悬架发展报告

1、汽车主动悬架发展进程汽车悬架的功能在于承载车辆簧上质量，传递车桥与车架之间的力和力矩作用， 静止时支撑车辆的结构，车辆行动时，缓冲车身接受的来自地面的力，保证车辆行 驶时的稳定性。车辆悬架系统目前包括了被动悬架、半主动悬架和主动悬架三大类。被动悬架是市场上各类车辆常用的悬架形式，它的结构主要包括弹性元件、减 振机构和传力机构三部分，分别起到缓冲、减振和传递力和力矩的作用。由于结构 的差异，被动悬架分为了麦弗逊式、横臂式、多连杆式等。被动悬架由于两侧车轮 的悬架是否关联，又分成了独立悬架与非独立悬架，如以上举例的几类悬架都是独 立悬架的范畴之内。非独立悬架主要包括钢板弹簧式、空气弹簧式和油气弹簧

2、式几 大类。独立悬架与非独立悬架在造价和结构设计难度上的区别使得它们在一定领域 内都有获得广泛的利用。半主动悬架是指可以根据事先预置的工况的参数，对应输出一定的刚度和阻尼 系数。由于车辆悬架的刚度调整难度较大，因此，多采用调整悬架阻尼的方式。用 可以调整阻尼系数的阻尼器代替被动悬架中的阻尼装置。半主动悬架根据阻尼的调 整的类型分为两种。一种是阻尼系数离散的可切换阻尼式半主动悬架，另一种是在 一定范围内可连续调整阻尼系数的连续可调式半主动悬架。第一种的阻尼系数是离 散的值，阻尼分为了几个档位，在使用时选取合适的档位；第二种通过与传统的弹 簧并联一个连续可调的阻尼器，可以形成连续可变的效果。半主动

3、悬架和被动悬架 都无法主动地施加力的作用。主动悬架要符合以下几个条件：可以施加主动力的动力源、执行元件可以传递 这种力的作用并且可以连续工作、多个传感器要能将信号传送给微电脑并实时决定 控制方式。主动悬架的CPU给力的发出元件发出控制信号，再将传感器采集的信号 作于CPU发出控制信号的依据，这样就形成了闭环控制的工作方式。与半主动悬架 不同，主动悬架自动控制悬架刚度。当车辆载荷、路面情况等行驶条件发生变化时， 悬架刚度随之变化，从而满足车辆行驶的平顺性和操作稳定性。发出主动力的装置 称为作动器，根据作动器的响应带宽，主动悬架可以分为全主动悬架和慢主动悬架， 也成为宽带宽主动悬架和有限带宽主动悬

4、架。慢主动悬架的工作频率在一定范围内， 结构上，它采用作动器串联一个弹簧装置再与一个被动阻尼并联的行驶。在它的工 作范围内，作动器发挥作用，在工作范围外整个系统表现出与被动悬架相似的工作 特征。这样的设计大大降低了设计难度和成本，并能够较大程度满足控制的要求。 全主动悬架的作动器主要采用液动或者气动的油缸，因此具有较宽的频率响应特性。 结构上行程一个闭环可控的作动器，作动器通常还会于一个弹簧并联共同承载簧上 质量。主动悬架的发展起步较早。美国GM公司的ErspielLabrosse于1954年率先提 出主动悬架的概念。在此之后T.H.Rochwell， S.KimicaJ和M.Lawther展

5、开了对主 动悬架主动元件的理论研究。Thompson首先将全状态反馈控制运用于全主动悬架的 研究中，1984年又利用部分状态反馈最优控制理论构造了次最优反馈阵。最后他与 Pearce将两自由度模型扩展到四自由度模型。1986年，R.M.Chalassani研究了整车 模型的行驶性能。P.Barak和D.Hrovat利用计算机模拟激励的方式，计算出了主动 悬架的优越性。用性能指数Pi代表主动、半主动、和被动悬架的性能，则它们之间 的比值为1： 1.5： 4.5（Pi越小越好）。对一组特定的Pi加权计算模拟激励结果显 示：座椅的加速度的方根值若采用半主动悬架下降57%，采用主动悬架则下降87%；

