汽車電控主動(dòng)液壓懸架的研究

汽車電控主動(dòng)液壓懸架的研究

隨著生活水平的提高，人們對(duì)汽車的耐用性和舒適度有了更高的要求。這其中，車輛減振系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，而采用被動(dòng)懸架很難做到兩全其美，于是，適應(yīng)能力更強(qiáng)，感受更完美的電控懸架系統(tǒng)就誕生了。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，車用微機(jī)、各種傳感器、執(zhí)行元件的可靠性和壽命都大幅度提高了，為滿足人們對(duì)汽車舒適性的要求，20世紀(jì)90年代以來，各大汽車公司相繼研發(fā)了提高汽車舒適性的電控懸架系統(tǒng)ECS(Electroniccontrolsuspension)。在汽車上裝備了電控懸架系統(tǒng)，當(dāng)汽車急轉(zhuǎn)彎、急加速或緊急制動(dòng)時(shí)，車上人員能夠感覺到懸架較為堅(jiān)硬，而在正常行駛時(shí)能夠感覺到懸架比較柔軟。電控懸架還能平衡地面反力，使其對(duì)車身的影響減小到最低程度。因此，隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，許多中高檔轎車、大客車以及越野汽車上都裝備了電控懸架系統(tǒng)。1電控主動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)代汽車中的主動(dòng)懸架多采用電子控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱電控懸架。電控懸架系統(tǒng)由傳感器及控制開關(guān)、電子控制單元ECU(Electroniccontrolunit）和執(zhí)行器組成。它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路面狀況，由加速傳感器、制動(dòng)燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向傳感器等檢測(cè)信號(hào)，并把信號(hào)輸送給電子控制單元ECU，由E-CU進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，而后對(duì)減振器控制器發(fā)出相應(yīng)指令，主動(dòng)響應(yīng)控制懸架的剛度大小、阻尼系數(shù)大小及車身高度高低信號(hào)。ECU的控制信號(hào)準(zhǔn)確地動(dòng)作，及時(shí)地調(diào)節(jié)懸架的剛度、阻尼系數(shù)及車身高度，使懸架系統(tǒng)始終處于最優(yōu)減振狀態(tài)，并能抑制和控制車身運(yùn)動(dòng)。當(dāng)汽車制動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)的慣性引起彈簧變形時(shí)，主動(dòng)懸架系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與慣性力相對(duì)抗的力，減少車身姿勢(shì)的變化。目前大部分的電控主動(dòng)懸架系統(tǒng)都是通過空氣、液壓、電磁液這三種方式來實(shí)現(xiàn)懸架的可調(diào)性的。所以主動(dòng)懸架的特點(diǎn)就是能根據(jù)外界輸入或車輛本身狀態(tài)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。目前研制開發(fā)的新型主動(dòng)懸架有電控主動(dòng)液壓懸架，電控主動(dòng)空氣懸架，電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)、ABC主動(dòng)車身控制懸架系統(tǒng)、BOSE新型主動(dòng)懸架系統(tǒng)等幾種。1.1電子控制單元覆蓋電控主動(dòng)液壓懸架的懸掛高度可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，并且可以自動(dòng)調(diào)節(jié)減振器的剛度和阻尼。電控主動(dòng)液壓懸掛液壓球替代了傳統(tǒng)的螺旋彈簧和液壓球的人工控制車身高度，車輛上無論裝載多少人員或貨物的數(shù)量，行駛過程中車身高度能始終保持不變。在汽車重心附近安裝有縱向、橫向加速度和橫擺陀螺儀傳感器，用來采集車身振動(dòng)、車輪跳動(dòng)、傾斜狀態(tài)和加速度等信號(hào)，然后把這些信號(hào)輸送給電子控制單元ECU,ECU根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出控制指令，控制伺服電機(jī)并操縱前后四個(gè)執(zhí)行油缸是增壓還是泄壓，以保持合適的減振器阻尼和足夠的支撐力電控調(diào)節(jié)阻尼力及彈簧剛度的控制過程為：通過計(jì)算機(jī)（自動(dòng)）及手動(dòng)開關(guān)可改變懸架彈簧的彈性系數(shù)和減振器的緩沖力。電子控制單元ECU根據(jù)行車條件自動(dòng)調(diào)節(jié)車輛減振力和阻尼力，通過控制緩沖力的強(qiáng)弱來消除車輛行駛中的不平衡，可以使車輛在顛簸路面上保持平穩(wěn)狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整車輛在緊急制動(dòng)時(shí)前傾和加速時(shí)的后仰，以保證乘坐的舒適性。電控主動(dòng)液壓懸架提供舒適（Comfort）和運(yùn)動(dòng)（Sport）兩種模式供選擇，并且提高了電子控制單元ECU的計(jì)算速度。1.2控制車輛高度電控主動(dòng)空氣懸架的軟硬程度和車身高度可以自我調(diào)節(jié)和控制，采用空氣彈簧和減震器，以提供更好的舒適性和車身高度。它的原理是用空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣，并將壓縮空氣送給彈簧和減振器的空氣室中，以此來改變車輛的高度。在所有車輪的附近設(shè)有車身高度傳感器，根據(jù)車身高度傳感器輸出的信號(hào)，電子控制單元ECU確定該車輛的高度，然后控制所述壓縮機(jī)和排氣閥，使彈簧的壓縮或伸長(zhǎng)，從而達(dá)到控制車輛高度的目的。以雷克薩斯LS400轎車電控空氣懸架系統(tǒng)為例，該車電控懸架為主動(dòng)式空氣彈簧懸架，彈簧剛度和汽車高度控制可以自動(dòng)根據(jù)駕駛條件進(jìn)行控制，減振器也由ECU控制，以抑制汽車的側(cè)傾、制動(dòng)時(shí)前部點(diǎn)頭和加速行駛時(shí)后部下坐時(shí)汽車姿勢(shì)發(fā)生變化，因此，可以顯著提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性電控空氣懸架由傳感器及開關(guān)、懸架ECU和執(zhí)行器組成，如圖1所示1.3磁流變減振器簡(jiǎn)介凱迪拉克電磁主動(dòng)懸架，當(dāng)接通電流后，磁流變減振器磁流變體材料中的原來處于分散狀態(tài)的磁性體便會(huì)橫向排成一列，減振器內(nèi)部的液體形狀會(huì)發(fā)生變化，因此，減振器的阻尼會(huì)變硬，并且可隨著磁場(chǎng)強(qiáng)弱無級(jí)變化。