淺析商用車座椅懸架的研究現狀

李爭鵬，李勇凱，劉猛，楊鑫

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淺析商用車座椅懸架的研究現狀

李爭鵬，李勇凱，劉猛，楊鑫

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

汽車座椅是汽車減振系統的重要組成部分。文章對目前商用車座椅懸架的主要類型以及常用的座椅懸架控制策略作了簡要介紹，結合當前研究現狀對未來座椅懸架的發展趨勢進行了展望。

懸架類型；控制策略；發展趨勢

前言

汽車行駛時的舒適性與汽車減振系統有關。座椅懸架可以極大地緩沖路面不平引起振動，有效避開人體敏感頻率，從而提高駕駛員的行車安全性和乘坐舒適性。因此，加強座椅懸架的研究對提升我國商用車的競爭力及保障駕駛人員行車安全具有重要意義。

1 車輛座椅懸架的類型

座椅懸架相對于車輛懸架發展起步較晚，座椅懸架與車輛懸架在組成和原理上有很大相似性，安照裝置布置形式主要分為懸置式和剪式兩種，如圖1中的(a)和(b)所示，懸置式座椅懸架多用于裝載車、叉車等工程車輛，剪式座椅懸架則更多的適用于旅游車，卡車等大型車輛。就目前而言，國內大都是對剪式座椅懸架進行研究。通常，座椅懸架按照隔振效果可劃分為被動座椅懸架，半主動座椅懸架，主動座椅懸架三種。

(a) 懸置式座椅懸架圖 (b) 剪式座椅懸架圖

1.1 被座椅懸架

被動座椅懸架是目前為止使用最為普遍的也是最為基礎的座椅懸架，它主要有彈簧和阻尼器兩部分組成，剛度和阻尼是設定了的，因此，其調節不能隨著車輛在運行過程遇到的實際路面狀況而變化。

圖2中(a)是德國Grammer公司研制的凸輪控制的非線性特性座椅懸架，但該結構的滾輪承受兩方向的擠壓，有很大的摩擦力，不僅增加駕駛室內噪音，而且縮短其正常使用壽命。

(a) 由凸輪控制的非線性彈性特性座椅懸架示意圖

(b) 由曲面板與拉簧控制的非線性彈性特性座椅懸架示意圖

圖2 被動懸架示意圖

(b)圖是我國河南科技大學研制的由曲面版和拉簧控制的座椅懸架，該座椅懸架在結構上加以改進，可有效避免滾輪的擠壓和摩擦問題。

1.2 半主動座椅懸架

半主動懸架的概念最早是由D.A.Crosby和D.C.Karnopp在1973年中提出。1984年國外又研制出一種聲納式半主動懸架，它可以通過聲納裝置預測前方路面信息，并且能夠實時調整懸架減振器的三種狀態。D.A.Crosby等人提出了阻尼連續可調的半主動懸架系統。I.Hostens, K.Deprez, H.Ramon更是在行走式農用機械的座椅上應用了帶輔助氣室的空氣彈簧和變阻尼空氣阻尼器，通過理論分析與實驗研究，表明這種座椅懸架振動衰減性能良好。

國內對半主動座椅懸架研究尚處于起步階段。吉林大學的孫明,，長安大學的張猛，江蘇大學的劉永田，東北林業大學的楊亞珣、杜宇、孫子堯等其他高校人才在磁流變阻尼器在半主動座椅懸架的應用上進行了理論和實際的研究。半主動座椅懸架概念比主動座椅懸架提出要晚，但它發展速度快。總體而言，半主動座椅懸架在我國仍處于起步階段，與國外領域發達國家相比仍有較大差距。

1.3 主動座椅懸架

主動座椅懸架主要由一個作動器，執行機構和傳感器組成。它的剛度和阻尼能根據路面狀況進行實施調控，比半主動式座椅懸架反應更加靈敏，調控范圍更加寬泛，能始終保持駕駛員理想的舒適性。

早期的主動座椅懸架是由意大利的Francesco Braghin和Federico Cheli等人在傳統被動座椅的基礎上利用減振器和主動可控空氣彈簧組成的，該類型座椅應用于農業車輛。國外的Johnson建立了一種用于減小駕駛員背部損傷的電液式主動式駕駛員座椅懸架系統。Shimogo等人開發了一種用于重型卡車的主動座椅懸架系統。實驗結果表明該座椅懸架上板加速度加權平均值降低接近50%，具有較好的隔振效果，但其需要消耗較大能量。

近年，國內劉永田，郝雪玲等在主動空氣座椅懸架的做了理論研究，分析論證了：與被動空氣座椅懸架相比，主動空氣座椅懸架能夠有效降低座椅加速度，并同時能夠抑制駕駛室俯仰角加速度。目前，主動座椅懸架研究尚處在萌芽狀態，相關理論水平和技術狀況較薄弱，加上對系統反應速度有著嚴格要求，且系統結構復雜，成本高等因素影響，主動座椅懸架仍未得到廣泛應用。

