汽車半主動懸架技術(shù)綜述

汽車半主動懸架技術(shù)綜述

1半主動空氣懸架系統(tǒng)的設置背景及應用現(xiàn)狀根據(jù)配置，半主動懸臂的調(diào)整機構(gòu)可分為抗剛性和抗衰減半主動懸臂。目前,大多數(shù)研究的半主動懸架系統(tǒng)需要一套電源設備給阻尼可調(diào)減振器活塞線圈提供電流,同時還需要一套控制系統(tǒng),以便實時地調(diào)節(jié)輸入電流的大小,以改變減振器輸出的阻尼力。在實際應用中,外加電源和控制設備會使整個控制系統(tǒng)的體積增大,質(zhì)量增加,為了克服這些缺陷,近年來國內(nèi)外研究了一種無需外部電源和控制設備的自供電阻尼可調(diào)減振器現(xiàn)有的汽車中部分采用氣體彈簧作為懸架系統(tǒng)的彈性元件,由于氣體彈簧的剛度在汽車行駛過程中是變化的,故氣體彈簧具有比較理想的變剛度特性。國產(chǎn)汽車上氣體彈簧多在少數(shù)高檔客車、重型載貨汽車、特種車輛及大型工程車輛上使用,與氣體彈簧匹配的阻尼元件均為液壓減振器,近幾年來國內(nèi)已有從事半主動空氣懸架文獻[11-12]研究了2級串聯(lián)型“慣容-彈簧-阻尼”車輛懸架系統(tǒng),此懸架系統(tǒng)以傳統(tǒng)懸架為第1級,以并聯(lián)的慣容器、彈簧和阻尼元件為第2級。該系統(tǒng)具有改善車輛隔振性能的潛力,與主動懸架相比,不需要外界能量輸入,同樣可以改善車輛乘坐舒適性和行駛安全性,但其彈簧和阻尼元件的參數(shù)均不變,不需要專門的控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)懸架相比,具有良好的低頻頻響特性,還能降低車身的共振頻率,但在結(jié)構(gòu)上多了第2級的慣容器、彈簧和阻尼元件,比傳統(tǒng)懸架復雜。1.1懸架減振器及控制策略有級可調(diào)減振器通過某種驅(qū)動方式開啟或關(guān)閉控制閥的閥門,使阻尼在幾個離散的阻尼值之間實行快速切換,切換時間通常為10~20ms。1988年,日產(chǎn)公司研制了一種聲納式半主動懸架,它可通過聲納裝置預測前方道路信息,懸架減振器有柔軟、適中及穩(wěn)定3種選擇狀態(tài)。豐田公司的LexusLS400GT轎車減振器也采用3級可調(diào)的形式。奔馳S級轎車上裝備了減振適應系統(tǒng)ADS(AdaptedDampingSystem),該減振適應系統(tǒng)將減振器阻尼設定為4個級別,基本控制策略采用skyhook阻尼控制策略。文獻[13]在分析雙筒式減振器結(jié)構(gòu)與模型的基礎上,對其進行修改,研制出有級可調(diào)減振器,系統(tǒng)采用基于邏輯判斷的控制策略。有級可調(diào)減振器的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)相對簡單,但在適應汽車行駛工況和道路條件變化方面有其局限性。未來發(fā)展關(guān)鍵是采用更先進的閥技術(shù),縮短切換時間,增加阻尼變換擋數(shù),針對汽車行駛的更多工況,提高減振器的減振效率。1.2電流變減振器+磁流變材料顯微結(jié)構(gòu)材料特點在阻尼自(1)調(diào)節(jié)節(jié)流口的開度大小,通常采用電子控制節(jié)流閥,即通過步進電機驅(qū)動減振器的閥桿,連續(xù)調(diào)節(jié)減振器節(jié)流閥的通流面積來改變阻尼,節(jié)流閥通常采用電磁閥實現(xiàn)。相比于普通雙筒式減振器,其結(jié)構(gòu)上增加了1個中間缸和1個電磁閥,如圖1所示。中間缸和工作缸上腔相通,電磁閥連接中間缸和儲油缸,并控制中間缸與儲油缸之間的節(jié)流通道,從而實現(xiàn)阻尼的連續(xù)可調(diào)(2)應用電流變或磁流變材料改變流體的黏度系數(shù),具有響應快、動態(tài)范圍寬、功耗低及結(jié)構(gòu)簡單的特點。電流變液體在外加電場的作用下,其剪切強度、表觀黏度等會發(fā)生顯著變化,減振器的阻尼力也隨之發(fā)生變化。