汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀



汽車的平順性主要與車輛懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相關(guān)。懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往有3個(gè)目標(biāo):減小車身垂直加速度、懸架動(dòng)變形及輪胎動(dòng)載荷。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)難以同時(shí)滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的需求,對(duì)于這一點(diǎn)主動(dòng)懸架系統(tǒng)卻能滿足。Hrovat通過大量仿真分析計(jì)算發(fā)現(xiàn):與被動(dòng)懸架系統(tǒng)相比,在保證同樣的車輪跳動(dòng)量的情況下,主動(dòng)懸架系統(tǒng)對(duì)簧上質(zhì)量的平順性改善在20%以內(nèi),駕駛員或許不容易察覺這種改善。

主動(dòng)懸架的最大優(yōu)點(diǎn)則在于能自動(dòng)適應(yīng)于不同的道路、不同車速的情況。譬如當(dāng)車輛直線行駛在不平路面上,在無(wú)側(cè)向風(fēng)擾動(dòng)時(shí),便可適當(dāng)增加車輪跳動(dòng)量,來?yè)Q取大幅度地改善車輛的平順性;當(dāng)車輛行駛在彎道上時(shí),則可以選取不同的反饋增益來保證較好的操縱穩(wěn)定性。與被動(dòng)懸架系統(tǒng)相比,簧下質(zhì)量的減少對(duì)車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的平順性和操縱穩(wěn)定性的改善更大。對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的建模研究最初是從一自由度1/4車模型開始的。對(duì)主動(dòng)懸架中采用最優(yōu)控制方法的研究作了詳盡的回顧與分析,對(duì)路面模型的研究進(jìn)展及主動(dòng)懸架不同簡(jiǎn)化模型結(jié)合最優(yōu)控制的應(yīng)用情況作了細(xì)致的分析。對(duì)于主動(dòng)或半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言,往往都需要構(gòu)建相應(yīng)的簡(jiǎn)化模型,如1/4車模型,1/2車模型或整車模型,如圖1所示。
汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖1

在主動(dòng)懸架技術(shù)的研究中,大多數(shù)忽略了輪胎的垂向阻尼特性.盡管輪胎垂向阻尼相對(duì)輪胎垂直剛度來說很小,但是用來改善車輛極限潛力時(shí)還是具有一定的意義。少部分研究者對(duì)上述問題進(jìn)行了研究.如Levitt等就研究了輪胎阻尼對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的影響.指出非零的輪胎阻尼特性將簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量在所有的頻率范圍內(nèi)都關(guān)聯(lián)起來,并通過主動(dòng)控制力降低車輪頻率處的簧上質(zhì)量垂直加速度。

輪胎阻尼對(duì)于評(píng)價(jià)簧上質(zhì)量的影響很大,在車輛直線行駛過程中,將輪胎的阻尼設(shè)為o.02,可使簧上質(zhì)量的垂直加速度均方根值降低約30%。Turkay等也對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,指出當(dāng)考慮輪胎阻尼時(shí),傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)的局限性不復(fù)存在。Karnopp同樣也針對(duì)此問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析,同時(shí)指出盡管簡(jiǎn)單的1/4線性懸架模型存在較強(qiáng)的局限性,但是對(duì)于設(shè)計(jì)出新的性能更優(yōu)的懸架系統(tǒng)依然存在著巨大的潛力。

影響汽車平順性的因素除懸架系統(tǒng)外.還有發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)和座椅,而懸架系統(tǒng)除了能改善車輛的平順性外,還能夠提高車輛的抗側(cè)翻穩(wěn)定性[7—3|。主動(dòng)懸架系統(tǒng)由于能夠兼顧汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性,因此一直以來都是研究的熱點(diǎn)。主動(dòng)懸架控制算法和作動(dòng)器的性能更是決定懸架系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

