汽車懸架減振性能的研究

汽車懸架減振性能的研究

1激振力與側(cè)重力汽車振動是影響汽車行駛平整度和優(yōu)化穩(wěn)定性的重要因素。汽車減振主要使用懸架系統(tǒng),它一般由彈性元件和阻尼元件構(gòu)成,用以緩沖和吸收因路面不平而產(chǎn)生的激振力,同時承受汽車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的側(cè)傾力。而二者在汽車設(shè)計中是矛盾的,基于經(jīng)典隔振理論的傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)難以同時滿足這種要求。在70年代,工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開始研究基于振動主動控制的主動、半主動懸架系統(tǒng)隨著汽車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進和完善,研究汽車振動,設(shè)計新型懸架系統(tǒng),將振動控制到最低水平是提高汽車質(zhì)量的重要措施。2更新完善，在更新的同時進行完善根據(jù)現(xiàn)代汽車對懸架提出的各種性能要求,懸架的結(jié)構(gòu)形式和振動控制方法隨時在更新和完善。懸架的結(jié)構(gòu)形式很多,分類方法也不盡相同。按導向機構(gòu)的形式,可分為獨立懸架和非獨立懸架兩大類。如果按控制力進行分類,則可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架3種基本類型。3種懸架的簡化模型如圖1所示。2.1懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)汽車絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成的機械式懸架。其簡化模型如圖1(a)所示,彈簧主要用來支承簧上質(zhì)量的靜載荷,而減振器主要用于控制響應特性,由于阻力和簧上質(zhì)量相對于地面的速度有關(guān),因此,在一個振動循環(huán)中,懸架系統(tǒng)便會消耗振動系統(tǒng)的能量起到減振的作用這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般是通過經(jīng)驗設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計方法來選擇。在汽車行駛過程中就無法隨外部狀態(tài)變化而變化。汽車懸架應滿足兩個方面的要求,一方面為提高轉(zhuǎn)彎、制動等操縱過程的穩(wěn)定性,要求綜述懸架應具有高阻尼系數(shù);另一方面為隔開隨機路面不平對汽車的擾動,提高乘坐舒適性,要求懸架應具有低阻尼系數(shù)。由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié),限制了被動懸架系統(tǒng)性能的進一步提高。2.2阻尼級的選擇半主動懸架的研究工作始于1973年,由D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出通常,主要以改變減振器的阻尼力為主,將阻尼分為兩、三級,可由人工選擇或根據(jù)傳感器信號自動確定阻尼級。1984年日產(chǎn)公司研制出一種聲納半主動懸架,它能通過聲納裝置預測前方路面信息,及時調(diào)整懸架減振器的3種狀態(tài)通過改變彈簧剛度構(gòu)成的半主動懸架由Hubbard等人于1976年提出2.3主動懸架系統(tǒng)通過輸入外部能量使控制機構(gòu)給懸架系統(tǒng)施加一定控制力的振動控制稱為主動控制。主動控制懸架的最初裝置是由AP公司基于氣液懸架發(fā)展的一種機械系統(tǒng)?，F(xiàn)代汽車主動控制懸架簡化模型如圖1(c)所示,它由彈性元件和一個力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用是改進系統(tǒng)中能源的消耗和供給系統(tǒng)以能量,該裝置的控制目標是要實現(xiàn)一個優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng),而又不需對系統(tǒng)作出較大的變化。因此,只需使力發(fā)生器產(chǎn)生一個正比于絕對速度負值的主動力,即可實現(xiàn)該控制目標。主動懸架系統(tǒng)通常有兩種形式,即由電機驅(qū)動的空氣式懸架和由電磁閥驅(qū)動的油氣式懸架。日產(chǎn)和豐田公司的一些高級車上裝載的油氣式主動懸架如圖2所示,由一個電液比例閥(針閥)和一個機械式壓力伺服滑閥構(gòu)成壓力控制閥。其工作原理為:當路面激勵頻率較低(2Hz以下)時,由計算機對控制閥的線圈施加一電流使針閥打開,在控制閥的出口處即產(chǎn)生一個與之成比例的輸出油壓,通過控制油壓缸內(nèi)的油壓以控制汽車的振動;當路面激勵頻率適中(2～7Hz)時,主要由滑閥的機械反饋功能對油壓缸內(nèi)的油壓進行伺服控制,從而進行車體減振;當激勵頻率較高(7Hz以上)時,則利用與油壓缸連通的氣體彈簧室吸收振動能量而達到減振但是主動懸架的商品化存在嚴重困難,一是硬件價格昂貴;二是能量消耗過大,目前僅用于排量較大的高檔車型。隨著控制技術(shù)的發(fā)展,減少功率消耗、提高控制系統(tǒng)的集成化是主動懸架研究的主要任務(wù)。3汽車懸架系統(tǒng)的控制和振動控制目前,汽車懸架已進入到利用微處理器進行控制的時代,運用較優(yōu)的控制方法,得到高性能的減振效果,且使能耗盡可能的低是汽車懸架發(fā)展的主要方向。汽車懸架振動控制系統(tǒng)大多由傳感器拾取車身絕對速度、車身對車輪的相對速度、車身的加速度等信號,經(jīng)計算機處理并發(fā)出指令進行控制。由電液控制閥或步進電機等執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)或控制力。由于懸架系統(tǒng)是很復雜的非線性動力系統(tǒng),因此基于模型的線性反饋控制是不適用的。