汽车空气悬架的应用与发展.doc

汽车空气悬架的应用与发展 空气悬架诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备隔振。1947年，美国首先在普耳曼汽车上使用空气悬架，意大利、英国、法国及日本等国家相继对汽车空气悬架作了应用研究。经历了一个世纪的发展，到二十世纪五十年代才被应用在载重车、大客车、小轿车及铁道汽车上。目前国外高级大客车几乎全部使用空气悬架，重型载货车使用空气悬架的比例已达80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。部分轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯等。在一些特种车辆(如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等)上，空气悬架的使用几乎为唯一选择。 国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧气囊复合式悬架被动全空气悬架主动全空气悬架(即ECAS电控空气悬架系统)”的变化型式。主动全空气悬架应用了电子控制系统，使传统的空气悬架系统的性能得到很大改善，汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能(如故障诊断功能等)。目前ECAS系统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用，随着人们生活水平的提高，对汽车舒适性的要求越来越高，可以预见，ECAS这一先进的空气悬架系统在汽车上的应用将越来越普及。 悬架系统的作用 汽车悬架是汽车中弹性的连接车架与车轴的装置。它一般由弹性元件、导向机构、减震器等部件构成，主要任务是缓和由不平路面传给车架的冲击，以提高乘车的舒适性。 汽车悬架上的零部件 汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。 螺旋弹簧：是现代汽车上用得最多的弹簧。它的吸收冲击能力强，乘坐舒适性好；缺点是长度较大，占用空间多，安装位置的接触面也较大，使得悬架系统的布置难以做到很紧凑。由于螺旋弹簧本身不能承受横向力，所以在独立悬架中不得不采用四连杆螺旋弹簧等复杂的组合机构。出于乘坐舒适性的考虑，希望对于频率高且振幅小的地面冲击，弹簧能表现得柔软一点，而当冲击力大时，又能表现出较大的刚性，减小冲击行程，因此需要弹簧同时具有两种甚至两种以上的刚度。可采用钢丝直径不等的弹簧或螺距不等的弹簧，它们的刚度随负载的增加而增加。 钢板弹簧：多用于厢式车及卡车，由若干片长度不同的细长弹簧片组合而成。它比螺旋弹簧结构简单，成本低，可紧凑地装配于车身底部，工作时各片间产生摩擦，因此本身具有衰减效果。但如果产生严重的干摩擦，就会影响吸收冲击的能力。重视乘坐舒适性的现代轿车很少使用。 扭杆弹簧：是利用具有扭曲刚性的弹簧钢制成的长杆。一端固定于车身，一端与悬架上臂相连，车轮上下运动时，扭杆发生扭转变形，起到弹簧的作用。 气体弹簧：利用气体的可压缩性代替金属弹簧。它最大的优点就是具有可变的刚度，随气体的不断压缩渐渐增加刚度，且这种增加是一个连续的渐变过程，而不象金属弹簧是分级变化的。它的另一个优点是具有可调整性，即弹簧的刚度和车身的高度是可以主动调节的。 通过主副气室的配合使用，使弹簧可以处在两种刚度的工作状态下：主副气室同时使用，气体容量变大，刚度变小，反之(只使用主气室)则刚度变大。气体弹簧刚度由计算机控制，在汽车高速、低速、制动、加速以及转弯等状态下，根据所需刚度进行调节。气体弹簧也有弱点，*压力变化控制车高必须装备气泵，还有各种控制附件，如空气干燥器，如保养不善会使系统内部生锈发生故障。另外如果不同时采用金属弹簧，一旦发生漏气，汽车将无法行驶。前言基于经典隔振理论的传统被动悬架系统无须外部能量输入，结构简单，因而获得广泛应用，但其只是一种优化折衷方案，不能适应变化的行驶工况和任意道路激励。主动悬架是一种具有作功能力的悬架，在提高系统性能上具有较大的潜力1，但能量消耗大、液压装置噪声大、成本高、结构复杂，到目前为止，仅有少数几种主动悬架系统成为商业化产品2，限于装载在一些排量较大的高档车型上。半主动悬架系统输入少量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性(刚度或阻尼系数)，结构简单、可靠性高，因系统动特性变化很小，仅消耗振动能量，故稳定性好，而减小振动的能力几乎和主动悬架一样3(见表1)。半主动悬架系统所涉及的关键技术是设计并实现可控制减振环节和控制策略，这并不比主动控制简单，有时甚至更加复杂4，故而汽车半主动控制悬架系统已成为当今国内外学者和生产商研究和开发的热点。2 半主动悬架系统的产生和发展21 发展简况半主动悬架的概念首先由Crosby和Karnopp于1973年提出，Karnopp还提出天棚阻尼控制模型和实现方法5。