汽车半主动悬架技术综述

汽车半主动悬架技术综述

1半主动空气悬架系统的设置背景及应用现状根据配置，半主动悬臂的调整机构可分为抗刚性和抗衰减半主动悬臂。目前,大多数研究的半主动悬架系统需要一套电源设备给阻尼可调减振器活塞线圈提供电流,同时还需要一套控制系统,以便实时地调节输入电流的大小,以改变减振器输出的阻尼力。在实际应用中,外加电源和控制设备会使整个控制系统的体积增大,质量增加,为了克服这些缺陷,近年来国内外研究了一种无需外部电源和控制设备的自供电阻尼可调减振器现有的汽车中部分采用气体弹簧作为悬架系统的弹性元件,由于气体弹簧的刚度在汽车行驶过程中是变化的,故气体弹簧具有比较理想的变刚度特性。国产汽车上气体弹簧多在少数高档客车、重型载货汽车、特种车辆及大型工程车辆上使用,与气体弹簧匹配的阻尼元件均为液压减振器,近几年来国内已有从事半主动空气悬架文献[11-12]研究了2级串联型“惯容-弹簧-阻尼”车辆悬架系统,此悬架系统以传统悬架为第1级,以并联的惯容器、弹簧和阻尼元件为第2级。该系统具有改善车辆隔振性能的潜力,与主动悬架相比,不需要外界能量输入,同样可以改善车辆乘坐舒适性和行驶安全性,但其弹簧和阻尼元件的参数均不变,不需要专门的控制系统。与传统悬架相比,具有良好的低频频响特性,还能降低车身的共振频率,但在结构上多了第2级的惯容器、弹簧和阻尼元件,比传统悬架复杂。1.1悬架减振器及控制策略有级可调减振器通过某种驱动方式开启或关闭控制阀的阀门,使阻尼在几个离散的阻尼值之间实行快速切换,切换时间通常为10~20ms。1988年,日产公司研制了一种声纳式半主动悬架,它可通过声纳装置预测前方道路信息,悬架减振器有柔软、适中及稳定3种选择状态。丰田公司的LexusLS400GT轿车减振器也采用3级可调的形式。奔驰S级轿车上装备了减振适应系统ADS(AdaptedDampingSystem),该减振适应系统将减振器阻尼设定为4个级别,基本控制策略采用skyhook阻尼控制策略。文献[13]在分析双筒式减振器结构与模型的基础上,对其进行修改,研制出有级可调减振器,系统采用基于逻辑判断的控制策略。有级可调减振器的结构及控制系统相对简单,但在适应汽车行驶工况和道路条件变化方面有其局限性。未来发展关键是采用更先进的阀技术,缩短切换时间,增加阻尼变换挡数,针对汽车行驶的更多工况,提高减振器的减振效率。1.2电流变减振器+磁流变材料显微结构材料特点在阻尼自(1)调节节流口的开度大小,通常采用电子控制节流阀,即通过步进电机驱动减振器的阀杆,连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼,节流阀通常采用电磁阀实现。相比于普通双筒式减振器,其结构上增加了1个中间缸和1个电磁阀,如图1所示。中间缸和工作缸上腔相通,电磁阀连接中间缸和储油缸,并控制中间缸与储油缸之间的节流通道,从而实现阻尼的连续可调(2)应用电流变或磁流变材料改变流体的黏度系数,具有响应快、动态范围宽、功耗低及结构简单的特点。电流变液体在外加电场的作用下,其剪切强度、表观黏度等会发生显著变化,减振器的阻尼力也随之发生变化。由于电流变减振器的阻尼可随电场强度连续变化,无需高精度的节流阀,其结构相对简单,也不需要复杂的驱动机构。国外已有电流变减振器的产品问世,如德国Bayer公司和美国Lord公司所生产的商业电流变减振器。磁流变液体是指在外加磁场的作用下,流变材料性能发生急剧变化的流体。磁流变减振器采用磁流变液体为工作液,通过控制磁场强度,可实现减振器阻尼的连续、无级可调。在磁流变液器的开发方面,美国Lord公司、福特公司等早已研制出商业磁流变减振器。