汽车悬架系统的历史

Posted 2023-05-12

参考技术A

汽车悬架控制系统发展概述

1.前言

悬架依据其可控性可以分为不可控的被动悬架和可控的智能悬架两大类。

在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求；而智能悬架能够对行驶路面、汽车的工况和载荷等状况进行监测，进而控制悬架本身特性及工作状态，使汽车的整体行驶性能达到最佳。

智能悬架中主动、半主动悬架在近年来得到了迅速发展，较好地解决了安全性和舒适性这一对卜矛盾，将其缓和至相对较低。

2.主动悬架与半主动悬架

主动悬架是一个动力驱动系统，包括测量系统、反馈控制中心、能量源和执行器四个部分。

其原理是测量系统通过传感器获得车辆振动信息，传递给控制中心进行处理，进而由控制中心发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行控制，衰减悬架的振动。

由于主动悬架结构复杂，成本高，需要很大的能量消耗，它的发展受到了一定的制约，只在少数高级轿车中有所应用。

与之相比，半主动悬架具有结构简单、成本较低、基本不需要消耗能量等优点，而对振动的控制效果在一定程度上却可以接近主动悬架，远远优于被动悬架，因而越来越受到业界的重视，得到了飞速发展。

图1为主动悬架的原理图，其中F代表力发生器。

图2为一种典型半主动悬架的结构示意图。

半主动悬架与主动悬架结构相似，只是半主动悬架用可调刚度的弹性元件或是可调阻尼的减振器代替主动悬架的力发生器。

图2的半主动悬架系统中，一个连续可调的阻尼器与一个传统的普通弹簧并联，需要假定系统中的阻尼器能够完全独立于悬架的相对运动，且能根据力控制信号做出反应。

悬架控制系统的发展概况可以从控制策略、执行机构以及实际应用几个方面来分析。

3.控制策略研究

目前应用于悬架控制系统的控制理论比较多，主要有天棚控制、最优控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制以及复合控制等等。

3.1 天棚阻尼与开关阴尼控制思想

1974年，美国学者karnopp等提出了天棚阻尼控制思想。

原理是在车身上安装一个与车身振动速度成正比的阻尼器，可以完全防止车身与悬架系统产生共振，达到衰减振动的目的。

在天棚控制方式中，控制力取决于车体的绝对速度的反馈，不需要很多传感器也不需要复杂的数学模型，可靠性较好。

控制力可以表示为：

式中Csky为比例系数；x为车体垂直振动速度。

但是天棚阻尼是理论上的理想状态。

karnopp为实现“天棚”控制思想又提出了开关阻尼的概念。

原理是根据控制信号调节阻尼器阻尼的“软”、“硬”设置，进而调整阻尼力的大小。

其优点是作动器消耗振动能量。

最早应用于实车的是美国lord公司的产品，反映效果良好。

开关阻尼控制思想的阻尼力算法可用以下公式表示：

式中：Fd为阻尼力；c为比例系数；x为簧载质量的垂直运动速度，y为非簧载质量的垂直运动速度。

目前开关阻尼的控制已经有所应用。

3.2 最优控制

在车辆上运用的最优控制方法常用的有线性最优控制、H∞最优控制等。

线性最优控制理论是早期经典控制理论的代表，已经过了理论到实践的考验，是目前比较成熟和完整的半主动悬架控制理论。

其中使用LQR算法的理论及实践应用比较成熟，算法概要如下：

设悬架自由度弹簧阴尼系统动力方程为：

f （t）表示外部激励的（r）阶向量u （t）是（m）维控制力向量；D是（nXm）控制力位置矩阵；E是（n×r）外部激励位置矩阵。

状态空间表达式的形式为：

式中：x（t）为状态向量（2n）；A为系统矩阵（2nX 2n）；B为控制力位置矩阵（2nXm）；H为外部激励位置矩阵（2n×r）。

采用LQR模态控制算法设计主动最优控制力：

国内在相关领域研究比较深人的是装甲兵工程学院关于履带车辆悬挂系统的半主动控制策略研究。

3.3 预测控制

预测控制方法提出比较早，它可以预先确定前方路面的信息，并利用这一信息和车辆当时信息来决定控制行为。

由于预测控制是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将车辆的前轮悬架的状态参数值反馈给控制器进行控制，因此，控制系统有一定的时间来采取措施。