應用現(xiàn)代控制理論保證汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的研究日益完善。3.1h最優(yōu)預見控制最優(yōu)控制是首先確定一個明確的目標函數(shù),通過一定的數(shù)學方法計算出使該函數(shù)取極值時的控制輸入。一般情況下,目標函數(shù)的確定要靠經(jīng)驗,最優(yōu)控制的解只有在極少數(shù)情況下才能得出解析解,有的可以通過計算機得到數(shù)值解。在汽車懸架系統(tǒng)上應用的最優(yōu)控制較多,常用的有線性最優(yōu)控制、H線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想的模型基礎(chǔ)上,采用受控對象的狀態(tài)響應與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標,同時保證受控結(jié)構(gòu)在動態(tài)穩(wěn)定條件下實現(xiàn)最優(yōu)控制。例如,將線性二次型調(diào)節(jié)器控制理論和線性二次高斯型控制理論應用于車輛懸架系統(tǒng)以實現(xiàn)最優(yōu)控制。H最優(yōu)預見控制方法是利用車輛前輪的擾動信息預估路面的干擾輸入,將測量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實施最優(yōu)控制。由于這種控制技術(shù)可以通過某種方法提前檢測到前方路面的狀態(tài)和變化,將使控制系統(tǒng)有足夠的時間采取措施。因此,可大大降低系統(tǒng)的能耗,且改善系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)預見信息的測量及利用方法不同,可構(gòu)成不同的預見控制系統(tǒng),如對四輪全進行預見控制和利用前輪擾動信息對后輪進行預見控制對四輪全進行預見控制是在車的前部設(shè)有特殊的預見傳感器,以測試前方路況,然后將信息傳給控制器?？刂破鲗⑾鄳盘査椭了膫€輪中的每一個懸架執(zhí)行機構(gòu),這種系統(tǒng)需要設(shè)置特殊的傳感器。在利用前輪信息對后輪進行預見控制中,在決定后輪的控制指令時,控制器不僅考慮當時后輪傳感器得到的各種信息,而且也根據(jù)當時的車速和前后輪間的跨距,并考慮前輪各傳感器所得到的信息。因此,在后輪的執(zhí)行機構(gòu)上,實行的是反饋加前向反饋的雙作用控制。在該系統(tǒng)中無需設(shè)置特殊的預見傳感器,只需改變控制軟件,便可提高后輪的減振效果。采用最優(yōu)預見控制方法,預見時間的選擇對控制效果影響很大。3.2自適應控制方法自適應控制是針對具有一定不確定性的系統(tǒng)而設(shè)計的。自適應控制方法可以自動檢測系統(tǒng)的參數(shù)變化,從而時刻保持系統(tǒng)的性能指標為最優(yōu)。應用于汽車懸架振動控制的自適應控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應控制兩種方法。自校正控制是一種將受控對象參數(shù)在線識別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法。模型參考自適應控制的原理是:當外界激勵條件和自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時,被控汽車的振動輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。采用自適應控制的汽車懸架減振器在德國大眾汽車公司的汽車底盤上得到了應用。3.3模糊控制方法模糊控制是近年來迅速發(fā)展起來的新型控制方法,其最大特點是允許控制對象沒有精確的數(shù)學模型,使用語言變量代替數(shù)字變量,在控制過程中包含有大量人的控制經(jīng)驗和知識,與人的智能行為相似。自90年代以來,模糊控制方法被應用在汽車懸架系統(tǒng)中。日本德島大學芳村敏夫教授把模糊理論應用于汽車懸架半主動和主動控制系統(tǒng),采用模糊推理分別構(gòu)成半主動和主動控制規(guī)則,進行計算機模擬分析來控制車身的垂直振動和俯仰振動,其結(jié)果證實了采用模糊控制方法的有效性。合肥工業(yè)大學方錫邦等人將模糊控制技術(shù)應用于汽車半主動控制懸架3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模目前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法越來越多地應用在特定環(huán)境以及采用固定描述方式的多種目的的設(shè)計中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是生物學中腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某種抽象、簡化和模擬,它是由大量類似人腦神經(jīng)元的基本信息處理單元通過廣泛連接而構(gòu)成的高度非線性超大規(guī)模連續(xù)時間動力系統(tǒng),反映了人腦功能的若干基本特性。作為一種并行分布式處理系統(tǒng),它具有自動知識獲得、聯(lián)想記憶、自適應性、良好的容錯性和推廣能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可學習性和巨量并行性,故在汽車懸架振動控制中有廣泛的應用前景。應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性懸架系統(tǒng),和用線性二次調(diào)節(jié)器控制的懸架相比,具有更好的性能4新型控制技術(shù)傳統(tǒng)的被動懸架已不能滿足人們對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。為了使懸架系統(tǒng)能夠適應不同道路及速度條件,出現(xiàn)了一系列懸架減振控制技術(shù),