由于電流變減振器的阻尼可隨電場強度連續(xù)變化,無需高精度的節(jié)流閥,其結(jié)構(gòu)相對簡單,也不需要復雜的驅(qū)動機構(gòu)。國外已有電流變減振器的產(chǎn)品問世,如德國Bayer公司和美國Lord公司所生產(chǎn)的商業(yè)電流變減振器。磁流變液體是指在外加磁場的作用下,流變材料性能發(fā)生急劇變化的流體。磁流變減振器采用磁流變液體為工作液,通過控制磁場強度,可實現(xiàn)減振器阻尼的連續(xù)、無級可調(diào)。在磁流變液器的開發(fā)方面,美國Lord公司、福特公司等早已研制出商業(yè)磁流變減振器。由于磁流變液的屈服應力、適用溫度范圍、物理化學穩(wěn)定性及能耗等均優(yōu)于電流變液體,這也是選用磁流變液體作為汽車半主動懸架系統(tǒng)減振器工作液的主要原因。但是,現(xiàn)有的磁流變減振器仍然存在耐久性、泄漏及遲滯等問題,還有需要改進的地方,關(guān)于磁流變減振器的研究仍是目前研究的熱點1.3間連接桿的密封文獻[5]設計了一種電磁感應式自供電磁流變減振器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由磁流變減振器結(jié)構(gòu)、電磁感應能量捕獲結(jié)構(gòu)、電能調(diào)理模塊及相關(guān)連接件構(gòu)成,其中連接件包括將電磁感應能量捕獲結(jié)構(gòu)的永磁體和磁流變阻尼器活塞連接在一起的中間連接桿,將磁流變液密封在磁流變減振器中的密封件等。汽車行駛時,車身的振動帶動減振器的活塞桿在缸筒內(nèi)做往復運動。同時由于電磁感應能量捕獲結(jié)構(gòu)的永磁體定子通過中間連接桿和磁流變阻尼器的活塞連接在一起,永磁體隨著減振器活塞桿一起在定子內(nèi)腔內(nèi)做往復運動,從而產(chǎn)生感應電動勢。電能調(diào)理模塊則將產(chǎn)生的感應電動勢轉(zhuǎn)換成適合磁流變減振器使用的穩(wěn)壓直流電,并作用到磁流變阻尼器的活塞線圈上,從而實現(xiàn)在無外接電源設備情況下智能控制振動的目標。自供電磁流變減振器雖然不需要外部電源,但其減振器由于增加了電磁感應能量捕獲結(jié)構(gòu)和電能調(diào)理模塊,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比磁流變減振器明顯要復雜,對電磁感應能量捕獲結(jié)構(gòu)和電能調(diào)理模塊更需要精準設計,依靠自身對車輛振動強弱的感知能力自行調(diào)節(jié)輸出所需要的阻尼力1.4增設轉(zhuǎn)閥式阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)文獻[8]研究了一種基于模糊控制的半主動空氣懸架,在某普通液壓減振器基礎上設計了電控氣動式可調(diào)阻尼減振器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。底閥和筒體采用原減振器結(jié)構(gòu),在原活塞組件上增設由閥芯和閥體組成的轉(zhuǎn)閥式阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu),把連桿改為中空結(jié)構(gòu),空心連桿內(nèi)裝有轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸的下端與閥芯相連,轉(zhuǎn)軸的上端與擺動氣缸相連,轉(zhuǎn)軸在擺動氣缸驅(qū)動下轉(zhuǎn)動,并帶動閥芯轉(zhuǎn)動,閥芯和閥體上的小孔重合度隨之發(fā)生變化,使節(jié)流閥口通液面積發(fā)生變化,從而實現(xiàn)阻尼調(diào)節(jié)功能?？諝鈶壹苡鞋F(xiàn)成的壓縮空氣源,其驅(qū)動機構(gòu)由電磁閥和擺動氣缸組成,擺動氣缸利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在較大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)往復回轉(zhuǎn),電磁閥則由ECU直接控制。