然而信息的获得来自前轮，因此要求系统对信息进行处理并由控制器采取动作历时很短。

鉴于此，目前最优预测控制多采用超声波传感器等测量方法对车辆前方道路的实际情况进行采集，用此信息来控制悬架执行机构的动作。

1984年日产公司研制出声纳式半主动悬架，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状态。

预测控制的问题表现在预测距离是一定的，因此预测提前时间取决于车速，这样必然具有时变性，而预测控制仍以线性时不变系统为研究对象，测量、参数的时变性和非线性对系统的影响还没有得到解决。

另外，用预测信息来控制悬架执行机构的动作的核心技术是信号的获取精度问题，要求不受干扰地真实反映路面信息，这往往导致成本、可靠性方面的投人相应增大，应用中要重点考虑。

3.4 自适应控制策略

自适应控制方法应用于汽车悬架控制系统的有自校正控制和模型参考自适应控制两类。

自适应控制考虑了车辆系统参数的时变性，通过自动检测系统的参数变化来调节控制策略，从而使系统实时逼近最优状态。

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。

自适应控制存在的问题表现在自校正控制过程需要在线辨识大量的结构参数，所以导致计算量大，实时性不好。

而模型参考自适应控制方法涉及路面信息获得的精度问题，这一点与预测控制存在的问题相似。

另外，当悬挂系统参数由于突然的冲击而在较大的范围变化时，自适应控制的鲁棒性将变坏。

3.5 模糊控制与神经网络控制

在过去的20年中，基于专家知识和经验的模糊控制及神经网络控制逐步成为解决具有非线性、复杂和不确定因素系统的有效方法。

在车辆悬架控制领域较早应用模糊控制的是Yoshimura教授，他将模糊控制方法应用到汽车主动、半主动悬架当中。

该车辆系统由非线性微分方程模型描述，通过模糊推理从若干类阻尼力中选择合适的阻尼力。

仿真结果显示应用模糊控制的半主动悬架系统大大减小了车身振动加速度。

随后进行的实车试验取得了较为理想的结果。

模糊控制和神经网络控制是建立在专家知识和经验的基础上的，因此人为因素在其中占据着很重要的角色。

专家的知识在一定程度上是“主观”的，如果专家知识的 *** 不能真实或准确地反应车辆的状态，那么控制就失去了准确性。

3.6 复合控制

当前应用于汽车悬架振动控制的控制策略很多，而得到的效果只能说是优越于被动悬架。

原因是各种控制策略都有自身无法弥补的缺陷，解决办法就是将两种甚至多种控制策略相结合，对悬架进行复合控制。

纵观车辆主动、半主动控制领域，只运用一种控制策略的成功案例并不多见，而采用复合控制策略的成功应用却很多。

近期的文献记载的控制策略设计有应用于越野车辆（坦克等）的自适应控制与LQG控制的联合控制，最优预见控制与神经网络控制的复合，以及模糊控制与神经网络控制的复合等等。

研究表明，利用复尸合控制方法更适用于汽车、悬架这样复杂非线性系统的建模与控制，可以预见复合控制方法是今后控制策略研究的一个重要方向。

4.执行机构研究

控制策略最终是通过执行机构对悬架的振动特性进行调解的，因此，执行机构往往代表着半主动悬架系统的发展状态。

根据半主动悬架的结构特点，执行机构分为两种，即悬架刚度调解系统和减振器阻尼力调节系统。

对悬架刚度的调节是通过对悬架弹簧的弹性系数进行调节，应用较多的为空气弹簧。

相比之下，阻尼调节应用较多。

其中阻尼连续可调减振器被认为比较有发展前景。

如增大摩擦力的办法改变阻尼力；采用压电陶瓷材料改变悬架阻尼；改变减振器节流孔开度以及改变减振器工作液（智能材料）粘度来改变阴尼力等。

调解阻尼最常用的一种方式还是使用粘性连续可控的新型智能材料（电流变或磁流变液体等）作为减振器工作液，从而实现阻尼连续调节。

磁流变液阻尼器是当今被认为最有发展前景的，虽然其发展晚于电流变液阻尼器，但是已经得到了飞速的发展和广泛的应用。

磁流变液是一种随着外加磁场强度的改变其流变性能随着改变的智能材料。

由于磁流变液体是非牛顿液体，其剪切应力是由液体的粘性和屈服应力两部分组成的。

流变特性的改变随着磁场强度的增加而增加，对外加磁场强度的控制可以在毫秒级对其流变特性进行改变，由液态变为半固态。

磁流变液优点很多：其剪切应力较大，可达到50-100 kPa；剪切应力具有对温度的稳定性和对不存介质的不敏感性；通过对磁场强度的控制来控制剪切应力，耗能很低，同时更安全。

