汽車(chē)空氣懸架的應(yīng)用與發(fā)展.doc

汽車(chē)空氣懸架的應(yīng)用與發(fā)展 空氣懸架誕生于十九世紀(jì)中期，早期用于機(jī)械設(shè)備隔振。1947年，美國(guó)首先在普耳曼汽車(chē)上使用空氣懸架，意大利、英國(guó)、法國(guó)及日本等國(guó)家相繼對(duì)汽車(chē)空氣懸架作了應(yīng)用研究。經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，到二十世紀(jì)五十年代才被應(yīng)用在載重車(chē)、大客車(chē)、小轎車(chē)及鐵道汽車(chē)上。目前國(guó)外高級(jí)大客車(chē)幾乎全部使用空氣懸架，重型載貨車(chē)使用空氣懸架的比例已達(dá)80%以上，空氣懸架在輕型汽車(chē)上的應(yīng)用量也在迅速上升。部分轎車(chē)也逐漸安裝使用空氣懸架，如美國(guó)的林肯等。在一些特種車(chē)輛(如對(duì)防震要求較高的儀表車(chē)、救護(hù)車(chē)、特種軍用車(chē)及要求高度調(diào)節(jié)的集裝箱運(yùn)輸車(chē)等)上，空氣懸架的使用幾乎為唯一選擇。 國(guó)外汽車(chē)空氣懸架發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧氣囊復(fù)合式懸架被動(dòng)全空氣懸架主動(dòng)全空氣懸架(即ECAS電控空氣懸架系統(tǒng))”的變化型式。主動(dòng)全空氣懸架應(yīng)用了電子控制系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，汽車(chē)在各種路面、各種工況條件下能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)、主動(dòng)控制，并增加了許多輔助功能(如故障診斷功能等)。目前ECAS系統(tǒng)在歐洲一些國(guó)家的大客車(chē)上已經(jīng)大量應(yīng)用，隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車(chē)舒適性的要求越來(lái)越高，可以預(yù)見(jiàn)，ECAS這一先進(jìn)的空氣懸架系統(tǒng)在汽車(chē)上的應(yīng)用將越來(lái)越普及。 懸架系統(tǒng)的作用 汽車(chē)懸架是汽車(chē)中彈性的連接車(chē)架與車(chē)軸的裝置。它一般由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減震器等部件構(gòu)成，主要任務(wù)是緩和由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架的沖擊，以提高乘車(chē)的舒適性。 汽車(chē)懸架上的零部件 汽車(chē)懸架包括彈性元件，減振器和傳力裝置等三部分，這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。 螺旋彈簧：是現(xiàn)代汽車(chē)上用得最多的彈簧。它的吸收沖擊能力強(qiáng)，乘坐舒適性好；缺點(diǎn)是長(zhǎng)度較大，占用空間多，安裝位置的接觸面也較大，使得懸架系統(tǒng)的布置難以做到很緊湊。由于螺旋彈簧本身不能承受橫向力，所以在獨(dú)立懸架中不得不采用四連桿螺旋彈簧等復(fù)雜的組合機(jī)構(gòu)。出于乘坐舒適性的考慮，希望對(duì)于頻率高且振幅小的地面沖擊，彈簧能表現(xiàn)得柔軟一點(diǎn)，而當(dāng)沖擊力大時(shí)，又能表現(xiàn)出較大的剛性，減小沖擊行程，因此需要彈簧同時(shí)具有兩種甚至兩種以上的剛度?？刹捎娩摻z直徑不等的彈簧或螺距不等的彈簧，它們的剛度隨負(fù)載的增加而增加。 鋼板彈簧：多用于廂式車(chē)及卡車(chē)，由若干片長(zhǎng)度不同的細(xì)長(zhǎng)彈簧片組合而成。它比螺旋彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可緊湊地裝配于車(chē)身底部，工作時(shí)各片間產(chǎn)生摩擦，因此本身具有衰減效果。但如果產(chǎn)生嚴(yán)重的干摩擦，就會(huì)影響吸收沖擊的能力。重視乘坐舒適性的現(xiàn)代轎車(chē)很少使用。 扭桿彈簧：是利用具有扭曲剛性的彈簧鋼制成的長(zhǎng)桿。一端固定于車(chē)身，一端與懸架上臂相連，車(chē)輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，起到彈簧的作用。 氣體彈簧：利用氣體的可壓縮性代替金屬?gòu)椈伞Ｋ畲蟮膬?yōu)點(diǎn)就是具有可變的剛度，隨氣體的不斷壓縮漸漸增加剛度，且這種增加是一個(gè)連續(xù)的漸變過(guò)程，而不象金屬?gòu)椈墒欠旨?jí)變化的。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有可調(diào)整性，即彈簧的剛度和車(chē)身的高度是可以主動(dòng)調(diào)節(jié)的。 通過(guò)主副氣室的配合使用，使彈簧可以處在兩種剛度的工作狀態(tài)下：主副氣室同時(shí)使用，氣體容量變大，剛度變小，反之(只使用主氣室)則剛度變大。