車主動(dòng)懸架控制算法的研究現(xiàn)狀


1.1最優(yōu)控制

最優(yōu)控制理論在車輛動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.它是應(yīng)用極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)原理,求解一類帶有約束條件的泛函極值問題。首先,最優(yōu)控制的一個(gè)基本要求就是要建立車輛系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型.而參數(shù)的不確定性以及執(zhí)行器的時(shí)滯等因素可能導(dǎo)致某些工況下控制系統(tǒng)的性能較被動(dòng)系統(tǒng)還差.甚至出現(xiàn)失穩(wěn)形成混沌狀態(tài)等情況。其次,目標(biāo)函數(shù)權(quán)重矩陣的取值反映了不同控制性能指標(biāo)之間的重視程度,合理地選擇權(quán)重系數(shù)也變得至關(guān)重要。在汽車懸架系統(tǒng)中獲得應(yīng)用的有線性最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)瞄控制等。

最優(yōu)控制在主動(dòng)懸架中的應(yīng)用情況如下:Hrovat針對(duì)1/4車懸架一自由度模型、1/4車懸架二自由度模型、1/2車懸架四自由度模型及整車懸架七自由度模型.分別結(jié)合最優(yōu)控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和回顧.表明了最優(yōu)控制理論對(duì)主動(dòng)懸架的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用.而Louam等和Langlois等。則采用最優(yōu)預(yù)瞄控制對(duì)懸架系統(tǒng)的性能進(jìn)行了進(jìn)一步的提升。

1.2魯棒控制

魯棒控制和/1綜合分析可看作是最優(yōu)控制發(fā)展的延伸。魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅僅是針對(duì)某一單個(gè)控制對(duì)象模型,而且是面向某一個(gè)集合的控制對(duì)象模型來進(jìn)行設(shè)計(jì)的,所開發(fā)出的控制器對(duì)屬于這個(gè)集合的所有控制對(duì)象均應(yīng)保證穩(wěn)定性和預(yù)定的性能指標(biāo)。因此魯棒控制理論首先要研究的是不確定系統(tǒng)的描述問題。不確定性亦可分為非結(jié)構(gòu)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性兩大類。魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想是找到不確定性變化的范圍,并在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行最壞情況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),確定受控系統(tǒng)中模型不確定性和外界擾動(dòng)不確定性的變化范圍也是一個(gè)非常重要的問題。針對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)中模型不確定因素.采用結(jié)構(gòu)奇異值u綜合分析方法對(duì)LQG控制的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了魯棒穩(wěn)定性的分析研究,分析發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)奇異值控制器能保證不確定主動(dòng)懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性.而最大奇異值控制則不能保證其穩(wěn)定,這主要是因?yàn)橹鲃?dòng)懸架系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的不確定性,而“綜合分析能夠進(jìn)行識(shí)別。則采用天棚阻尼控制和日??刂茖?duì)線性主動(dòng)懸架進(jìn)行了對(duì)比分析研究,指出日??刂圃趯?shí)際應(yīng)用之前還需進(jìn)行控制器的縮減。

1.3自適應(yīng)控制

除最優(yōu)控制和魯棒控制外.自適應(yīng)控制在汽車懸架系統(tǒng)控制中也得到了較大的應(yīng)用.它是針對(duì)具有一定不確定性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方法,其基本要求也是建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制。前者是一種將受控對(duì)象參數(shù)在線識(shí)別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法,而后者則是當(dāng)外界激勵(lì)條件和自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),被控對(duì)象的振動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄P汀>捎米赃m應(yīng)控制方法來提高懸架系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

1.4模糊控制

模糊控制可近似看作自適應(yīng)控制的一種.它是一種新型的智能控制.模仿人工控制活動(dòng)中人腦的模糊概念和成功的控制策略.運(yùn)用模糊數(shù)學(xué).將人工控制策略用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。模糊控制不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型,因而對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感,具有很強(qiáng)的魯棒性。另外,它的控制算法是基于若干條控制規(guī)則.算法非常簡(jiǎn)捷。則采用模糊控制方法對(duì)主動(dòng)懸架進(jìn)行了相應(yīng)的研究分析。其中,采用子系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)的控制方法對(duì)整車主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究。且與最優(yōu)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,表明采用協(xié)調(diào)控制的綜合控制策略在設(shè)計(jì)階段能夠提供更有效的幫助。且系統(tǒng)的魯棒性也會(huì)得到提高。則將模糊控制與基因遺傳算法和PID控制進(jìn)行了有效的結(jié)合,進(jìn)一步提高了車輛的平順性。則基于單一的模糊規(guī)則對(duì)帶有動(dòng)力吸振器的主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究.表明所提出的控制方法能有效地抑制不平路面所造成的車輛振動(dòng)。

