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乘用车半悬架系统国内外研究综述

顾笑
摘 要：文章论述了汽车悬架系统的概念、国内外研究现状、发展现状，综合论述了半主动悬架系统在控制策略、控制器、可控减震器的研究。
关键词：汽车半主动悬架;控制策略
：U461.99  ：B  ：1671-7988（2020）10-258-03
A Review of Domestic and Foreign Research on Passenger Car Semi-suspension System
Gu Xiao
（ Jiangsu University， Jiangsu Zhenjiang 212000 ）
Abstract： This paper discusses the concept of automobile suspension system， the research status and development status at home and abroad， and comprehensively discusses the research of semi-active suspension system in control strategy， contro -ller， controllable shock absorber.
Keywords： Vehicle Semi-active Suspension; Control Strategy
CLC NO.： U461.99  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）10-258-03
1 引言
汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由减振器、弹簧和转向机构三大部分组成，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架（或车身）的冲击载荷，减小由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平顺行驶。悬架系统是车辆的一个重要组成部分。
随着生活水平的提高，人们对于车辆的节能 、环保、智能、安全、舒适性的要求越来越高，而车辆行驶的舒缓稳定性和掌控可靠性一定程度上由汽车悬架性能的优劣决定的。旧有的悬架系统的提升空间已经很小;而主动悬架虽然性能较好，但成本与能耗较大;半主动悬架系统能兼顾性能与能耗两部分，比起传统被动悬架系统与主动悬架系统更被人们所应用，可发展空间也较大，是一种具有巨大潜力与发展前景的悬架系统。
2 国外研究现状
自汽车进入人们的生活，如何将车辆的悬架设计得更好更能应用到日常出行中？专家对此一直没有停歇。
最开始的车辆悬架系统是使用的是装在马车的钢板，效果可想而知。20世纪初，螺旋性弹簧用于车辆，这在当时出现了两种声音。一个是强烈要求安装刚性较强的螺旋弹簧，以便车轮保持着与地面接触的态势，提高轮胎与地面的契合性，但如此一来，带来一个问题：颠簸感较强烈。另一个，要求采用刚性较软的，以面对凹凸不平的路面，提高车辆平衡稳定性及乘坐的舒适性，但发现，操纵上有些难把握。
大概在此二十年后，独立悬架出现，并保持着持续发展。减振器也由当初的摩擦式进化成液力式。这些发展，本质还是改良，仍属于被动式，依旧存在着很大局限性。
1973年，美国加州大学的D.A.Crosby和D.C.Karnopp第一次提出了半主动悬架的概念，基本原理是：用可调阻尼的减振器或可调刚度弹簧组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信息，按照一定的控制规律，调节减振器的阻尼或弹簧刚度，以达到更好的减振效果。1974年，Margolise等人研究创造的半主动悬架是由“开关”控制的，在后来的改进中，逐渐得到广泛的应用。1986年，英国的CroellaD.A等人推出了一种非路面车辆的半主动悬架系统，经过实践，此悬架系统的性能比被动悬架系统的性能要更好。2001年，日本的Katseuya等人对铁路车锈机械技术上的主动和半主动悬架的控制策略进行了设想。2006年，比利时的Swevere等人提出了一种无模型显架控制结构。
2003年，Lord公司和Delph公司联手，成功研发出磁流变液体半主动悬架，并在一些装备上使用。磁流变液体是指在外加磁场的影响下，流变材料性能发生剧烈变化的流体;控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的无级、连续调节，而磁流变减振器和电流变减振器有相似的特点。美国福特、德國BASF等公司投入巨资对此进行了研究实践，如Lord开发的磁流变液MRX-126PD，研发出单出杆活塞缸结构的磁流变减振器，用于大型载货汽车半主动悬架减振系统，达到了较好的效果。
但如果只靠减振器调节阻尼来提高半主动悬架系统的性能显然是不够的，还可通过改变弹性元件的刚度来实现更好的减震。
Hubbard和Margolia于1976年提出，可通过改变弹簧刚度来减少振动。1977年，Hubard等人提出切换空气弹簧来实现半主动悬架刚度的调节。1993年，美国的Youne等人建立了自由度四分之一半主动悬架模型。2006年，日本Yangeng Liu等建立了2个阻尼可调的减疾器和2个刚度不发生变化的弹簧构成的半主动悬架建模，在空气悬架的前提下，达到弹性元件刚度的可调控。G.J.Stein借助前馈与反馈融合的“天棚”掌控理念，借助比例压力控制阀实现了对空气弹簧的把控。福特、丰田汽车公司也都陆续地推出了电子掌控空气悬架系统，这一系统依据车载质量、车速、地面情况等，对其刚度实现有级把控。