氣體彈簧剛度由計(jì)算機(jī)控制，在汽車(chē)高速、低速、制動(dòng)、加速以及轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)下，根據(jù)所需剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣體彈簧也有弱點(diǎn)，*壓力變化控制車(chē)高必須裝備氣泵，還有各種控制附件，如空氣干燥器，如保養(yǎng)不善會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)部生銹發(fā)生故障。另外如果不同時(shí)采用金屬?gòu)椈?，一旦發(fā)生漏氣，汽車(chē)將無(wú)法行駛。前言基于經(jīng)典隔振理論的傳統(tǒng)被動(dòng)懸架系統(tǒng)無(wú)須外部能量輸入，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而獲得廣泛應(yīng)用，但其只是一種優(yōu)化折衷方案，不能適應(yīng)變化的行駛工況和任意道路激勵(lì)。主動(dòng)懸架是一種具有作功能力的懸架，在提高系統(tǒng)性能上具有較大的潛力1，但能量消耗大、液壓裝置噪聲大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，到目前為止，僅有少數(shù)幾種主動(dòng)懸架系統(tǒng)成為商業(yè)化產(chǎn)品2，限于裝載在一些排量較大的高檔車(chē)型上。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)輸入少量的調(diào)節(jié)能量來(lái)局部改變懸架系統(tǒng)的動(dòng)特性(剛度或阻尼系數(shù))，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，因系統(tǒng)動(dòng)特性變化很小，僅消耗振動(dòng)能量，故穩(wěn)定性好，而減小振動(dòng)的能力幾乎和主動(dòng)懸架一樣3(見(jiàn)表1)。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可控制減振環(huán)節(jié)和控制策略，這并不比主動(dòng)控制簡(jiǎn)單，有時(shí)甚至更加復(fù)雜4，故而汽車(chē)半主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)者和生產(chǎn)商研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。2 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展21 發(fā)展簡(jiǎn)況半主動(dòng)懸架的概念首先由Crosby和Karnopp于1973年提出，Karnopp還提出天棚阻尼控制模型和實(shí)現(xiàn)方法5。直到20世紀(jì)80年代初期才有試驗(yàn)性的產(chǎn)品問(wèn)世，但它投入應(yīng)用的速度比主動(dòng)懸架快得多。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，半主動(dòng)懸架逐步從實(shí)驗(yàn)室走向工廠。1975年，Margolis等人提出了“開(kāi)關(guān)”控制的半主動(dòng)懸架，1983年日本豐田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了具有3種減振工況的“開(kāi)關(guān)”式半主動(dòng)懸架，并應(yīng)用于Toyota Soarer 280GT型轎車(chē)上。1986年，Kim Brough在半主動(dòng)懸架控制方法中引入了Lyapunov方法，改進(jìn)了控制算法的穩(wěn)定性。1988年日本日產(chǎn)公司首次將“聲納”式半主動(dòng)懸架系統(tǒng)應(yīng)用于Maximas轎車(chē)上，它可預(yù)測(cè)路面信息，懸架減振器有“柔和”、“適中”和“穩(wěn)定”3種選擇狀態(tài)。20世紀(jì)90年代以后，研究的顯著特點(diǎn)是新型智能材料在半主動(dòng)懸架上的運(yùn)用。1994年，Prinkos等人使用電流變和磁流變體作為工作介質(zhì)，研究了新型半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。2002年，采用美國(guó)德?tīng)柛?Delphi)公司磁流變減振器的MagneRide半主動(dòng)懸架系統(tǒng)應(yīng)用在Cadillac Seville STS高檔車(chē)上，此懸架系統(tǒng)能根據(jù)行駛情況自動(dòng)改變減振阻尼。22 彈性元件剛度可控半主動(dòng)懸架系統(tǒng)彈性元件剛度可控半主動(dòng)懸架系統(tǒng)是在空氣懸架的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)改變彈簧剛度來(lái)減振的半主動(dòng)懸架由Hubbard和Margolia于1976年提出6。