6、车辆的垂直加速度采用主办主动悬架下降56%，采用主动悬架下降78%；横振加速度 采用半主动悬架下降52%，采用主动悬架下降68%；纵振加速度采用半主动悬架下 降30%，采用主动悬架则下降60%。由于主动悬架在理论与试验中都表现出良好的性能，因此它成为了各大汽车厂 商研究的重要目标之一。1955年，雪铁龙公司曾研发了一款液压-空气悬架，满足了 车辆良好的行驶平顺性和乘坐舒适性，但是，由于结构复杂和成本居高不下，最终 未能投入使用。1982年，美国莲花汽车公司研制了一款有源主动悬架系统，并且沃 尔沃公司曾实验性安装过这款主动悬架。日本丰田公司于1986年和1989年分别在 Soare和Celica

7、两款车型上分别安装了能对阻尼和刚度进行三级调整的空气悬架和 主动油气悬架。九十年代，尼桑在因菲尼迪Q45轿车上也装备了液压主动悬架。与 此同时，福特、保时捷等公司也分别在其高级轿车上安装了主动悬架系统。实际上， 对于越野要求很高的军用车辆对主动悬架的需求也是相当强烈。在上世纪七十年代， 英国在其一款轻型坦克上使用了美国AP公司的液压机械主动悬架系统。美国将主动 悬架运用在悍马轮式越野车上，大大提高了车辆在崎岖不平路面上的行驶速度。目前，最先进的主动悬架是德国奔驰ABC系统。ABC系统将主动悬架和车身姿 态控制完美的结合起来，它的控制感应装置由两个微型处理器和13个传感器组成， 每10 ms对悬

8、架系统作一次扫描和调整。各传感器分别向微处理器传送车速、车轮 制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向 速度等数据。微处理器能独立控制每一个车轮上的执行元件，从而能在任何时候、 任何车轮上产生符合要求的悬架运动以适应汽车的每一种行驶状况ABC系统使汽车 对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确。即使行驶在路 况较差的路面上，汽车的跳动也很小，汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。车 身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮 胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。主动悬架主要的类型包括空气主动悬架、油气

9、主动悬架、液力主动悬架和电磁 主动悬架等。空气悬架通过改变主副气室的通路面积大小，可以改变悬架刚度和阻尼。空气 悬架的的动力源来自于压缩空气，响应的灵敏度不够高。虽然对低频振动侧倾和纵 倾适应性足够，但是要适应路面输入变化再进行主动反馈控制就有所欠缺。同时， 空气悬架需要空气压缩机，因此占用了较大的车辆空间。油气主动悬架把不可压缩 的油液和空气弹簧结合起来，因此能实现系统的高压力，有利于提高响应的灵敏度。 油气悬架系统弹簧刚度的变化是通过调节球型装置中气体的体积来实现的，阻尼特 性可以通过改变节流孔的数量进行调节。气体体积越大，压力油路中的节流孔越多， 则弹性越软，阻尼效果越小。该系统的中枢是

10、一台计算机控制装置，该装置不断接收 有关行驶工况的数据信息，并选择相应的悬架状态。但此系统还存在一些未解决的问 题，诸如成本/功能、功率消耗、重量、占据空间和振动噪声等。液力主动悬架是一 种完全只靠执行元件产生的抽动来跟踪路面的凸凹变化和车身运动的系统。当执行 元件动作时，液压油缸中的活塞从两侧接收油压，一侧的油压上升，另一侧的油压降 低，从而带动活塞产生抽动。在该系统中，需用许多传感器进行信号检测和输入，例如 要瞬时感应车辆将通过一个什么样的路面，车身的垂直加速度信号等。当然，车身的 横向加速度、施加在各轴上的载荷、偏转角速度、车速、驾驶员的操作等信号也应 由传感器检测。车内的微型计算机分析