汽車主動(dòng)懸架用作動(dòng)器的研究現(xiàn)狀


汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)另外一個(gè)關(guān)鍵要素是作動(dòng)器或執(zhí)行器(即力發(fā)生器),其性能的好壞對(duì)控制算法和懸架系統(tǒng)甚至整車性能都有著至關(guān)重要的影響,因此對(duì)作動(dòng)器的研究越來越得到研究者們的關(guān)注。迄今為止.研究者們開發(fā)了多種不同類型的主動(dòng)懸架作動(dòng)器.歸納起來大致可分為空氣/液壓主動(dòng)懸架、電磁鐵主動(dòng)懸架、滾珠絲桿主動(dòng)懸架和電磁直線式主動(dòng)懸架等幾大類。

2.1空氣/液壓主動(dòng)懸架

早期的主動(dòng)懸架主要包括空氣主動(dòng)懸架和液壓主動(dòng)懸架。電控空氣懸架采用傳感器檢測(cè)車速、油門開度、方向盤轉(zhuǎn)角及車身高度等。通過控制彈簧的剛度、阻尼力和高度等來改變作動(dòng)器的控制力。將液壓主動(dòng)懸架系統(tǒng)安裝在Infiniti Q45豪華轎車上。采用天棚阻尼和頻率阻尼裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主動(dòng)懸架系統(tǒng)在汽車工業(yè)
和軍事上的應(yīng)用作了相應(yīng)的介紹,指出商用車旨在提高舒適性和操穩(wěn)性.而軍用車輛著重于提高越野性能。在主動(dòng)懸架先驅(qū)英國(guó)的Lotus Engi—neering公司成功研制出主動(dòng)懸架后,緊跟其后的又有大量汽車公司進(jìn)行了研究如Ford和GM。

為了充分利用汽車界的主動(dòng)懸架技術(shù),美國(guó)軍方聯(lián)手Lotus Engineering公司開展了高機(jī)動(dòng)性多功能車輛研究項(xiàng)目.所采用的控制算法綜合了天棚控制、最優(yōu)控制、基因遺傳及模糊控制等多種控制方法。早期的奔馳CL500車型上采用有液壓主動(dòng)懸架系統(tǒng),系統(tǒng)采用有13個(gè)車載傳感器,每10ms調(diào)整一次乘坐參數(shù)。在2018年巴黎車展上,又發(fā)布了在奔馳GLE車型上量產(chǎn)的48 v空氣主動(dòng)懸架系統(tǒng),該系統(tǒng)可單獨(dú)控制4個(gè)空氣彈簧,進(jìn)一步減小不平路面引起的顛簸感和車身側(cè)傾,如圖2所示。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖2
在奧迪新A8車型上.在空氣懸架和阻尼控制的基礎(chǔ)上,開發(fā)了電子主動(dòng)車身控制系統(tǒng),如圖3所示。該系統(tǒng)通過48 V電氣系統(tǒng)操作完成,將電機(jī)的扭矩通過帶輪傳遞給軸齒輪,再進(jìn)一步傳遞給扭力桿。最后通過連桿將扭矩傳遞到懸架支柱。此外,該懸架系統(tǒng)還可提前獲取車輛前方的不平路面信息。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖3

2.2滾珠絲桿主動(dòng)懸架

人從機(jī)械和電子角度出發(fā),設(shè)計(jì)并研制了一種滾珠絲桿主動(dòng)懸架系統(tǒng),如圖4所示。并在此基礎(chǔ)上,通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的手段獲得了此作動(dòng)器的頻響特性和能量回收特點(diǎn)。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖4

