乘用車半懸架系統國內外研究綜述

顧笑

摘 要：文章論述了汽車懸架系統的概念、國內外研究現狀、發展現狀，綜合論述了半主動懸架系統在控制策略、控制器、可控減震器的研究。

關鍵詞：汽車半主動懸架;控制策略

中圖分類號：U461.99 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）10-258-03

A Review of Domestic and Foreign Research on Passenger Car Semi-suspension System

Gu Xiao

（ Jiangsu University， Jiangsu Zhenjiang 212000 ）

Abstract：?This paper discusses the concept of automobile suspension system， the research status and development status at home and abroad， and comprehensively discusses the research of semi-active suspension system in control strategy， contro?-ller， controllable shock absorber.

Keywords： Vehicle Semi-active Suspension; Control Strategy

CLC NO.：?U461.99??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）10-258-03

1 引言

汽車懸架系統是指連接車身和車輪之間全部零部件的總稱，主要由減振器、彈簧和轉向機構三大部分組成，其作用是傳遞車輪和車架之間的一切力和力矩，并且緩和由不平路面傳給車架（或車身）的沖擊載荷，減小由此引起的承載系統的振動，以保證汽車的平順行駛。懸架系統是車輛的一個重要組成部分。

隨著生活水平的提高，人們對于車輛的節能 、環保、智能、安全、舒適性的要求越來越高，而車輛行駛的舒緩穩定性和掌控可靠性一定程度上由汽車懸架性能的優劣決定的。舊有的懸架系統的提升空間已經很小;而主動懸架雖然性能較好，但成本與能耗較大;半主動懸架系統能兼顧性能與能耗兩部分，比起傳統被動懸架系統與主動懸架系統更被人們所應用，可發展空間也較大，是一種具有巨大潛力與發展前景的懸架系統。

2 國外研究現狀

自汽車進入人們的生活，如何將車輛的懸架設計得更好更能應用到日常出行中？專家對此一直沒有停歇。

最開始的車輛懸架系統是使用的是裝在馬車的鋼板，效果可想而知。20世紀初，螺旋性彈簧用于車輛，這在當時出現了兩種聲音。一個是強烈要求安裝剛性較強的螺旋彈簧，以便車輪保持著與地面接觸的態勢，提高輪胎與地面的契合性，但如此一來，帶來一個問題：顛簸感較強烈。另一個，要求采用剛性較軟的，以面對凹凸不平的路面，提高車輛平衡穩定性及乘坐的舒適性，但發現，操縱上有些難把握。

大概在此二十年后，獨立懸架出現，并保持著持續發展。減振器也由當初的摩擦式進化成液力式。這些發展，本質還是改良，仍屬于被動式，依舊存在著很大局限性。

1973年，美國加州大學的D.A.Crosby和D.C.Karnopp第一次提出了半主動懸架的概念，基本原理是：用可調阻尼的減振器或可調剛度彈簧組成懸架，并根據簧載質量的加速度響應等反饋信息，按照一定的控制規律，調節減振器的阻尼或彈簧剛度，以達到更好的減振效果。1974年，Margolise等人研究創造的半主動懸架是由“開關”控制的，在后來的改進中，逐漸得到廣泛的應用。1986年，英國的CroellaD.A等人推出了一種非路面車輛的半主動懸架系統，經過實踐，此懸架系統的性能比被動懸架系統的性能要更好。2001年，日本的Katseuya等人對鐵路車銹機械技術上的主動和半主動懸架的控制策略進行了設想。2006年，比利時的Swevere等人提出了一種無模型顯架控制結構。

2003年，Lord公司和Delph公司聯手，成功研發出磁流變液體半主動懸架，并在一些裝備上使用。磁流變液體是指在外加磁場的影響下，流變材料性能發生劇烈變化的流體;控制磁場強度，可實現磁流變減振器阻尼的無級、連續調節，而磁流變減振器和電流變減振器有相似的特點。美國福特、德國BASF等公司投入巨資對此進行了研究實踐，如Lord開發的磁流變液MRX-126PD，研發出單出桿活塞缸結構的磁流變減振器，用于大型載貨汽車半主動懸架減振系統，達到了較好的效果。

但如果只靠減振器調節阻尼來提高半主動懸架系統的性能顯然是不夠的，還可通過改變彈性元件的剛度來實現更好的減震。

Hubbard和Margolia于1976年提出，可通過改變彈簧剛度來減少振動。1977年，Hubard等人提出切換空氣彈簧來實現半主動懸架剛度的調節。1993年，美國的Youne等人建立了自由度四分之一半主動懸架模型。2006年，日本Yangeng Liu等建立了2個阻尼可調的減疾器和2個剛度不發生變化的彈簧構成的半主動懸架建模，在空氣懸架的前提下，達到彈性元件剛度的可調控。G.J.Stein借助前饋與反饋融合的“天棚”掌控理念，借助比例壓力控制閥實現了對空氣彈簧的把控。福特、豐田汽車公司也都陸續地推出了電子掌控空氣懸架系統，這一系統依據車載質量、車速、地面情況等，對其剛度實現有級把控。