11、这些传来的信息，反馈给四个车轮,产生足够 的油压，保证车辆在凸凹不平路面上行驶时悬架的伸缩。液力主动悬架只使用不可压 缩的油液,故其响应的灵敏度较高。由于采用高精度和高灵敏度的伺服阀，以及由载 荷、非簧载质量加速度和悬架行程的反馈控制来减小车身姿态变化，因此这种控制系 统能保证汽车具有良好的操纵稳定性。另外，这种系统可使簧载质量的运动量最小， 能获得良好的乘坐舒适性。电磁主动悬架是近年来正在研究和开发的一种新型主动 悬架，它采用电磁机构作为作动器，电磁机构根据检测到的车身加速度变化等参数， 通过改变电磁机构中的电流大小来产生电磁力，从而调节悬架的刚度和阻尼器阻尼， 达到提高乘坐舒适性的目的。主

12、动悬架研究中，主要研究方向是作动器和控制策略研发。目前市场上的常见 的控制策略主包括有以下几种：自适应和自校正控制方法。这种控制策略可以看作自动控制其控制规律来适应实 时运行状态的控制方法。方法要求系统中包含了大量已经计算好的控制参数，车 辆参数选择合适的状态下，根据参数输入情况，计算机迅速选取最合适的控制参 数。因此，这种方法的关键在于选择可靠有效的参考变量。天棚阻尼器控制方法。这种方法在主动悬架的控制中被广泛利用。设想系统阻尼 器安装在车体与某一固定天棚之间，主动悬架的执行机构产生一个与车体上下振 动绝对速度成正比的控制力衰减振动。天棚阻尼控制器方法在选择合适参数的情 况下，可以彻底消除系

13、统共振的情况。最优控制方法。由于地面对车辆的激励是一个随机的过程，所以悬架最优控制的 理论基础是线性随机最优控制理论，它通过建立系统的状态方程提出控制目标和 加权系数，再应用控制理论求解所设目标下的最优控制规律。较天棚阻尼器控制 方法而言，最优控制对系统中更多变量的影响加以考虑，因而控制效果更好。而且 现代控制方法的应用，主要是在系统的控制软件方面做一些改善，并不增加系统 的复杂性。预见控制方法。上面两种控制方法都是按照系统的状态进行控制，预见控制方法 要对激将出现的情况加以判断进行控制。预见控制方法可以分为四轮全进行预见 控制和利用前轮信息对后轮进行预见控制。四轮全进行预见控制要求在车辆前方

14、 设置可以探测路面情况的传感器，获取即将通过的路面的信息传输给微处理器， 得到的控制参数传送给车辆各个悬架，从而实现主动控制。这种方法可以良好的 控制车辆的俯仰运动，提高车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性，关键在于合适的传 感器。第二种是将前轮作为信号反馈的装置，预见信息从前轮的各个处理器传输 给处理器，后轮采用反馈和前向反馈的双重控制，以实现对后轮的预见控制，也 具有良好的控制效果。但是，这两种方法都存在时变性的问题，车速越快会使控 制的效果下降。目前，神经网络控制方法越来越多地应用在特定环境以及采用固定描述方式的多 种目的的设计中。人工神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象、简化和模拟， 它是由大量类似于人脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度 非线性超大规模连续时间动态系统，反映了人脑功能的若干基本特性。作为一种 并行分布式处理系统，它具有自动知识获取、联想记忆、自适应性、良好的容错 性和推理能力。神经网络具有自学习性和巨量并行性，故在汽车悬架控制中有广 泛的应用前景。但神经网络有以下不足：（1）难以保证解的唯一性（2）局域性 差（3）基函数非正交，收敛速度慢（4）难以确定逼近的分辨尺度。模糊控制。模糊控制利用语言变量，适用于非线性、迟滞等模型，具有较强的鲁 棒性