直到20世纪80年代初期才有试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多。随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂。1975年，Margolis等人提出了“开关”控制的半主动悬架，1983年日本丰田汽车公司开发了具有3种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于Toyota Soarer 280GT型轿车上。1986年，Kim Brough在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法，改进了控制算法的稳定性。1988年日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用于Maximas轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态。20世纪90年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的运用。1994年，Prinkos等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。2002年，采用美国德尔福(Delphi)公司磁流变减振器的MagneRide半主动悬架系统应用在Cadillac Seville STS高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼。22 弹性元件刚度可控半主动悬架系统弹性元件刚度可控半主动悬架系统是在空气悬架的基础上实现的。通过改变弹簧刚度来减振的半主动悬架由Hubbard和Margolia于1976年提出6。CJStein利用前馈与反馈相结合的“天棚”控制理论，采用比例压力控制阀对空气弹簧进行控制，福特汽车公司在Continental Mark车型上7丰田汽车公司在Lexus车型上都成功地推出了电子控制空气悬架系统。该系统可以根据乘客数量或载质量、车速、路面状况等对空气弹簧的刚度实现有级控制。汽车弹性元件需承担车身的静载，因而实施刚度控制比阻尼控制困难得多，目前在半主动悬架的研究中，对阻尼控制的研究偏多。但空气弹簧与机械弹簧相比具有刚度低、可调节、质量轻、噪声低、寿命长等优势，加上对汽车路面破坏机理的深入认识以及政府对高速公路养护的重视，刚度可控半主动悬架的研究日益引起人们的关注。23 可控阻尼半主动悬架系统231 传统可调减振器传统可调减振器可分成有级可调和连续可调减振器。由各种开关型的节流阀或连续活门来控制液体阻尼的大小，实现阻尼的有级或连续调节。可调节流阀既可以设置在减振器内部，如日本丰田公司的LS400的可调式减振器；也可以设置在外部的旁通道上，如梅赛德斯奔驰公司的一种可调减振器。通常有级可调减振器可在23个挡位之间快速切换，切换时间为1020ms，通过电机控制转阀的旋转位置，使减振器阻尼在“软、中、硬”三挡之间变化，其结构及控制系统相对简单，但在适应行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性8。还有一种压电式减振器也可实现阻尼的有级调节，利用压电负效应，在500V直流电压的作用下可在5ms的时间内产生500m左右的位移，经放大后使阻尼力变换阀动作。这种减振器具有较高的响应能力，但要求电压高、结构复杂9。连续阻尼可调减振器通过步进电机或电磁阀来控制节流阀的流通面积连续调节阻尼10。已有实车产品，如Sachs公司开发的CDC(continuous-damp-er-control)系统。传统可调减振器研究和应用早，国内也有很多学者在进行研究11-12，以有级可调减振器为主，并取得了一些成果。但它们有无法克服的缺点：节流阀制造精度要求高、结构复杂、响应慢等。232 电流变和磁流变减振器利用新型智能材料研制成的电流变和磁流变减振器，减振液黏性可根据施加在上下腔通路上的电场或磁场而调节，阻尼无级变化，其结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动冲击和噪声，无须复杂的驱动机构，是一种非常有发展前途的可调减振器。电流变液体对电场反应迅速，控制带宽广13。磁流变液体的响应略慢，但在屈服应力、温度范围、塑性黏度、稳定性和杂质敏感性等方面强于电流变液体，在相同的功耗下，其剪切屈服应力是电流变液体的2050倍，这样其减振器体积可小得多14。因而，磁流变减振器具有更广阔的应用前景。为了满足减振力要求，电流变减振器要有5kV/mm的电场以及高达6kV的电压15；磁流变减振器磁场强度应为250kA/m，电源为225V及12A16。实现电源和液体特性的长期稳定性是它们在普通汽车系统中推广应用的障碍。已有多家公司研发出了电流变减振器，如德国Bayer公司，美国Lord公司等。磁流变减振器方面，美国马里兰大学航空工程系在磁流变阻尼器的设计理论方面一直处于领先地位，代表世界先进水平，开发了充气补偿结构的汽车磁流变阻尼器。