車輛半主動懸架技術發展現狀和趨勢

懸架系統是汽車的重要組成部分之一。汽車懸架系統是指連接車身和車輪之間全部零部件的總稱，主要由彈簧、減振器和轉向機構三大部分組成，其作用是傳遞車輪和車架之間的一切力和力矩，并且緩和由不平路面傳給車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統的振動，以保證汽車的平順行駛。

半主動懸架是指懸架彈性元件剛度和減振器阻尼力之一或兩者均可根據需要進行調節的懸架。由于半主動懸架在控制品質上接近于主動懸架，且結構簡單，能量損耗小，成本低，因而具有巨大的發展潛力。

半主動懸架技術發展現狀

根據懸架的阻尼和剛度是否隨著行駛條件的變化而變化，可將懸架分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架。隨著生活水平的不斷提高，用戶對汽車舒適性的要求也越來越高，傳統的汽車懸架系統已不能滿足人們的要求。人們希望汽車車身的高度、懸架的剛度、減振器的阻尼大小能隨汽車行駛速度以及路面狀況等行駛條件的變化而自動調節，從而達到乘坐舒適性的提高。

1973年，美國加州大學戴維斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主動懸架的概念。其基本原理是：用可調剛度彈簧或可調阻尼的減振器組成懸架，并根據簧載質量的加速度響應等反饋信號，按照一定的控制規律調節彈簧剛度或減振器的阻尼，以達到較好的減振效果。半主動懸架分為剛度可調和阻尼可調兩大類。目前，在半主動懸架的控制研究中，以對阻尼控制的研究居多。阻尼可調半主動懸架又可分為有級可調半主動懸架和連續可調半主動懸架，有級可調半主動懸架的阻尼系數只能取幾個離散的阻尼值，而連續可調半主動懸架的阻尼系數在一定的范圍內可連續變化。

有級可調減振器

有級可調減振器阻尼可在2-3檔之間快速切換，切換時間通常為10-20ms。有級可調減振器實際上是在減振器結構中采用較為簡單的控制閥，使通流面積在最大、中等或最小之間進行有級調節。通過減振器頂部的電機控制旋轉閥的旋轉位置，使減振器的阻尼在“軟、中、硬”三檔之間變化。有級可調減振器的結構及其控制系統相對簡單，但在適應汽車行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性。連續可調減振器 連續可調減振器的阻尼調節可采取以下兩種方式：

1.節流孔徑調節

早期的可調阻尼器主要是節流孔可實時調節的油液阻尼器。通過步進電機驅動減振器的閥桿，連續調節減振器節流閥的通流面積來改變阻尼，節流閥可采用電磁閥或其它形式的驅動閥來實現。這類減振器的主要問題是節流閥結構復雜，制造成本高。

2.減振液粘性調節

使用黏度連續可調的電流變或磁流變液體作為減振液，從而實現阻尼無級變化，是當前的研究熱點。電流變液體在外加電場作用下，其流體材料性能，如剪切強度、粘度等會發生顯著的變化，將其作為減振液，只需通過改變電場強度，使電流變液體的粘度改變，就可改變減振器的阻尼力。

電流變減振器的阻尼可隨電場強度的改變而連續變化，無須高精度的節流閥，結構簡單，制造成本較低，且無液壓閥的振動、沖擊與噪聲，不需要復雜的驅動機構，作為半主動懸架的執行器是一個非常好的選擇。但電流變液體存在著一些問題，如電致屈服強度小，溫度工作范圍不寬，零電場粘度偏高，懸浮液中固體顆粒與基礎液體之間比重相差較大，易分離、沉降，穩定性差，對雜質敏感等。要使電流變減振器響應迅速、工作可靠，必須解決以下幾個問題：①設計一個體積小、重量輕、能任意調節的高壓電源。②為保證電流變液體的正常工作溫度，有一個散熱系統。③高壓電源的絕緣與封裝。國外如德國Bayer公司和美國Lord公司都已有電流變減振器產品。

磁流變液體是指在外加磁場的作用下，流變材料性能發生急劇變化的流體。通過控制磁場強度，可實現磁流變減振器阻尼的連續、無級調節。

磁流變減振器具有電流變減振器相似的特點，磁流變液是一種由細小的磁性顆粒懸浮于絕緣介質中形成的液體。其黏度隨著外加磁場強度的增加而遞增，直至半固態，而一旦外加磁場消失，它又自行恢復原狀，整個過程可在毫秒級時間內完成。美國Lord公司、福特公司、德國BASF等紛紛投入巨資進行了研究，如Lord公司開發的磁流變液MRX-126PD，采用單出桿活塞缸結構設計的磁流變減振器已用于大型載貨汽車半主動懸架減振系統。

電流變液與磁流變液的特性如下表所示，它們都能滿足汽車工作要求。但在屈服應力、溫度范圍、塑性粘度和穩定性等性能方面，磁流變液體強于電流變液體。

半主動懸架控制策略

近年來，國內外學者對半主動懸架控制方法進行了大量的研究，控制方法幾乎涉及到所有的控制理論的所有分支，許多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最優控制、自適應控制、神經網絡控制、滑模變結構控制、模糊控制等在半主動懸架上得到了應用。