2 常用的座椅懸架控制策略

被動懸架的剛度和阻尼是確定的，在行車過車中始終保持不變。因此，控制策略主要是針對半主動和主動座椅懸架而言的。懸架系統控制策略的選擇對乘坐舒適性的優化程度有著直接的關系。控制理論按照發展過程可大致分為經典控制策略，現代控制策略，智人控制三個階段。目前也出現在常規單一控制策略上進行復合，用以彌補單一控制方法的不足。

2.1 PID控制

PID控制方法作為經典控制算法中的典型代表，是一種傳統的控制方式，適用于建立精確數學模型的確定性系統。從1922年美國N.Minorsky提出PID控制方法，1942年美國Taylor儀器公司的J.g.ziegler和N.B.Nichols提出PID參數的最佳調整法至今，在工業領域的控制中使用較為廣泛。PID控制是由三個環節構成的，分別是比例、積分和微分環節，該控制方法是將需要的輸出量與理想值進行比較，對該偏差進行調節。PID控制設計的核心內容是參數的整定，PID控制具有魯棒性強、算法簡單、可靠性高，參數意義明確等特點。PID控制原理如圖3所示。

圖3 PID控制原理圖

目前，PID控制在懸架的應用上較為成熟，文獻[1]采用湊試法對PID參數進行整定，按照“先比例、再積分、后微分”的順序調整PID參數，仿真結果表明，在比例、微分、積分三個環節中對座椅加速度具有一定程度的削弱作用，尤其是比例和積分環節對系統的作用較明顯。文獻[2]中，利用在Matlab / Simulink中搭建系統的仿真模型，分別輸入不同路面信號得到有無PID控制的平順性參數值，試驗結果表明有PID控制器的主動懸架可有效提高汽車行駛平順性。

2.2 天棚控制

1974年，美國學者Karnopp等人提出了天棚(Sky-hook)阻尼控制算法，它是一種早期廣泛應用于主動懸架的經典控制算法，擁有形式簡單和造價低廉的優勢。其原理是將可變阻尼器的一端和假想天空之間安裝了一個虛擬減震器，該減震器能夠提供一個控制力。

天棚阻尼控制模型如圖4所示。天棚控制關注重點是簧載質量的性能，它可以同時滿足簧載質量的諧振控制和簧載質量的高頻減振，但是在保證這些性能的同時將會使簧下質量產生較大的動位移。

圖4 天棚阻尼控制理想模型圖

天棚阻尼控制是一種理想模型在實際中無法實現。通常我們采用一些等效模型可在一定范圍內實現天棚阻尼控制。在文獻[3]中，利用開/關控制策略來模仿理想天棚控制系統。純天棚控制，是僅對理想天棚控制的模擬，它可大幅減小簧載質量在高頻隨機激勵下的加速度，如果懸架系統輸入的是低頻階躍激勵，此時將會產生較大的懸架動行程。在文獻[4]中分別對簧載質量絕對速度的線性和非線性濾波器進行了單獨設計，旨在優化簧載質量與懸架動行程之間的狀況。

2.3 最優控制/LQG控制

最優控制方法是將被控系統的性能指標達到最優的基本方法，其內容大致可表述為:對所要控制的系統或過程從眾多的控制方案中找到一個最優的方案，使得系統的運動由某一初始狀態變化到目標狀態，實現系統性能的最優化。利用數學語言可表述最優化具體過程為:在運動方程的約束條件下，對由表征系統性能的參數構成的函數進行最小值求解。目前，在智能懸架中應用的最優控制方法中數LQG控制較為普遍。但即使是LQG控制的控制也必須要通過求解Riccati方程得到，事實上Riccati方程有時很難求解，并且在確定目標函數的加權矩陣上缺乏行之有效的理論指導，通常這只能憑借著設計者的經驗調整，綜上因素在很大程度上限制了最優控制的應用。

文獻[5]利用白噪聲和階躍輸入作為路面激勵，將最優控制器分別應用到主動空氣座椅懸架系統模型中，通過仿真結果分析驗證了應用最優控制的主動空氣座椅懸架對車輛乘坐舒適性有較大的改善。文獻[6]將最優控制分別應用到四自由度、七自由度及十二自由度的主動空氣座椅模型當中，通過仿真，驗證了配有最優控制的座椅懸架能夠對座椅加速度和座椅懸架動行程進行有效衰減。

2.4 魯棒控制

現代控制理論誕生于20世紀50年代末，在20世紀末60年代的航天領域得到成功的應用。魯棒控制作為現代控制理論的杰出代表，將其引入到懸架系統的控制當中，可有效處理懸架系統中出現的多目標問題和參數攝動問題。