磁流變減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其反應(yīng)速度是微秒級(jí)的，每秒可以動(dòng)作1000次，這是普通主動(dòng)懸架難以實(shí)現(xiàn)的，而且高速行駛時(shí)也會(huì)應(yīng)付自如。另外，磁流變減振器對(duì)車輛是低功率要求（每一減振器最大需要20W），這幾乎不會(huì)損耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。1.4主動(dòng)車載控制懸架系統(tǒng)ABC(Activebodycontrol)主動(dòng)車身控制懸架系統(tǒng)是比較先進(jìn)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，它通過感應(yīng)輕微的車輪及車身的運(yùn)動(dòng)，在車輛有任何較大的車身振動(dòng)之前，及時(shí)調(diào)整懸架系統(tǒng)，保持車身的平衡，簡(jiǎn)稱主動(dòng)式車身控制懸架系統(tǒng)，即ABC(Activebodycontrol)。該系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)各種道路條件，不平坦的路面上行駛時(shí)，車輛可以保持良好的操縱性，舒適性和方向穩(wěn)定性。1.5減少了+點(diǎn)的振動(dòng)。傳統(tǒng)液壓式減振器線性磁電機(jī)Bose主動(dòng)懸架系統(tǒng)在每個(gè)車輪處使用一個(gè)線性磁電動(dòng)機(jī)取代了傳統(tǒng)的減振器和彈簧裝置。放大器隨著系統(tǒng)的每次壓縮重新產(chǎn)生動(dòng)力向電動(dòng)機(jī)提供電力。此種電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是它們不受傳統(tǒng)液壓式減振器固有的慣性限制。因此，線性磁電動(dòng)機(jī)伸縮速度更快了，從而幾乎完全消除了車廂的振動(dòng)。車輪的運(yùn)動(dòng)可以控制得如此之好，以至于不管車輪發(fā)生什么情況，車身都能保持平穩(wěn)。線性磁電動(dòng)機(jī)還可以抵消汽車加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎時(shí)的車身運(yùn)動(dòng)，操控穩(wěn)定性更好。雖然有許多新型彈簧和減振器，但在過去的幾十年中，汽車懸架的基本設(shè)計(jì)仍未有重大突破，但隨著Bose全新的懸架設(shè)計(jì)理念的引入，可能會(huì)使汽車懸架設(shè)計(jì)發(fā)生變化，Bose懸架是獨(dú)立懸架面世以來汽車懸架領(lǐng)域的最大進(jìn)步。2汽車積極傾斜的發(fā)展趨勢(shì)與研究與開發(fā)建議2.1后主要解決問題半主動(dòng)懸架性能稍遜于主動(dòng)懸架，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，半主動(dòng)懸架扔是目前主要研究方向。半主動(dòng)懸架今后主要解決問題是如何研發(fā)可靠、調(diào)節(jié)方便的執(zhí)行器和算法簡(jiǎn)單有效地執(zhí)行策略。電控主動(dòng)懸架性能優(yōu)越，是車輛懸架未來發(fā)展方向，但因其成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要額外的控制功率等原因，目前還只裝備于高級(jí)轎車及越野車上。目前，主動(dòng)懸架研究的集中在主動(dòng)懸架的可靠性和執(zhí)行器及懸架系統(tǒng)最佳參數(shù)控制及理論。2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制電控懸架需對(duì)懸架參數(shù)進(jìn)行控制，所采用的許多控制方法有：天棚阻尼控制、PID控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、預(yù)測(cè)控制等。因此，必須根據(jù)車輛類型、懸架結(jié)構(gòu)、減振器類型，對(duì)控制方法和控制理論進(jìn)行研究，綜合運(yùn)用控制策略和控制方法。(2）聯(lián)合作用決定因汽車的車身運(yùn)動(dòng)不是某個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)決定的，是由多個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)合作用決定的。只研究主動(dòng)懸架的控制問題，而不研究各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互影響，已經(jīng)不能滿足汽車發(fā)展的要求，今后更應(yīng)注重電控懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系之間的集成控制研究(3）懸架最佳參數(shù)分析根據(jù)車輛舒適性、安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，利用車輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究，并通過對(duì)相互矛盾和相互制約的車輛振動(dòng)加速度、車輛動(dòng)載和懸架動(dòng)撓度等參數(shù)進(jìn)行分析，建立在不同車速、不同路況、不同車輛參數(shù)以及不同振動(dòng)情況下的車輛懸架系統(tǒng)最佳控制參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；將在不同車速、不同路況、不同車輛參數(shù)懸架系統(tǒng)最佳控制設(shè)計(jì)參數(shù)，與主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制相結(jié)合，使懸架系統(tǒng)本身的參數(shù)與車輛當(dāng)時(shí)的狀態(tài)相適應(yīng)，使車輛達(dá)到最佳減振效果，滿足車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性的要求。這應(yīng)該是研究主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)和控制的基本問題，為主動(dòng)懸架真正實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)代車輛上實(shí)際的推廣使用，奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。(4）3主動(dòng)懸架系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)汽車