1.5管網(wǎng)內(nèi)部調(diào)壓閥的工作原理文獻[9]設計了一種阻尼可調(diào)的油氣懸架,該懸架主要由蓄能器、可調(diào)阻尼閥、活塞缸、活塞及活塞桿等組成,如圖5所示。蓄能器(相當于氣體彈簧)包含氣室Ⅰ和油室Ⅱ,氣室中通常預充有一定壓力的氮氣,通過隔膜與油室分開,避免油氣混合。油液可在油室Ⅱ和油室III之間通過可調(diào)阻尼閥流動,活塞缸右腔Ⅳ始終與大氣相通?？烧{(diào)阻尼閥是半主動油氣懸架的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。可調(diào)阻尼閥主要由伸張閥、并聯(lián)節(jié)流孔、壓縮串聯(lián)節(jié)流孔、壓縮閥和伸張串聯(lián)節(jié)流孔等組成。伸張閥和壓縮閥均為單向閥,壓縮串聯(lián)節(jié)流孔與壓縮閥串聯(lián)布置,伸張串聯(lián)節(jié)流孔與伸張閥串聯(lián)布置,并聯(lián)節(jié)流孔與壓縮閥(伸張閥)并聯(lián)。實際設計可調(diào)參數(shù)為并聯(lián)節(jié)流孔面積、壓縮(伸張)串連節(jié)流孔面積、壓縮(伸張)閥開閥力及壓縮(伸張)閥最大開度,這4個參數(shù)對油氣懸架阻尼特性均有較大影響。工程實際中,根據(jù)需要并結(jié)合具體車型設計所需的阻尼閥結(jié)構(gòu),即可實現(xiàn)油氣懸架阻尼可調(diào)的功能,但其電磁閥響應速度較慢,還需要改進。2自適應控制方法文獻[17]針對不同參數(shù)的懸架模型和路面不平度輸入采用改進型的天棚阻尼控制方法,能自適應地改變天棚阻尼增益,相比于被動懸架和一般的天棚阻尼控制懸架,能更好地提高車輛的平順性。以經(jīng)典控制理論為基礎的PID控制不需要了解被控對象的數(shù)學模型,只要根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)器參數(shù)的在線調(diào)整,即可取得滿意的結(jié)果,不足的是對被控對象參數(shù)變化比較敏感。最優(yōu)控制是通過經(jīng)驗確定一個能提高平順性和操縱穩(wěn)定性的目標函數(shù),然后以一定的數(shù)學方法算出使該函數(shù)取得極值的控制輸入,即控制律。應用于懸架控制的最優(yōu)控制方法可分為傳統(tǒng)的線性最優(yōu)控制、最優(yōu)預測控制和H預測控制是通過傳感器,把車輛前方路面信息預先傳給懸架裝置,使參數(shù)調(diào)節(jié)與實際需求同步。通過某種方法提前測得前方路況的信息,使控制系統(tǒng)有足夠的時間采取措施。采用預測控制的關(guān)鍵是要獲得具有一定精度、不受干擾和反映路面真實情況的信息。自適應控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。自適應控制包括自校正控制和模型參考自適應控制2種。自校正控制需要根據(jù)輸入輸出信息,在線遞推懸架的有關(guān)參數(shù),再由對象參數(shù)根據(jù)穩(wěn)定性理論,修改半主動懸架控制器的參數(shù),設計控制器的控制規(guī)律,最后通過懸架控制器輸出信號對懸架的執(zhí)行機構(gòu)加以控制,達到控制阻尼力的目的。文獻[2]運用自適應模糊控制方法,采用基于梯度的優(yōu)化算法在線改進模糊控制器的參數(shù),其半主動懸架乘坐舒適性和行駛安全性均優(yōu)于線性二次型最優(yōu)控制方法。自校正控制策略需要在線辨識大量的結(jié)構(gòu)參數(shù),因而計算量大,實時性不好。模型參考控制策略將路面信息同時輸入實際模型和參考模型中,根據(jù)兩者的廣義誤差,由李雅普諾夫理論,綜合自適應律,通過控制半主動懸架執(zhí)行機構(gòu)的輸出調(diào)節(jié)阻尼力?