3 国内研究现状
我国研究起步有些晚，与国外差距较大。但在国外努力研究实践的同时，国内的专家学者也进行了一些富有成效的研究。
如重庆大学的舒去字研究了主动悬架的模型试验;北京理工大学的张鸣在半主动悬架的阻尼调节理论研究上收获颇丰;武汉理工大学深入研究了附加辅助气室的空气悬架动态特性……再比如，青岛大学提出，可通过全新的免疫粒子群混合优化算法来达到对悬架系统的把控。这一控制相较于原先的应用系统的使用，如随机线性最优控制（OG）、预测控制、鲁棒控制、模期控制和神经网络控制等有着系统控制精度更高、响感速度更快的优势。随着制造业信息化现代化进程的加快，这种控制满足了人们对半主动悬架控制系统越来越高的要求。一定程度上也解决了传统的控制方法由于计算量大、实时性差等导致系统产生很大的误差，以致控制效果不理想的问题。专家学者们利用免疫系统的记忆和自我调节功能，提高粒子群界法的全局搜索能力，使其效率高，速度快，搜索精度好，可以快速、有效地找到最优解，提高了汽车整体的控制性能，减少了可能由于控制不理想导致的汽车安全风险。
总的来看，我国先借助建立车辆悬架系统动力模型，来集成设计传感操作及电路和控制电源、执行元件等;制订相应的控制运算，有机整合，形成半主动悬架智控系统。为了节省有限的资源，减少重复试验，运用刚体动力学仿真软件来对整合的智控体系予以验证;随后，在试验室内对此智控体系予以随机的振动检测，并依据不同的测试结果修改不同的预设算法;最终在上路试行检测，对悬架系统的减震性能综合评价，反复实践，不断完善。现在又再进一步，对半主动悬架系统和其他电子控制系统，如防抱死、驱动、转向等进行整体研究，集中控制，对各元件和功能有效融合，最终形成集成式的电控底盘。这样的研究实践先易后难先简后繁，事实证明，科学有效。在这当中，天棚阻尼控制、PID控制、自适应控制、神经网络控制等控制方法得到了广泛的研究与应用。这些控制策略可以适应于多种状态下的半主动悬架系统;但同时，它们也存在共同的问题，就是难以兼顾半主动悬架的稳定性和鲁棒性能，从而导致整车性能只能折中考虑，不能兼顾各种工况下的车辆性能。所以，在解决半主动悬架的稳定性和鲁棒性能相协调的问题上，还有更大的研究空间。
4 发展现状
社会飞速发展，半主动悬架研究也与时俱进。他的研究主要集中在改变减振器阻尼系数这一方面，其中阻尼调节可采用以下两种方式：有级可调减振器阻尼调节和无级可调减振器阻尼调节。
有级是借助控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化，构造比较简单，便于操作，但不能完全契合适应复杂多变的路况。无级则采用的是连续阻尼可调诚振器和电/磁流减振器两种方法，其中电/磁流减振器采用的电/磁流粘度可调的液体来达到阻尼的变化，连续阻尼可调是通过控制节流孔径的调节进而控制节流阀的流通面积来连续调节阻尼，结构简单，成本不高，且噪声小，冲击弱，驱动机构简易方便，有一定的潜力与发展前途。
5 综合论述
由车辆系统垂向动力学模型可知，描述车身运动的模型参数载荷、悬架刚度和悬架阻尼的一些参数涉及路面干扰随机性等问题，由于原有控制难以处理不确定性的问题，在系统的鲁棒稳定性同时难以兼顾其鲁棒性能，因此鲁棒控制成为车辆控制领域中的研究热点。而由于车辆的载荷工况多变性和行驶道路的随机性，使得车辆在实际行驶过程中存在相当的不确定性，譬如载荷、悬架刚度及阻尼等参数变化和路面激励的干扰及未建模误差等。车辆系统标准模型却未能考虑参数化变化、外界干扰和未建模误差等，因此传统的以车辆系统标准模型进行悬架控制器的设计方法难以兼顾稳定性和鲁棒性能，这就必须通过半悬架系统的研究来兼顾车辆系统的稳定性和性能。
在半主动悬架的研究中，实施刚度控制比阻尼控制困难得多，这是由于车辆弹性件需承受车子的净载，因此，在当前的智控研究中，以对阻尼控制的研究居多，而对改变弹性元件来提高半主动悬架系统的性能研究较少。
开发具有安全、舒适和清洁高效、节能、智能控制的悬架是车辆悬架系统发展的方向。而半主动悬架系统主要在控制策略，控制器，可控减振器以期有所突破。
5.1 控制策略的研究
半主动悬架系统的控制基本上涉及了所有的现代控制理论和方法，但由于各种控制方法皆有优劣，没有一种能达到十全十美，因此，综合应用多种控制方法，或者优化某种控制方法是半主动悬架控制发展策略研究的方向。
5.2 控制器的研究
智能化控制器能根据路况和车辆振动等信息，自动地调节悬架系统的参数，使车辆具有良好的行驶平顺性、稳定性和舒适性。
5.3 可控减振器的研制
可靠的电流变和磁流变可控减振器，低成本、环保和高可靠性的传感器以及高性能微处理器是实现半主动悬架更优化更实用化的前题。目前，磁流变液虽然已进入商品研发、应用，但在减振器的应用上，还存噪声大、耐久性不强、稳定性较差等问题，还需进一步深入研究。
事实证明，评估悬架性能优劣的主要标准由两点构成：平稳顺畅和掌控的稳定。但两者常常不能兼顾;所以，什么样的半主动悬架系统能更好地在二者之间取得合理的平衡，以达到最好效果，这就成了当前需要持续研究的课题，这也是车辆能否得以发展的一个重要因素。
参考文献
[1] 朱华.半主动悬架的研究现状与发展趋势[J].汽车与配件，2009（18）： 33-35.
[2] 朱明.汽车半主动悬架系统的建模研究[D].重庆大学， 2004.
[3] 严天一，任坤儒，王玉林.车辆半主动悬架系统模糊混合控制策略[J].农業机械学报，2012，43（12）：11-15.

-全文完-