車輛混合型主動懸架試驗研究

卜祥風，謝友浩

（1.滁州學院，滁州 239000；2.安徽獵豹汽車有限公司，滁州 239000）

0 引言

懸架是車輛底盤的重要結構和組成部分，起到緩沖路面沖擊消耗振動能量的作用。傳統被動懸架由于其固有特性，無法協調車輛行駛平順性和操縱穩定性的矛盾。主動懸架能夠解決被動懸架存在的問題，并且控制響應快，但往往不具有失效穩定性，當主動懸架失效時，車輛減振效果大大降低。半主動懸架通過改變懸架的彈簧剛度或阻尼系數來調節振動，響應速度較慢，具有一定的失效穩定性。本文提出的混合型主動懸架，在被動懸架的車輪環節加裝電磁反力作動器形成。當電磁反力作動器工作時輸出主動控制力，當電磁反力作動器不工作時，相當于一個被動吸振器，所有具有較好的失效穩定性。

1 懸架模型

1.1 混合型主動懸架力學模型

1/4車輛混合型主動懸架模型如圖1所示，m為作動器振動塊質量，m1為非簧載質量，m2為簧載質量，k1為輪胎剛度，k2為懸架剛度，c為作動器阻尼，c2為懸架阻尼，u是作動器電磁力，q、x1、x2、x3分別為路面、非簧載質量、簧載質量、作動器振動塊位移。

電磁力u作用下，振動塊m受迫振動，從而作動器整體對外輸出一個反力Ft，Ft作為主動力作用在非簧載質量上。當電磁作動器不工作的時候，作動器相當于一個被動吸振器。此型懸架兼有主動懸架和被動懸架的特征，所以稱為混合型主動懸架。

圖1 車輛1/4混合型主動懸架模型

混合型懸架運動微分方程為：

1.2 混合型主動懸架試驗物理模型

圖2所示為混合型主動懸架的試驗物理模型，包括加載箱、導柱、大梁、簧載質量配重盤、減振器套件、非簧載質量配重盤、激振頭。懸架主要參數：

m1=30kg，m2=275kg，k1=90kN/m，k2=159kN/m，c2=1.1kN.s/m。作動器主要參數：m=3.4kg，k=16kN/m，c=70N.s/m，電磁力常數μ=53.5N/A。其中減振器套件取自實車，以盡可能貼近實車模型。

圖2 混合型主動懸架試驗物理模型

2 試驗系統

混合型主動懸架的試驗系統組成如圖3所示，試驗系統主要包括四大部分，第一部分是激振頭和懸架物理元件，激振源是INSTRON公司的8800數控液壓伺服激振系統，能夠編程實現模擬路面的振動。第二部分是混合型主動懸架的控制系統，包括信號采集、處理單元、單片機控制單元和驅動執行單元。這里采用了內環PID控制和外環魯棒控制的雙反饋閉環控制策略，控制原理如圖4所示。第三部分是數據采集系統，使用了LMS數據采集儀，兩個加速度傳感器，LMS電腦自動記錄傳感器的加速度-時間曲線。

圖3 試驗系統圖

圖4 雙反饋控制原理

試驗原理為：加速度傳感器采集到加速度信號，一方面由數據采集儀采集記錄，另一方面信號經放大、AD轉換變成單片機能夠識別的數字信號；同樣力傳感器采集作動器的對外作動力信號也傳送給單片機控制單元，單片機調用控制算法計算出實時的控制力，通過驅動電路驅動作動器輸出電磁力，從而控制懸架系統的振動。

3 試驗結果分析

3.1 正弦激勵

采用正弦波輸入模擬路面的確定性輸入，正弦波頻率為5Hz，振幅為10mm。

圖5給出了懸架處在主動控制、被動吸振和被動三種情況下的車身振動加速度、輪胎振動加速度的對比圖，表1列出了懸架在上述三種情況下的峰峰值。

表1 正弦激勵車身/輪胎加速度峰峰值

由圖5結合表1的數據可以看出，主動控制時車身振動加速度峰峰值為4.6854m/s2、被動吸振時為4.8890m/s2，被動時為5.1289m/s2。主動控制下的車身振動加速度比被動吸振降低4.16%，比被動時降低8.65%；主動控制下輪胎振動加速度比被動吸振時降低6.77%，比被動時降低6.8%。

圖5 2Hz正弦激勵車身/輪胎加速度對比

3.2 隨機路面激勵

編程使激振頭模擬B級路面下，車速30km/h時的路面輸入，得到懸架在主動控制、被動吸振和被動時的車身振動加速度、輪胎振動加速度對比，如圖6、圖7所示。

表2給出了車身振動加速度和輪胎振動加速度的均方根值，可以看出懸架在被動吸振狀態下比被動時，無論是車身振動加速度還是輪胎振動加速度，都改善的不明顯。而懸架在主動控制時，相對于在被動時，車身加速度降低7.92%，輪胎加速度降低10.18%，顯示了較好得減振效果。

表2 車身/輪胎加速度均方根值

4 結論

圖6 車身加速度對比

圖7 輪胎加速度對比

通過上述正弦激勵和隨機路面激勵試驗可知，將電磁反力作動器安裝在被動懸架車輪環節形成的混合型主動懸架能夠起到控制減振的效果。為驗證混合型主動懸架減振效果設計的試驗模型準確可行，所設計的混合型主動懸架控制系統有效可行。

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