文獻[7]中為解決在控制中出現的輸入信號遲滯和輸入飽和等相關因素影響，針對座椅懸架模型，專門設計了基于狀態觀測器的魯棒r輸出反饋控制器，并且進行了相應的仿真試驗驗證，仿真結果表明，該文設計的車輛座椅懸架魯棒擴輸出反饋控制器具有可行性和有效性。文獻[8]針對主動懸架控制中的輸入遲滯控制問題、控制器飽和問題、控制器容錯三個熱點問題在魯棒控制設計中進行詳細研究，給出了解決以上問題的具體方式，并通過最后仿真驗證了方法的有效性。

2.5 模糊控制

模糊控制和模糊數學的概念由美國著名教授查德，在他的《Fuzzy Sets》；《Fuzzy Algorithm》和《A Retionnale for Fuzzy Control》等著名論著中首先提出。1974年英國倫敦大學E. H. Mamdani教授，他首次將具有模糊控制語句組的模糊控制器，應用在鍋爐和汽輪機的運行控制之中，并且在實驗室中獲得了成功。模糊控制以處理非線性和非精確信息系統為主要研究對象，除此之外，它還能夠處理那些傳統方法難以解決的復雜系統的控制問題。模糊控制基本原理見圖5。

圖5 模糊控制基本原理圖

文獻[9]利用模糊控制的基本原理，設計了主動懸架模糊控制器，并在Simulink環境下進行了仿真，將所得的仿真結果與被動懸架仿真結果進行比較。證實了具有模糊控制器的主動控制能有效地提高汽車行駛平順性。

文獻[10]中擬采用了兩輸入、單輸出二維模糊控制機構，并且針對選用不同種類的阻尼器，相應采取了特定的模糊語言變量。采用工具箱與命令程序結合的方法，利用Matlab中的模糊控制工具箱中的GUI編輯生成一個模糊推理系統，利用Matlab命令程序分別生成實時控制所須的模糊控制表。通過仿真分析證明隨著白噪聲路面激勵頻率的增大，模糊控制下的半主動座椅懸架比常規座椅懸架在行駛平順性和乘坐動態舒適性上均有顯著改善。

3 座椅懸架發展趨勢

隨著近年來我國科學技術和經濟實力的增強，汽車生產水平和生產質量顯著提升，汽車國際競爭力不斷增強。人們對汽車研究重點從傳統的安全性，動力性，經濟性逐漸轉移到節能性和舒適性上，特別是之前對以運送貨物為主的工程車輛的設計，沒有對駕駛員的乘坐舒適性足夠重視。未來相當一段時間里被動座椅懸架優勢仍然明顯，將繼續在商用車市場中占有較大份額；半主動座椅懸架擴大非公路車輛中使用比重，最終超過被動座椅懸架；主動座椅懸架技術尚未十分成熟和使用成本相對過高，主動座椅懸架市場相對狹小；座椅懸架的控制策略也將從目前的單一控制為主逐步轉向為復合控制，使得控制效能更加理想。總之，我國商業車座椅懸架技術相對于汽車研發較早的發達國家仍有較大差距，商用車座椅懸架的發展任重而道遠。

[1] 杜宇.工程車輛半主動座椅懸架磁流變阻尼器控制的建模與仿真 [D].東北林業大學,2011.

[2] 杜常.PID控制策略下主動懸架系統的動態仿真[J]武漢理工大學學報(信息與管理工程版) , 2015 (6) :680-683.

[3] 孫建民,王芝秋,張新玉.車輛主動懸架系統的LMS自適應控制[J].汽車工程,2003, 25 (4): 360-363.

[4] Li H,Goodall R M. Linear and non-linear skyhook damping control laws for active railway suspensions.Control Engineering Practice, 1999, 7 (7):843-850.

[5] 張麗萍,鄭逢美.農用車輛座椅懸架的魯棒H∞控制仿真研究[J]沈陽農業大學學報, 2015 (6) :706-712.

[6] 劉永田.商用車主動座椅空氣懸架的建模與仿真研究[D].江蘇大學,2013.

[7] 孫子堯.車輛座椅懸架減振的魯棒控制研究[D].東北林業大學, 2014.

[8] 趙穎博.座椅懸架系統的H∞控制[D].哈爾濱工業大學,2010.

[9] 楊斌.基于Matlab仿真的車輛主動懸架研究[D].長安大學, 2015.

[10] 李三妞.基于磁流變液拖拉機半主動座椅懸架減振系統研究[D].河南科技大學,2015.

[11] 祁建城,李若新,劉志國,等.汽車主動懸架最優控制[J].汽車工程.1999 ,21(1):15-20.

Analysis on the research status of commercial vehicle seat suspension

Li Zhengpeng, Li Yongkai, Liu Meng, Yang Xin

（School of automobile and traffic engineering,Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

Automobile seat is an important part of vehicle vibration damping system. This paper gives a brief introduction to the main types of seat suspension and the common control strategy of seat suspension, and looks forward to the development trend of the seat suspension in the future.

Suspension type; control strategy; development trend

B

1671-7988(2018)16-154-04

U461.99

B

1671-7988(2018)16-154-04

CLC NO.: U461.99

李爭鵬，碩士，就讀于遼寧工業大學。研究方向：車輛系統動力學及控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.054