天棚阻尼控制

天棚阻尼控制方法是最早提出的控制方法。該控制方法是由美國D.KARNOPP教授提出，在早期的半主動懸架上得到了廣泛應用，但天棚阻尼控制只解決了懸架系統的舒適性而沒有很好解決操縱穩定性問題。因此，目前研究的重點是改進型的天棚阻尼控制方法。

最優控制

最優控制是一種理論上最成熟、應用最廣泛的控制方式，它一般可分為線性最優控制、最優預測控制和H∞最優控制。線性最優控制是；陣LQ(Linear—Quadratic)控制理論應用于車輛懸架系統中，其性能指標函數采用系統的狀態響應與輸入的加權二次型，在保證受控結構動態穩定性的條件下，把線性二次型調節控制器理論和線性二次高斯型控制理論用于車輛半主動懸架系統中實現最優控制。H∞最優控制是在閉環系統各回路穩定的條件下，相對于噪聲干擾的輸出取極小值的一種最優控制方式，在車身質量、輪胎剛度、減振阻尼系統、車輛結構等存在不確定變化誤差時，采用H∞最優控制可使車輛懸架系統的減振控制具有較強的魯棒性。

自適應控制

自適應控制具有參數辨識功能，能適應懸架載荷和元件特性的變化，自動調整控制參數，保持其性能最優。應用于車輛懸架系統自適應控制方法主要有模型參考自適應控制和自校正控制兩類，其中自校正控制是目前應用較廣的一類。采用自適應控制的車輛懸架阻尼減振系統能改善車輛的行駛特性，在德國大眾汽車公司的底盤得到了應用。

預測控制

車輛懸架系統的預測控制是指通過傳感器；陣車輛前方路面信息預先傳給懸架裝置，使參數的調節與實際需求同步。預測控制可以通過某種方法提前測得前方路況的信息，使得控制系統有足夠的時間采取措施。預測控制可以分為兩類：一是用前輪懸架的狀態信息對后輪懸架進行預測控制；二是測量車輛行駛過程中前方道路的狀態信息，以此信息來對前后輪懸架進行預測控制。采用預測控制的關鍵是要獲得具有一定精度、不受干擾和反映路面真實情況的信息。由于車輛參數的時變性和非線性對系統性能的影響，使得具有預測控制性能的半主動懸架研究具有一定困難。

神經網絡

神經網絡是近20年來迅速發展起來的一門新興交叉學科，它是以大量處理單元(神經元)為節點，按某種拓撲結構所構成的高度并行的非線性動力學系統，其特點是具有自學習能力和大規模并行處理的能力，因而在車輛懸架系統減振控制中有著廣泛的應用前景。

目前，神經網絡控制方法越來越多地應用在特定環境以及采用固定描述方式的多種目的的設計中。汽車半主動懸架系統具有非線性特點，常規的控制策略對非線性系統有一定的局限性，神經網絡的控制方法在車輛懸架控制系統中有著廣泛的應用前景。

滑模變結構控制

滑模變結構控制是控制理論的一個重要分支。它適用于線性或非線性系統，方法簡單，易于實現，對模型參數的不確定性和外界擾動具有高度的魯棒性。滑模變結構控制本質上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現為控制的不連續性，這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統的“結構”并不固定，而是可以在動態過程中根據系統當前的狀態(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動，由于滑動模態可以進行設計且與對象參數及擾動無關，這就使得變結構控制具有快速響應、對參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辯識，物理實現簡單等優點。

模糊控制

自20世紀90年代以來，模糊控制被應用到汽車半主動懸架系統的控制中。模糊控制是一種新型智能控制技術，與傳統控制相比，其系統的魯棒性好，尤其適用于非線性、時變和滯后系統。它的最大特點是允許控制對象沒有精確的數學模型，使用語言變量代替數字變量，與人的智能行為相似，由于車輛的部分參數經常變化以及在不同道路條件下行駛等特點，模糊控制尤為使用。

半主動懸架發展趨勢

汽車懸架控制系統的研究與開發是車輛動力學與控制領域的國際性前沿課題，開發具有安全、舒適和清潔高效、節能、智能控制的懸架是車輛懸架系統發展的方向。

(1)控制策略的研究。半主動懸架系統的控制幾乎涉及了所有的現代控制理論和方法，但由于每種控制方法都有其各自的優缺點，因此，綜合應用多種控制方法是半主動懸架控制發展的方向。

(2)控制器的研究。智能化控制器能夠根據路況和汽車振動等信息，自動地調節懸架系統的參數，使汽車具有良好行駛平順性和穩定性。

(3)可控減振器的研制。研究與開發可靠的電流變和磁流變可控減振器。開發低成本和高可靠性的傳感器，以及高性能微處理器是半主動懸架實用化的前題。目前，磁流變液雖然已進入商品化階段，但在減振器上使用還存如噪聲、耐久性、穩定性等問題，還需進一步深入研究。