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是控制理論的一個重要分支,它對模型參數(shù)的不確定性和外界擾動具有高度的魯棒性,本質(zhì)上是一種非線性控制,其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性,這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不固定,而是可以在動態(tài)過程中,根據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)(如偏差及其各階導數(shù)等)有目的地不斷變化,迫使系統(tǒng)按照預定滑動模態(tài)的狀態(tài)軌跡運動智能控制是一門新興的學科領域,它以知識信息為基礎進行推理和學習,用啟發(fā)式方法引導求解。目前,應用于汽車半主動懸架系統(tǒng)的智能控制主要有模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。模糊控制允許控制對象沒有精確的數(shù)字模型,使用語言變量代替數(shù)字變量,在控制過程中包含有大量經(jīng)驗和知識積累,其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。模糊控制的諸多優(yōu)點使其在應用于具有隨機激勵和復雜數(shù)學模型的車輛懸架系統(tǒng)中,表現(xiàn)出較強的優(yōu)勢神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法具有很強的非線性映射能力,尤其適用于描述復雜非線性系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法多以與其他控制方法相結(jié)合的形式出現(xiàn)半主動懸架系統(tǒng)在近40年的研究過程中,已經(jīng)得到的控制方法幾乎涉及經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的所有分支。從目前的研究文獻看,單獨利用某一種控制方法進行研究的很少,每種方法均有利弊,而復合控制方法往往能將2種或多種控制方法綜合運用3半主動懸架研究及仿真汽車懸架控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)是車輛動力學與控制領域的前沿課題,開發(fā)安全、舒適和清潔高效、節(jié)能的懸架是車輛懸架系統(tǒng)發(fā)展的方向。(1)加強對非線性控制問題的研究。懸架系統(tǒng)具有較強的非線性,用線性系統(tǒng)模型對其動力學行為進行逼近并非總是可靠的;另外懸架控制系統(tǒng)存在無法避免的時滯,這會降低半主動懸架的控制性能和穩(wěn)定性。對于非線性控制問題,宜采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和智能學習系統(tǒng)等智能控制方法解決。關(guān)于時滯的研究多采用專門設計的控制器進行時滯補償(2)加強汽車動力學性能仿真研究。控制策略及規(guī)律的制定和控制軟件設計是實現(xiàn)最佳控制目標的關(guān)鍵。為減少反復試驗次數(shù),縮短控制系統(tǒng)的研發(fā)周期,可以運用ADAMS、CarSim等動力學仿真軟件,針對半主動懸架的實際車輛,建立整車動力學模型,模擬汽車行駛的各種工況,重點研究不同控制策略和規(guī)律作用下控制元器件的響應特性、執(zhí)行系統(tǒng)的非線性和隨機性等實際因素的影響及智能控制策略的穩(wěn)定性,再結(jié)合實車實驗驗證,確定最佳的控制策略和規(guī)律。(3)對主動懸架、轉(zhuǎn)向、制動等系統(tǒng)進行集成控制4半主動懸架控制策略(1)半主動懸架能有效地提高汽車的行駛平順性,同時也能改善汽車的操縱穩(wěn)定性,其研究集中在調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)方面,半主動懸架系統(tǒng)的2個關(guān)鍵技術(shù)分別是減振器阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)和半主動懸架控制策略。(2)除電