CJStein利用前饋與反饋相結(jié)合的“天棚”控制理論，采用比例壓力控制閥對(duì)空氣彈簧進(jìn)行控制，福特汽車(chē)公司在Continental Mark車(chē)型上7豐田汽車(chē)公司在Lexus車(chē)型上都成功地推出了電子控制空氣懸架系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)乘客數(shù)量或載質(zhì)量、車(chē)速、路面狀況等對(duì)空氣彈簧的剛度實(shí)現(xiàn)有級(jí)控制。汽車(chē)彈性元件需承擔(dān)車(chē)身的靜載，因而實(shí)施剛度控制比阻尼控制困難得多，目前在半主動(dòng)懸架的研究中，對(duì)阻尼控制的研究偏多。但空氣彈簧與機(jī)械彈簧相比具有剛度低、可調(diào)節(jié)、質(zhì)量輕、噪聲低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，加上對(duì)汽車(chē)路面破壞機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)以及政府對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)的重視，剛度可控半主動(dòng)懸架的研究日益引起人們的關(guān)注。23 可控阻尼半主動(dòng)懸架系統(tǒng)231 傳統(tǒng)可調(diào)減振器傳統(tǒng)可調(diào)減振器可分成有級(jí)可調(diào)和連續(xù)可調(diào)減振器。由各種開(kāi)關(guān)型的節(jié)流閥或連續(xù)活門(mén)來(lái)控制液體阻尼的大小，實(shí)現(xiàn)阻尼的有級(jí)或連續(xù)調(diào)節(jié)?？烧{(diào)節(jié)流閥既可以設(shè)置在減振器內(nèi)部，如日本豐田公司的LS400的可調(diào)式減振器；也可以設(shè)置在外部的旁通道上，如梅賽德斯奔馳公司的一種可調(diào)減振器。通常有級(jí)可調(diào)減振器可在23個(gè)擋位之間快速切換，切換時(shí)間為1020ms，通過(guò)電機(jī)控制轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)位置，使減振器阻尼在“軟、中、硬”三擋之間變化，其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但在適應(yīng)行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性8。還有一種壓電式減振器也可實(shí)現(xiàn)阻尼的有級(jí)調(diào)節(jié)，利用壓電負(fù)效應(yīng)，在500V直流電壓的作用下可在5ms的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生500m左右的位移，經(jīng)放大后使阻尼力變換閥動(dòng)作。這種減振器具有較高的響應(yīng)能力，但要求電壓高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜9。連續(xù)阻尼可調(diào)減振器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)或電磁閥來(lái)控制節(jié)流閥的流通面積連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼10。已有實(shí)車(chē)產(chǎn)品，如Sachs公司開(kāi)發(fā)的CDC(continuous-damp-er-control)系統(tǒng)。傳統(tǒng)可調(diào)減振器研究和應(yīng)用早，國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者在進(jìn)行研究11-12，以有級(jí)可調(diào)減振器為主，并取得了一些成果。但它們有無(wú)法克服的缺點(diǎn)：節(jié)流閥制造精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)慢等。232 電流變和磁流變減振器利用新型智能材料研制成的電流變和磁流變減振器，減振液黏性可根據(jù)施加在上下腔通路上的電場(chǎng)或磁場(chǎng)而調(diào)節(jié)，阻尼無(wú)級(jí)變化，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本不高，且無(wú)液壓閥的振動(dòng)沖擊和噪聲，無(wú)須復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一種非常有發(fā)展前途的可調(diào)減振器。電流變液體對(duì)電場(chǎng)反應(yīng)迅速，控制帶寬廣13。磁流變液體的響應(yīng)略慢，但在屈服應(yīng)力、溫度范圍、塑性黏度、穩(wěn)定性和雜質(zhì)敏感性等方面強(qiáng)于電流變液體，在相同的功耗下，其剪切屈服應(yīng)力是電流變液體的2050倍，這樣其減振器體積可小得多14。