汽车悬架减振性能的研究

汽车悬架减振性能的研究

1激振力与侧重力汽车振动是影响汽车行驶平整度和优化稳定性的重要因素。汽车减振主要使用悬架系统,它一般由弹性元件和阻尼元件构成,用以缓冲和吸收因路面不平而产生的激振力,同时承受汽车转向时产生的侧倾力。而二者在汽车设计中是矛盾的,基于经典隔振理论的传统悬架系统难以同时满足这种要求。在70年代,工业发达国家已经开始研究基于振动主动控制的主动、半主动悬架系统随着汽车结构和功能的不断改进和完善,研究汽车振动,设计新型悬架系统,将振动控制到最低水平是提高汽车质量的重要措施。2更新完善，在更新的同时进行完善根据现代汽车对悬架提出的各种性能要求,悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。悬架的结构形式很多,分类方法也不尽相同。按导向机构的形式,可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果按控制力进行分类,则可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架3种基本类型。3种悬架的简化模型如图1所示。2.1悬架系统的阻尼和刚度参数汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。其简化模型如图1(a)所示,弹簧主要用来支承簧上质量的静载荷,而减振器主要用于控制响应特性,由于阻力和簧上质量相对于地面的速度有关,因此,在一个振动循环中,悬架系统便会消耗振动系统的能量起到减振的作用这种悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法来选择。在汽车行驶过程中就无法随外部状态变化而变化。汽车悬架应满足两个方面的要求,一方面为提高转弯、制动等操纵过程的稳定性,要求综述悬架应具有高阻尼系数;另一方面为隔开随机路面不平对汽车的扰动,提高乘坐舒适性,要求悬架应具有低阻尼系数。由于参数不能任意选择和调节,限制了被动悬架系统性能的进一步提高。2.2阻尼级的选择半主动悬架的研究工作始于1973年,由D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出通常,主要以改变减振器的阻尼力为主,将阻尼分为两、三级,可由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级。1984年日产公司研制出一种声纳半主动悬架,它能通过声纳装置预测前方路面信息,及时调整悬架减振器的3种状态通过改变弹簧刚度构成的半主动悬架由Hubbard等人于1976年提出2.3主动悬架系统通过输入外部能量使控制机构给悬架系统施加一定控制力的振动控制称为主动控制。主动控制悬架的最初装置是由AP公司基于气液悬架发展的一种机械系统。现代汽车主动控制悬架简化模型如图1(c)所示,它由弹性元件和一个力发生器组成。力发生器的作用是改进系统中能源的消耗和供给系统以能量,该装置的控制目标是要实现一个优质的隔振系统,而又不需对系统作出较大的变化。因此,只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力,即可实现该控制目标。主动悬架系统通常有两种形式,即由电机驱动的空气式悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架。日产和丰田公司的一些高级车上装载的油气式主动悬架如图2所示,由一个电液比例阀(针阀)和一个机械式压力伺服滑阀构成压力控制阀。其工作原理为:当路面激励频率较低(2Hz以下)时,由计算机对控制阀的线圈施加一电流使针阀打开,在控制阀的出口处即产生一个与之成比例的输出油压,通过控制油压缸内的油压以控制汽车的振动;当路面激励频率适中(2～7Hz)时,主要由滑阀的机械反馈功能对油压缸内的油压进行伺服控制,从而进行车体减振;当激励频率较高(7Hz以上)时,则利用与油压缸连通的气体弹簧室吸收振动能量而达到减振但是主动悬架的商品化存在严重困难,一是硬件价格昂贵;二是能量消耗过大,目前仅用于排量较大的高档车型。随着控制技术的发展,减少功率消耗、提高控制系统的集成化是主动悬架研究的主要任务。3汽车悬架系统的控制和振动控制目前,汽车悬架已进入到利用微处理器进行控制的时代,运用较优的控制方法,得到高性能的减振效果,且使能耗尽可能的低是汽车悬架发展的主要方向。汽车悬架振动控制系统大多由传感器拾取车身绝对速度、车身对车轮的相对速度、车身的加速度等信号,经计算机处理并发出指令进行控制。由电液控制阀或步进电机等执行机构调节减振器的阻尼系数或控制力。由于悬架系统是很复杂的非线性动力系统,因此基于模型的线性反馈控制是不适用的。应用现代控制理论保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的研究日益完善。3.1h最优预见控制最优控制是首先确定一个明确的目标函数,通过一定的数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。一般情况下,目标函数的确定要靠经验,最优控制的解只有在极少数情况下才能得出解析解,有的可以通过计算机得到数值解。在汽车悬架系统上应用的最优控制较多,常用的有线性最优控制、H线性最优控制是建立在系统较为理想的模型基础上,采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标,同时保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。例如,将线性二次型调节器控制理论和线性二次高斯型控制理论应用于车辆悬架系统以实现最优控制。H最优预见控制方法是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入,将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。由于这种控制技术可以通过某种方法提前检测到前方路面的状态和变化,将使控制系统有足够的时间采取措施。因此,可大大降低系统的能耗,且改善系统的控制性能。根据预见信息的测量及利用方法不同,可构成不同的预见控制系统,如对四轮全进行预见控制和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制对四轮全进行预见控制是在车的前部设有特殊的预见传感器,以测试前方路况,然后将信息传给控制器。控制器将相应信号送至四个轮中的每一个悬架执行机构,这种系统需要设置特殊的传感器。在利用前轮信息对后轮进行预见控制中,在决定后轮的控制指令时,控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息,而且也根据当时的车速和前后轮间的跨距,并考虑前轮各传感器所得到的信息。因此,在后轮的执行机构上,实行的是反馈加前向反馈的双作用控制。在该系统中无需设置特殊的预见传感器,只需改变控制软件,便可提高后轮的减振效果。采用最优预见控制方法,预见时间的选择对控制效果影响很大。3.2自适应控制方法自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的。自适应控制方法可以自动检测系统的参数变化,从而时刻保持系统的性能指标为最优。应用于汽车悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两种方法。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制方法。模型参考自适应控制的原理是:当外界激励条件和自身参数状态发生变化时,被控汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的汽车悬架减振器在德国大众汽车公司的汽车底盘上得到了应用。3.3模糊控制方法模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法,其最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型,使用语言变量代替数字变量,在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识,与人的智能行为相似。自90年代以来,模糊控制方法被应用在汽车悬架系统中。日本德岛大学芳村敏夫教授把模糊理论应用于汽车悬架半主动和主动控制系统,采用模糊推理分别构成半主动和主动控制规则,进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动,其结果证实了采用模糊控制方法的有效性。合肥工业大学方锡邦等人将模糊控制技术应用于汽车半主动控制悬架3.4神经网络建模目前,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力系统,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,它具有自动知识获得、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推广能力。神经网络具有可学习性和巨量并行性,故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。应用神经网络控制的非线性悬架系统,和用线性二次调节器控制的悬架相比,具有更好的性能4新型控制技术传统的被动悬架已不能满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。为了使悬架系统能够适应不同道路及速度条件,出现了一系列悬架减振控制技术,