滾珠螺旋傳動(dòng)式無(wú)刷電機(jī)懸架作動(dòng)器。對(duì)電機(jī)作動(dòng)器的彈性元件、滾珠絲桿和無(wú)刷電機(jī)等部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).以及對(duì)其輸出特性進(jìn)行了分析和推導(dǎo)。初步驗(yàn)證了滾珠螺旋傳動(dòng)式無(wú)刷電機(jī)作動(dòng)器的有效性。

2.3永磁式/感應(yīng)式電磁懸架

目前,隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展,基于電磁原理的主動(dòng)懸架作動(dòng)器研究得到了廣泛關(guān)設(shè)計(jì)了一種新型的懸架系統(tǒng),使懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)變化相對(duì)較高,同時(shí)機(jī)械減振器相差太大。此減振器與傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)并聯(lián)安裝,通過改變初級(jí)線圈上的電壓來調(diào)整減振器的阻尼系數(shù).一旦控制信號(hào)或電源失效.被動(dòng)懸架系統(tǒng)仍可正常工作。考慮到懸架的空間限制及重量等不至于與傳統(tǒng)的。

還將液壓主動(dòng)懸架和電磁主動(dòng)懸架的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比,其中,液壓主動(dòng)懸架系統(tǒng)和電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖5所示,其中圖5(a)為單輪液壓主動(dòng)懸架系統(tǒng),圖5(b)為單輪電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖5
在液壓主動(dòng)懸架系統(tǒng)中。由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵從而為懸架系統(tǒng)供給能量,其中液壓閥的動(dòng)作由低功率的電磁作動(dòng)器來控制。進(jìn)一步來控制作動(dòng)器的主動(dòng)力。而在電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)中,由帶有充電功能的電池系統(tǒng)取代了復(fù)雜和昂貴的液壓能源系統(tǒng),因而不再需要液壓閥和液壓作動(dòng)系統(tǒng),通過功率電子轉(zhuǎn)換器所控制的電磁作動(dòng)器成為這種懸架系統(tǒng)的核心部件。

相對(duì)液壓懸架系統(tǒng)而言,電磁懸架系統(tǒng)中的功率電子元器件要多,然而后者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于具有較少的部件和機(jī)械部分,系統(tǒng)配置更為簡(jiǎn)單。還通過有限元仿真分析和計(jì)算.研制了一種2相軸向充磁的圓筒型永磁直線作動(dòng)器,如圖6所示。此試驗(yàn)裝置中路面激勵(lì)的模擬不再通過液壓方式來實(shí)現(xiàn)。而是采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)周邊含有凸起和凹坑的電動(dòng)輪來實(shí)現(xiàn)。通過試驗(yàn)研究,Martins等得出作動(dòng)器電磁力的大小基本上與相電流的幅值成正比,因此,可通過控制相電流從而達(dá)到控制電磁力的目的。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖6