因而，磁流變減振器具有更廣闊的應(yīng)用前景。為了滿(mǎn)足減振力要求，電流變減振器要有5kV/mm的電場(chǎng)以及高達(dá)6kV的電壓15；磁流變減振器磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)為250kA/m，電源為225V及12A16。實(shí)現(xiàn)電源和液體特性的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是它們?cè)谄胀ㄆ?chē)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的障礙。已有多家公司研發(fā)出了電流變減振器，如德國(guó)Bayer公司，美國(guó)Lord公司等。磁流變減振器方面，美國(guó)馬里蘭大學(xué)航空工程系在磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)理論方面一直處于領(lǐng)先地位，代表世界先進(jìn)水平，開(kāi)發(fā)了充氣補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的汽車(chē)磁流變阻尼器。美國(guó)Lord公司、德?tīng)柛９尽⒏Ｌ毓?，德?guó)BASF公司等已經(jīng)開(kāi)發(fā)出商業(yè)產(chǎn)品。不僅如此，磁流變減振器系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)車(chē)，如2002 Cadillac Seville STS車(chē)上的磁流變懸架控制系統(tǒng)，它的磁流變液體能在1ms之內(nèi)響應(yīng)，因而比以前傳統(tǒng)可調(diào)減振器系統(tǒng)快5倍以上。我國(guó)在磁流變減振器的研究上做了大量工作，取得了一些成就。國(guó)家儀表功能材料工程研究中心研制的磁流變體，其剪切屈服應(yīng)力基本達(dá)到美國(guó)Lord公司的產(chǎn)品水平17。許多學(xué)者進(jìn)行了懸架磁流變減振器的設(shè)計(jì)及研究，但目前僅停留在試驗(yàn)研究階段18-19。3 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的主要控制策略天棚阻尼控制是提出最早的一種半主動(dòng)懸架控制方法。Karnopp提出了近似實(shí)現(xiàn)理想“天棚”阻尼的“on-off半主動(dòng)控制策略。由于其所需測(cè)試儀器少，控制算法簡(jiǎn)單，因而是目前研究最多，也是應(yīng)用最多的方法。根據(jù)天棚阻尼控制提出的地棚阻尼控制是以非簧載質(zhì)量為控制對(duì)象的一種控制策略。單一的天棚阻尼控制提高了舒適性，卻沒(méi)有解決好操縱穩(wěn)定性問(wèn)題，地棚阻尼控制則和天棚相反。綜合天棚和地棚阻尼控制的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的混合阻尼控制算法20：F=Fsky+(1-)Fgnd，可以兼顧平/頃性和操縱穩(wěn)定性的要求，是一種值得研究、易于投入實(shí)用的控制算法。線性最優(yōu)控制的半主動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)兩種方法：一是應(yīng)用有約束雙線性最優(yōu)控制原理直接確定半主動(dòng)控制策略，其推導(dǎo)過(guò)程和計(jì)算方程較為復(fù)雜；二是先根據(jù)最優(yōu)控制理論主動(dòng)控制的控制律，然后由耗能原理設(shè)計(jì)半主動(dòng)控制策略，當(dāng)要求產(chǎn)生主動(dòng)力時(shí)，設(shè)半主動(dòng)控制力為零，而在耗能階段，等于主動(dòng)控制律要求的控制力，當(dāng)然這種控制只是部分的最優(yōu)。由于獲得了足夠的路面信號(hào)，預(yù)見(jiàn)控制能顯著地改善懸架系統(tǒng)性能。對(duì)預(yù)見(jiàn)控制的研究目前仍局限于理論研究階段，大部分研究都以線性二次最優(yōu)理論為基礎(chǔ)。經(jīng)典控制理論的PID控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，具有一定研究?jī)r(jià)值。和模糊控制等方法結(jié)合的復(fù)合PID控制應(yīng)是研究的方向。自適應(yīng)和自校正控制的典型控制方法有增益調(diào)度控制、參考模型自適應(yīng)控制和自校正控制。自適應(yīng)控制能顯著改善汽車(chē)的行駛特性21-22，德國(guó)奔馳公司的一種轎車(chē)上采用了自適應(yīng)阻尼控制系統(tǒng)。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不需要建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，可以避免因系統(tǒng)建模誤差帶來(lái)的影響。