由于磁流变液的屈服应力、适用温度范围、物理化学稳定性及能耗等均优于电流变液体,这也是选用磁流变液体作为汽车半主动悬架系统减振器工作液的主要原因。但是,现有的磁流变减振器仍然存在耐久性、泄漏及迟滞等问题,还有需要改进的地方,关于磁流变减振器的研究仍是目前研究的热点1.3间连接杆的密封文献[5]设计了一种电磁感应式自供电磁流变减振器,其结构如图3所示,主要由磁流变减振器结构、电磁感应能量捕获结构、电能调理模块及相关连接件构成,其中连接件包括将电磁感应能量捕获结构的永磁体和磁流变阻尼器活塞连接在一起的中间连接杆,将磁流变液密封在磁流变减振器中的密封件等。汽车行驶时,车身的振动带动减振器的活塞杆在缸筒内做往复运动。同时由于电磁感应能量捕获结构的永磁体定子通过中间连接杆和磁流变阻尼器的活塞连接在一起,永磁体随着减振器活塞杆一起在定子内腔内做往复运动,从而产生感应电动势。电能调理模块则将产生的感应电动势转换成适合磁流变减振器使用的稳压直流电,并作用到磁流变阻尼器的活塞线圈上,从而实现在无外接电源设备情况下智能控制振动的目标。自供电磁流变减振器虽然不需要外部电源,但其减振器由于增加了电磁感应能量捕获结构和电能调理模块,其内部结构比磁流变减振器明显要复杂,对电磁感应能量捕获结构和电能调理模块更需要精准设计,依靠自身对车辆振动强弱的感知能力自行调节输出所需要的阻尼力1.4增设转阀式阻尼调节机构文献[8]研究了一种基于模糊控制的半主动空气悬架,在某普通液压减振器基础上设计了电控气动式可调阻尼减振器,其结构如图4所示。底阀和筒体采用原减振器结构,在原活塞组件上增设由阀芯和阀体组成的转阀式阻尼调节机构,把连杆改为中空结构,空心连杆内装有转轴,转轴的下端与阀芯相连,转轴的上端与摆动气缸相连,转轴在摆动气缸驱动下转动,并带动阀芯转动,阀芯和阀体上的小孔重合度随之发生变化,使节流阀口通液面积发生变化,从而实现阻尼调节功能。空气悬架有现成的压缩空气源,其驱动机构由电磁阀和摆动气缸组成,摆动气缸利用压缩空气驱动输出轴在较大转角范围内往复回转,电磁阀则由ECU直接控制。1.5管网内部调压阀的工作原理文献[9]设计了一种阻尼可调的油气悬架,该悬架主要由蓄能器、可调阻尼阀、活塞缸、活塞及活塞杆等组成,如图5所示。蓄能器(相当于气体弹簧)包含气室Ⅰ和油室Ⅱ,气室中通常预充有一定压力的氮气,通过隔膜与油室分开,避免油气混合。油液可在油室Ⅱ和油室III之间通过可调阻尼阀流动,活塞缸右腔Ⅳ始终与大气相通。可调阻尼阀是半主动油气悬架的关键部件,其结构如图6所示。可调阻尼阀主要由伸张阀、并联节流孔、压缩串联节流孔、压缩阀和伸张串联节流孔等组成。伸张阀和压缩阀均为单向阀,压缩串联节流孔与压缩阀串联布置,伸张串联节流孔与伸张阀串联布置,并联节流孔与压缩阀(伸张阀)并联。实际设计可调参数为并联节流孔面积、压缩(伸张)串连节流孔面积、压缩(伸张)阀开阀力及压缩(伸张)阀最大开度,这4个参数对油气悬架阻尼特性均有较大影响。工程实际中,根据需要并结合具体车型设计所需的阻尼阀结构,即可实现油气悬架阻尼可调的功能,但其电磁阀响应速度较慢,还需要改进。2自适应控制方法文献[17]针对不同参数的悬架模型和路面不平度输入采用改进型的天棚阻尼控制方法,能自适应地改变天棚阻尼增益,相比于被动悬架和一般的天棚阻尼控制悬架,能更好地提高车辆的平顺性。以经典控制理论为基础的PID控制不需要了解被控对象的数学模型,只要根据经验进行调节器参数的在线调整,即可取得满意的结果,不足的是对被控对象参数变化比较敏感。最优控制是通过经验确定一个能提高平顺性和操纵稳定性的目标函数,然后以一定的数学方法算出使该函数取得极值的控制输入,即控制律。应用于悬架控制的最优控制方法可分为传统的线性最优控制、最优预测控制和H预测控制是通过传感器,把车辆前方路面信息预先传给悬架装置,使参数调节与实际需求同步。