3 國內研究現狀

我國研究起步有些晚，與國外差距較大。但在國外努力研究實踐的同時，國內的專家學者也進行了一些富有成效的研究。

如重慶大學的舒去字研究了主動懸架的模型試驗;北京理工大學的張鳴在半主動懸架的阻尼調節理論研究上收獲頗豐;武漢理工大學深入研究了附加輔助氣室的空氣懸架動態特性……再比如，青島大學提出，可通過全新的免疫粒子群混合優化算法來達到對懸架系統的把控。這一控制相較于原先的應用系統的使用，如隨機線性最優控制（OG）、預測控制、魯棒控制、模期控制和神經網絡控制等有著系統控制精度更高、響感速度更快的優勢。隨著制造業信息化現代化進程的加快，這種控制滿足了人們對半主動懸架控制系統越來越高的要求。一定程度上也解決了傳統的控制方法由于計算量大、實時性差等導致系統產生很大的誤差，以致控制效果不理想的問題。專家學者們利用免疫系統的記憶和自我調節功能，提高粒子群界法的全局搜索能力，使其效率高，速度快，搜索精度好，可以快速、有效地找到最優解，提高了汽車整體的控制性能，減少了可能由于控制不理想導致的汽車安全風險。

總的來看，我國先借助建立車輛懸架系統動力模型，來集成設計傳感操作及電路和控制電源、執行元件等;制訂相應的控制運算，有機整合，形成半主動懸架智控系統。為了節省有限的資源，減少重復試驗，運用剛體動力學仿真軟件來對整合的智控體系予以驗證;隨后，在試驗室內對此智控體系予以隨機的振動檢測，并依據不同的測試結果修改不同的預設算法;最終在上路試行檢測，對懸架系統的減震性能綜合評價，反復實踐，不斷完善。現在又再進一步，對半主動懸架系統和其他電子控制系統，如防抱死、驅動、轉向等進行整體研究，集中控制，對各元件和功能有效融合，最終形成集成式的電控底盤。這樣的研究實踐先易后難先簡后繁，事實證明，科學有效。在這當中，天棚阻尼控制、PID控制、自適應控制、神經網絡控制等控制方法得到了廣泛的研究與應用。這些控制策略可以適應于多種狀態下的半主動懸架系統;但同時，它們也存在共同的問題，就是難以兼顧半主動懸架的穩定性和魯棒性能，從而導致整車性能只能折中考慮，不能兼顧各種工況下的車輛性能。所以，在解決半主動懸架的穩定性和魯棒性能相協調的問題上，還有更大的研究空間。

4 發展現狀

社會飛速發展，半主動懸架研究也與時俱進。他的研究主要集中在改變減振器阻尼系數這一方面，其中阻尼調節可采用以下兩種方式：有級可調減振器阻尼調節和無級可調減振器阻尼調節。

有級是借助控制旋轉閥的旋轉位置，使減振器的阻尼在“軟、中、硬”三檔之間變化，構造比較簡單，便于操作，但不能完全契合適應復雜多變的路況。無級則采用的是連續阻尼可調誠振器和電/磁流減振器兩種方法，其中電/磁流減振器采用的電/磁流粘度可調的液體來達到阻尼的變化，連續阻尼可調是通過控制節流孔徑的調節進而控制節流閥的流通面積來連續調節阻尼，結構簡單，成本不高，且噪聲小，沖擊弱，驅動機構簡易方便，有一定的潛力與發展前途。

5 綜合論述

由車輛系統垂向動力學模型可知，描述車身運動的模型參數載荷、懸架剛度和懸架阻尼的一些參數涉及路面干擾隨機性等問題，由于原有控制難以處理不確定性的問題，在系統的魯棒穩定性同時難以兼顧其魯棒性能，因此魯棒控制成為車輛控制領域中的研究熱點。而由于車輛的載荷工況多變性和行駛道路的隨機性，使得車輛在實際行駛過程中存在相當的不確定性，譬如載荷、懸架剛度及阻尼等參數變化和路面激勵的干擾及未建模誤差等。車輛系統標準模型卻未能考慮參數化變化、外界干擾和未建模誤差等，因此傳統的以車輛系統標準模型進行懸架控制器的設計方法難以兼顧穩定性和魯棒性能，這就必須通過半懸架系統的研究來兼顧車輛系統的穩定性和性能。

在半主動懸架的研究中，實施剛度控制比阻尼控制困難得多，這是由于車輛彈性件需承受車子的凈載，因此，在當前的智控研究中，以對阻尼控制的研究居多，而對改變彈性元件來提高半主動懸架系統的性能研究較少。

開發具有安全、舒適和清潔高效、節能、智能控制的懸架是車輛懸架系統發展的方向。而半主動懸架系統主要在控制策略，控制器，可控減振器以期有所突破。

5.1 控制策略的研究

半主動懸架系統的控制基本上涉及了所有的現代控制理論和方法，但由于各種控制方法皆有優劣，沒有一種能達到十全十美，因此，綜合應用多種控制方法，或者優化某種控制方法是半主動懸架控制發展策略研究的方向。

5.2 控制器的研究

智能化控制器能根據路況和車輛振動等信息，自動地調節懸架系統的參數，使車輛具有良好的行駛平順性、穩定性和舒適性。

5.3 可控減振器的研制

可靠的電流變和磁流變可控減振器，低成本、環保和高可靠性的傳感器以及高性能微處理器是實現半主動懸架更優化更實用化的前題。目前，磁流變液雖然已進入商品研發、應用，但在減振器的應用上，還存噪聲大、耐久性不強、穩定性較差等問題，還需進一步深入研究。

事實證明，評估懸架性能優劣的主要標準由兩點構成：平穩順暢和掌控的穩定。但兩者常常不能兼顧;所以，什么樣的半主動懸架系統能更好地在二者之間取得合理的平衡，以達到最好效果，這就成了當前需要持續研究的課題，這也是車輛能否得以發展的一個重要因素。

參考文獻

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