另外，模糊控制能減少控制器的存儲(chǔ)空間，降低成本，縮短懸架延時(shí)，使控制更加及時(shí)、可靠，但這種控制自適應(yīng)能力差，精度不夠高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是可學(xué)習(xí)性和巨量并行性，在汽車(chē)懸架振動(dòng)控制中有廣泛的應(yīng)用前景。但不適于表達(dá)基于規(guī)則的知識(shí)因其需要較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間，另外它的控制參數(shù)沒(méi)有物理意義，因而很難進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)須與其它控制方法相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制模式才能具有更大的實(shí)際應(yīng)用。魯棒控制的H控制可使振動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)身質(zhì)量、輪胎剛度、減振器阻尼系統(tǒng)和車(chē)身振動(dòng)模態(tài)等不確定和未知信息的影響具有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)可大大縮短控制時(shí)間和降低能量消耗，文獻(xiàn)23設(shè)計(jì)了H控制器，比較了其和“天棚”阻尼方法的減振性能，證實(shí)了魯棒控制性能的優(yōu)越性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制適用于線性或非線性系統(tǒng)，方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)模型參數(shù)的不確定性和外界擾動(dòng)具有高度的魯棒性。文獻(xiàn)24證明其效果顯著。除以上控制方法外，許多學(xué)者嘗試采用一些新的控制理論來(lái)解決半主動(dòng)懸架的控制問(wèn)題，在一定程度上取得了一些進(jìn)展，但都停留在數(shù)字仿真階段。作者運(yùn)用基于分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)的復(fù)合控制策略來(lái)優(yōu)化半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制參數(shù)，提高其綜合性能。4 研究和開(kāi)發(fā)工作展望41 注重剛度可調(diào)半主動(dòng)懸架的研究剛度可調(diào)半主動(dòng)懸架在汽車(chē)的應(yīng)用中有其不可替代的作用，特別是在重型載貨車(chē)和大客車(chē)上，我國(guó)對(duì)其研究較少，與汽車(chē)發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。剛度和阻尼均連續(xù)可調(diào)的智能型半主動(dòng)懸架具有很好的應(yīng)用前景。42 阻尼可調(diào)減振器的研究傳統(tǒng)可調(diào)減振器的研究開(kāi)發(fā)仍有較大的潛力，特別是在原有汽車(chē)的改造上。新型可調(diào)減振器，特別是磁流變應(yīng)是研究的重點(diǎn)，包括以下兩個(gè)方面：一是磁流變材料相關(guān)技術(shù)研究，二是磁流變阻尼器相關(guān)技術(shù)研究。43 控制理論的研究431 研究復(fù)合控制策略在半主動(dòng)懸架系統(tǒng)30年的研究過(guò)程中，已經(jīng)發(fā)表的控制研究方法幾乎涉及現(xiàn)代控制理論的所有分支。各種方法均有利弊，綜合應(yīng)用各種方法開(kāi)發(fā)系統(tǒng)控制器是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。從目前的研究文獻(xiàn)來(lái)看，單獨(dú)利用某一種控制方法進(jìn)行研究的很少。汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家大多基于天棚阻尼控制理論、最優(yōu)控制理論、預(yù)見(jiàn)控制理論、模糊控制理論和自適應(yīng)控制理論為主干的復(fù)合控制策略。432 尋找實(shí)用、穩(wěn)定的控制方法當(dāng)前理論上的研究方法雖然很多，其中包括應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中最新的研究成果，但真正投入實(shí)際應(yīng)用的方法并不多。如何針對(duì)實(shí)際汽車(chē)尋找一種實(shí)用、可靠、可降低成本的控制策略是今后研究的重點(diǎn)。天棚阻尼控制及其改進(jìn)方法是一個(gè)主要研究開(kāi)發(fā)方向。433 重視非線性控制問(wèn)題的研究和解決。懸架系統(tǒng)是強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合系統(tǒng)，用線性系統(tǒng)模型對(duì)懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為的逼近在很多情況下并非總是可靠的，被忽略的非線性因素有時(shí)會(huì)在分析和計(jì)算中引起無(wú)法接受的