通过某种方法提前测得前方路况的信息,使控制系统有足够的时间采取措施。采用预测控制的关键是要获得具有一定精度、不受干扰和反映路面真实情况的信息。自适应控制结构如图7所示。自适应控制包括自校正控制和模型参考自适应控制2种。自校正控制需要根据输入输出信息,在线递推悬架的有关参数,再由对象参数根据稳定性理论,修改半主动悬架控制器的参数,设计控制器的控制规律,最后通过悬架控制器输出信号对悬架的执行机构加以控制,达到控制阻尼力的目的。文献[2]运用自适应模糊控制方法,采用基于梯度的优化算法在线改进模糊控制器的参数,其半主动悬架乘坐舒适性和行驶安全性均优于线性二次型最优控制方法。自校正控制策略需要在线辨识大量的结构参数,因而计算量大,实时性不好。模型参考控制策略将路面信息同时输入实际模型和参考模型中,根据两者的广义误差,由李雅普诺夫理论,综合自适应律,通过控制半主动悬架执行机构的输出调节阻尼力。滑模变结构控制是控制理论的一个重要分支,它对模型参数的不确定性和外界扰动具有高度的鲁棒性,本质上是一种非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统结构并不固定,而是可以在动态过程中,根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定滑动模态的状态轨迹运动智能控制是一门新兴的学科领域,它以知识信息为基础进行推理和学习,用启发式方法引导求解。目前,应用于汽车半主动悬架系统的智能控制主要有模糊控制及神经网络控制等。模糊控制允许控制对象没有精确的数字模型,使用语言变量代替数字变量,在控制过程中包含有大量经验和知识积累,其基本结构如图8所示。模糊控制的诸多优点使其在应用于具有随机激励和复杂数学模型的车辆悬架系统中,表现出较强的优势神经网络控制方法具有很强的非线性映射能力,尤其适用于描述复杂非线性系统。神经网络控制方法多以与其他控制方法相结合的形式出现半主动悬架系统在近40年的研究过程中,已经得到的控制方法几乎涉及经典控制理论和现代控制理论的所有分支。从目前的研究文献看,单独利用某一种控制方法进行研究的很少,每种方法均有利弊,而复合控制方法往往能将2种或多种控制方法综合运用3半主动悬架研究及仿真汽车悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的前沿课题,开发安全、舒适和清洁高效、节能的悬架是车辆悬架系统发展的方向。(1)加强对非线性控制问题的研究。悬架系统具有较强的非线性,用线性系统模型对其动力学行为进行逼近并非总是可靠的;另外悬架控制系统存在无法避免的时滞,这会降低半主动悬架的控制性能和稳定性。对于非线性控制问题,宜采用模糊控制、神经网络控制和智能学习系统等智能控制方法解决。关于时滞的研究多采用专门设计的控制器进行时滞补偿(2)加强汽车动力学性能仿真研究。控制策略及规律的制定和控制软件设计是实现最佳控制目标的关键。为减少反复试验次数,缩短控制系统的研发周期,可以运用ADAMS、CarSim等动力学仿真软件,针对半主动悬架的实际车辆,建立整车动力学模型,模拟汽车行驶的各种工况,重点研究不同控制策略和规律作用下控制元器件的响应特性、执行系统的非线性和随机性等实际因素的影响及智能控制策略的稳定性,再结合实车实验验证,确定最佳的控制策略和规律。(3)对主动悬架、转向、制动等系统进行集成控制4半主动悬架控制策略(1)半主动悬架能有效地提高汽车的行驶平顺性,同时也能改善汽车的操纵稳定性,其研究集中在调节减振器的阻尼系数方面,半主动悬架系统的2个关键技术分别是减振器阻尼系数的调节和半主动悬架控制策略。(2)除电