和主動控制三種基本類型。不需要能量輸入的振動控制稱為被動控制；有少量能量輸入以調節阻尼系數的控制稱為半主動控制；通過輸入外部能量使控制機構對懸架系統施加一定控制力的振動控制稱為主動控制。被動控制由于無需能量，且結構簡單而得到廣泛的應用，單筒式液力減振器和套筒式液力減振器是應用最普遍的兩種類型。由于阻尼的不可調整性，使這兩種減振器不能滿足汽車懸架的振動控制特性要求。

如在懸架系統中附加一個可控制作用力的裝置，并有一套提供能量的設備，這就組成了主動控制的懸架系統。由Federspiel-Labrosse在1955年發明的，可明顯減小車身的振動，主要采用流量控制法或壓力控制法。近年來，日本日產公司研制了液力主動控制系統，如圖2所示，它由壓力控制閥與小型蓄能器和液壓缸相結合，在不平路面上的振動輸入被蓄能器吸收，從而減少整個系統所需要的流量，懸架質量的振動控制由液力系統的主動阻尼和被動阻尼共同完成。因此，該主動控制懸架系統與最初的主動懸架相比，耗能較少，結構較復雜，造價較貴，國外僅在高級賽車上應用。

半主動控制懸架系統是通過輸入少量能量以調節減振器的液力阻尼，改善懸架的振動特性，一般采用on/off控制法或分段控制法。在路面的隨機作用下，懸架系統則具有明顯的非線性動力特性。應用半主動控制的懸架系統，由于車身的結構振動而造成高頻不平順性，若使用on/off式減振器，或控制回路中的時滯超過5ms，其后果明顯變差。因此，針對懸架系統的振動特性，應用自適應控制理論和微機控制技術，使減振器的阻尼效果可以根據路面的不同激勵而連續改變，即可解決on/off式控制方法的不足。

另外，理想的主動控制懸架與半主動控制懸架的位移x1相對于路面激勵x0的幅頻特性函數為：

而對于被動控制懸架其幅頻特性函數為：

其中：λ=ω/ω0（路面激勵頻率與懸架系統固有頻率之比）

(相對阻尼系數)

可見，主動控制懸架對振動的控制明顯優于被動控制型懸架，而理想的主動控制懸架與半主動控制懸架具有相同的振動特性。

由于半主動懸架控制系統由無源但可控的阻尼元件組成，介于主動控制和被動控制之間，且具有與主動控制相近的性能，又可在工作時幾乎不消耗車輛動力。因此，本項研究用半主動控制方法，以改進懸架系統的振動特性，提高車輛的平順性和安全性。

2 微機控制系統

2.1 控制目標 對減振器阻尼力進行調節時，汽車車身的振動受到直接調節，即影響車身振動加速度的幅頻響應。因此，減小車身垂直振動加速度做為本次研究的控制目標。

2.2 控制系統模型 以汽車懸架的兩自由度振動模型為基礎，設計懸架振動的微機控制系統模型。通過車身加速度傳感器對車身垂直振動加速度值進行采樣，經過A/D轉換器，振動加速度信號以數字量形式輸入單片機，分析處理后，單片機輸出控制信號，驅動執行機構。

2.3 控制系統組成 該系統由傳感器、單片機、外部存儲器和驅動機構等組成，如圖3所示。由于車輛行駛工況復雜，條件惡劣，故選用剪切型壓電加速度傳感器。它具有靈敏度高，環境特性、低頻特性好等特點。

采用8098單片機作為控制微機，其完全可以承擔對振動加速度信號的處理工作。同時，8098外接16K的EPROM27128作為擴展程序存儲器。電控調整減振器阻尼力可以通過變化減振器節流口大小，或改變減振油液粘度的方法。本項研究選擇前種調節方法，節流口大小的改變是通過驅動機構的驅動實現。目前常用的電驅動機構有電磁式和步進電機式兩種，針對懸架系統的特點，采用具有誤差小，控制性能好且結構緊湊的步進電機驅動。驅動機構工作過程為：單片機發出驅動指令，步進電機帶動驅動桿轉動，以調節節流口的大小，從而改變了減振器的阻尼力。步進電機的轉角變化直接取決于單片機輸出的脈沖信號，它決定了減振器的阻尼力變化。通過傳感器的連續采樣，可獲得路面的不同激勵，單片機隨時改變輸出信號，減振器的節流口大小作出不同的響應，以使汽車懸架系統的阻尼效果最有效。

3 結論

隨著國內高速公路的不斷發展，傳統的被動型懸架已不能滿足要求，為尋求較理想的懸架控制系統，通過研究與設計，得出如下結論：①車輛高速行駛的平順性和安全性對優化及改進懸架系統的要求日益迫切。②經過對比分析，選擇半主動控制懸架作為目前研究的主要對象。③根據懸架系統在路面隨機激勵作用下的非線性動力特性，應用自動控制理論和微機控制技術，設計了一種實用的微機控制系統。

參考文獻：

[1]孫求理.主動懸架的發展和技術現狀.世界汽車.1996.5.

[2]余強等.汽車懸架控制技術的發展.汽車技術.1994.9.

[3]陳君梅.凌志LS400的懸架裝置.汽車雜志.1996.16.

[4]張育華.徐士鳴編.汽車電子技術與故障診斷.大連理工大學出版社.1996.

[5]KawakamiH.Developmentofintegratedsys tembetweenactivecontrolsuspension．active4WS．TRCandABS．SAEpaper．920271.41_48.

[6]強錫富編.傳感器.北京：機械工業出版社.1993.