美国Lord公司、德尔福公司、福特公司，德国BASF公司等已经开发出商业产品。不仅如此，磁流变减振器系统已经投入实车，如2002 Cadillac Seville STS车上的磁流变悬架控制系统，它的磁流变液体能在1ms之内响应，因而比以前传统可调减振器系统快5倍以上。我国在磁流变减振器的研究上做了大量工作，取得了一些成就。国家仪表功能材料工程研究中心研制的磁流变体，其剪切屈服应力基本达到美国Lord公司的产品水平17。许多学者进行了悬架磁流变减振器的设计及研究，但目前仅停留在试验研究阶段18-19。3 半主动悬架系统的主要控制策略天棚阻尼控制是提出最早的一种半主动悬架控制方法。Karnopp提出了近似实现理想“天棚”阻尼的“on-off半主动控制策略。由于其所需测试仪器少，控制算法简单，因而是目前研究最多，也是应用最多的方法。根据天棚阻尼控制提出的地棚阻尼控制是以非簧载质量为控制对象的一种控制策略。单一的天棚阻尼控制提高了舒适性，却没有解决好操纵稳定性问题，地棚阻尼控制则和天棚相反。综合天棚和地棚阻尼控制的优点而产生的混合阻尼控制算法20：F=Fsky+(1-)Fgnd，可以兼顾平/顷性和操纵稳定性的要求，是一种值得研究、易于投入实用的控制算法。线性最优控制的半主动控制策略实现主要通过两种方法：一是应用有约束双线性最优控制原理直接确定半主动控制策略，其推导过程和计算方程较为复杂；二是先根据最优控制理论主动控制的控制律，然后由耗能原理设计半主动控制策略，当要求产生主动力时，设半主动控制力为零，而在耗能阶段，等于主动控制律要求的控制力，当然这种控制只是部分的最优。由于获得了足够的路面信号，预见控制能显著地改善悬架系统性能。对预见控制的研究目前仍局限于理论研究阶段，大部分研究都以线性二次最优理论为基础。经典控制理论的PID控制简单、易实现，具有一定研究价值。和模糊控制等方法结合的复合PID控制应是研究的方向。自适应和自校正控制的典型控制方法有增益调度控制、参考模型自适应控制和自校正控制。自适应控制能显著改善汽车的行驶特性21-22，德国奔驰公司的一种轿车上采用了自适应阻尼控制系统。模糊控制和神经网络控制不需要建立系统精确的数学模型，可以避免因系统建模误差带来的影响。另外，模糊控制能减少控制器的存储空间，降低成本，缩短悬架延时，使控制更加及时、可靠，但这种控制自适应能力差，精度不够高。神经网络的特点是可学习性和巨量并行性，在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。但不适于表达基于规则的知识因其需要较长的训练时间，另外它的控制参数没有物理意义，因而很难进行精确调节。神经网络须与其它控制方法相结合构成复合控制模式才能具有更大的实际应用。鲁棒控制的H控制可使振动控制系统对车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系统和车身振动模态等不确定和未知信息的影响具有较强的鲁棒性，同时可大大缩短控制时间和降低能量消耗，文献23设计了H控制器，比较了其和“天棚”阻尼方法的减振性能，证实了鲁棒控制性能的优越性。滑模变结构控制适用于线性或非线性系统，方法简单易于实现，对模型参数的不确定性和外界扰动具有高度的鲁棒性。文献24证明其效果显著。除以上控制方法外，许多学者尝试采用一些新的控制理论来解决半主动悬架的控制问题，在一定程度上取得了一些进展，但都停留在数字仿真阶段。作者运用基于分数导数的复合控制策略来优化半主动悬架系统的控制参数，提高其综合性能。4 研究和开发工作展望41 注重刚度可调半主动悬架的研究刚度可调半主动悬架在汽车的应用中有其不可替代的作用，特别是在重型载货车和大客车上，我国对其研究较少，与汽车发达国家差距较大。刚度和阻尼均连续可调的智能型半主动悬架具有很好的应用前景。42 阻尼可调减振器的研究传统可调减振器的研究开发仍有较大的潜力，特别是在原有汽车的改造上。新型可调减振器，特别是磁流变应是研究的重点，包括以下两个方面：一是磁流变材料相关技术研究，二是磁流变阻尼器相关技术研究。43 控制理论的研究431 研究复合控制策略在半主动悬架系统30年的研究过程中，已经发表的控制研究方法几乎涉及现代控制理论的所有分支。各种方法均有利弊，综合应用各种方法开发系统控制器是当前的研究热点和发展方向。从目前的研究文献来看，单独利用某一种控制方法进行研究的很少。汽车工业发达国家大多基于天棚阻尼控制理论、最优控制理论、预见控制理论、模糊控制理论和自适应控制理论为主干的复合控制策略。432 寻找实用、稳定的控制方法当前理论上的研究方法虽然很多，其中包括应用现代控制理论中最新的研究成果，但真正投入实际应用的方法并不多。如何针对实际汽车寻找一种实用、可靠、可降低成本的控制策略是今后研究的重点。天棚阻尼控制及其改进方法是一个主要研究开发方向。433 重视非线性控制问题的研究和解决。悬架系统是强非线性和强耦合系统，用线性系统模型对悬架系统的动力学行为的逼近在很多情况下并非总是可靠的，被忽略的非线性因素有时会在分析和计算中引起无法接受的