提出了一種電磁懸架系統(tǒng).通過多種不同結(jié)構(gòu)配置的優(yōu)化分析與計(jì)算.表明了此無(wú)刷永磁圓筒型直線作動(dòng)器是適用于主動(dòng)懸架系統(tǒng),如圖7(a)所示。其中圖7(a)左半部分為傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng),圖7(a)右半部分為文中所提出的電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)。采用此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因是:圓筒型結(jié)構(gòu)的效率高且具有優(yōu)良的伺服特性,另外由機(jī)械彈簧支撐簧上質(zhì)量,不再需要持續(xù)的能量供給。此懸架系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)考慮到路面干擾及主動(dòng)側(cè)傾和俯仰控制的影響。圖7(b)為1/4車模型的試驗(yàn)測(cè)試圖,該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)量塊重450kg,忽略了車輪的動(dòng)力學(xué).同時(shí)還包含BMW545i的被動(dòng)懸架以及所研制的三相無(wú)刷永磁圓筒型電磁作動(dòng)器。采用前饋和PID反饋控制策略來確保作動(dòng)力的良好跟蹤,試驗(yàn)表明所研制的電磁作動(dòng)器能完整地跟蹤被動(dòng)懸架系統(tǒng)的阻尼力。
汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖7
用電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)可消除車身的俯仰和側(cè)傾,仿真分析表明,與被動(dòng)懸架系統(tǒng)相比,電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)的車身側(cè)傾角可減小94.4%。同樣利用管型永磁直線電機(jī)來充當(dāng)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的作動(dòng)器,通過線性最優(yōu)控制理論與Kalman濾波器設(shè)計(jì).并結(jié)合模糊控制方法,對(duì)1/4車主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究。與被動(dòng)懸架系統(tǒng)相比,文中提出的模糊控制方法可衰減路面擾動(dòng)的78%。文中所采用的永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)臺(tái)布置如圖8所示。此試驗(yàn)裝置中路面的模擬依然采用電動(dòng)輪的方式來實(shí)現(xiàn)。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖8
一種感應(yīng)式直線電磁作動(dòng)器,并建立了作動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合最優(yōu)控制理論和矢量控制方法.對(duì)包含作動(dòng)器動(dòng)力學(xué)模型的車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了正弦路面激勵(lì)下的仿真分析。Bose公司前后花費(fèi)30年時(shí)間和5000萬(wàn)美金,于2004年已研制出車輛電磁懸架,并通過樣車測(cè)試,如圖9所示,Bose懸架系統(tǒng)將直線電磁馬達(dá)當(dāng)作傳感器和執(zhí)行器,當(dāng)車輪向上或萬(wàn)方數(shù)據(jù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí),電機(jī)會(huì)向控制單元發(fā)出信號(hào),表明車輛遇到凸包或凹坑;而控制單元?jiǎng)t會(huì)向每一個(gè)電機(jī)供給適當(dāng)?shù)碾娏鲝亩3周嚿砥椒€(wěn)。但受成本和功耗制約.直至在被ClearMotion公司收購(gòu)之前,依然沒能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。向下運(yùn)動(dòng)時(shí),電機(jī)會(huì)向控制單元發(fā)出信號(hào),表明車輛遇到凸包或凹坑;而控制單元?jiǎng)t會(huì)向每一個(gè)電機(jī)供給適當(dāng)?shù)碾娏鲝亩3周嚿砥椒€(wěn)。但受成本和功耗制約.直至在被ClearMotion公司收購(gòu)之前,依然沒能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀的圖9

結(jié)束語(yǔ)


汽車主動(dòng)懸架經(jīng)過多年的理論研究和實(shí)踐發(fā)展.面臨的主要挑戰(zhàn)依然在于作動(dòng)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。目前由于受成本和功耗制約,電磁主動(dòng)懸架的產(chǎn)量還未取得突破.主動(dòng)懸架作動(dòng)器開發(fā)過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主動(dòng)控制力或者位移.而產(chǎn)生和跟蹤所需的控制力或位移實(shí)際上并不簡(jiǎn)單.尤其要綜合考慮使用成本、實(shí)際封裝、重量及由此帶來的能量消耗等眾多因素。

控制算法作為主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)開發(fā)中的另一個(gè)關(guān)鍵因素,一方面要考慮算法自身的魯棒性和適應(yīng)性.另外還應(yīng)結(jié)合作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性,而且未來還將以汽車整車安全性作為首要目標(biāo)進(jìn)行考慮。先進(jìn)的主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)一方面要通過計(jì)算機(jī)仿真分析、臺(tái)架試驗(yàn),另外最終還需通過整車道路的驗(yàn)證試驗(yàn)來進(jìn)行評(píng)估。綜合來看,汽車懸架系統(tǒng)的性能優(yōu)越程度將取決于智能的控制軟件和設(shè)計(jì)精巧的作動(dòng)器硬件兩者之間的完美結(jié)合程度?;谲囕v頂層目標(biāo)和模型化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程。以及汽車電子、微控制器和相應(yīng)傳感器技術(shù)的發(fā)展.未來的懸架系統(tǒng)也將更加智能和節(jié)能。


- End -

登錄后免費(fèi)查看全文
立即登錄
App下載
技術(shù)鄰APP
工程師必備
  • 項(xiàng)目客服
  • 培訓(xùn)客服
  • 平臺(tái)客服

TOP

4