磁流变液也存在着一定的应用问题，主要是减振器内液体紊流产生的噪声较大和产生强磁场需要的金属线圈重量问题，这些问题有关研究人员正在研究解决。

5.应用实例

近十多年以来，悬架控制系统的发展日新月异，成果较多。

如福特公司生产的雷鸟轿车上的行驶平顺性程序控制悬架系统（PRC）。

PRC中的减振器配置了一种快速作用旋转式螺管电磁开关，在传感器和一台6805微处理器为基础的电子系统的配合下，根据驾驶员的指示和车辆的运行状态，电磁开关可以调节阻尼。

其他成功的应用还有奔驰车的自适应阻尼控制悬架系统、凯迪拉克轿车的路感悬架系统（RSS），以及对阻尼和刚度进行综合控制的丰田电子悬架控制系统和凌志LS400的电子控制空气悬架系统等。

在军用汽车领域，磁流变液阻尼器得到了应用。

美国内华达大学的研究人员将磁流变阻尼器应用于美军高机动多用途轮式车辆（HMMWV），图3为该车应用的阻尼器。

为了对应用磁流变阻尼器的车辆性能进行评估，试验人员将安装磁流变阻尼器的“悍马”与使用传统被动悬架的HMMWV进行了对比试验，分别在平顺性、操纵稳定性等方面作了比较。

结果显示，应用磁流变半主动悬架的车辆行驶平顺性和操纵稳定性比使用传统悬架的车辆均有所提高。

可见，军用轮式车辆领域是半主动悬架系统的一个重要应用方向。

更高层次的改进是将ABS，TCS，ASR等控制系统与悬架控制系统的集成，即组成汽车动力学集成控制系统，这将是车辆悬架系统与车辆其他控制系统集成化发展的方向。

6.结论与展望

从悬架控制系统的发展状况可以看出，当前的研究主要集中于控制策略和执行机构。

将来的发展应该从这两方面人手，并加快实车应用的进度。

6.1 控制规律的复合

我们看到，各种控制方法对悬架的振动控制都有一定的有效性，但是都存在着固有的缺陷，这是由其控制原理所决定的。

由于汽车悬架系统属于复杂的非线性系统，单一的控制手段已经不能满足要求，需要两种甚至多种控制策略的协同控制，因此，复合控制应该是今后研究工作的一个重点。

6.2 集中力量加快以磁流变减振器为执行机构的半主动悬架的研发进程

当前磁流变液减振器半主动悬架的发展最为整个汽车工业界所关注。

在这方面国外成果及应用实例较多，国内还处于理论研究和试验阶段，应用实例很少，问题主要是磁流变液减振器的工作性仍然不稳定，成本较高。

因此，当前乃至今后应该以此为重点，展开技术攻关，从研制高性能磁流变材料、优化磁路及结构设计入手，为磁流变半主动悬架的开发作先期基础性研究。

6.3 越野汽车将是半主动悬架的重要应用领域

目前，半主动悬架技术主要应用在高级轿车上，原因是该技术的实现成本较高。

而对该技术需求更为迫切的是越野汽车行业，集中体现在军用越野汽车领域。

随着车辆装备信息化建设的逐渐深入，军用越野汽车也逐渐形成了自身鲜明的发展方向，高机动性就是其发展特色之一，表现在车辆行驶的地域更加广泛，通过崎岖、苛刻路面的能力增强，这就要求车辆的行驶平顺性与之相适应。

任何一项尖端技术从出现到应用到实际都有一个，漫长的过程，半主动悬架技术在国内已经有着广泛的研究基础，相关研究机构应该积极开展预研工作，以越野汽车的悬架系统为切人点，将该领域的技术逐渐推广。

汽车主动悬架的发展及其最新技术

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作者：-

自从汽车发明以来，工程师们就一直在研究如何将汽车的悬架系统设计得更好。

最初的汽车悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。

1908年螺旋弹簧开始用于轿车，当时就曾经有两种截然不同的意见。

第一种意见主张安装刚性较大的螺旋弹簧，以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。

但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。

另一种意见认为应该采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。

但是这样的汽车操纵性较差。

到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。

减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。

这些改进无疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性。

衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。

怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。

平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、驾驶员座椅处)的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。

例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车 *** 移的增加。

由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。

所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。

但是普遍使用的被动悬架不可能达到设计师们的理想要求。

被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。

在使用上，为了使被动悬架能够对不同的路面具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，比如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器。

表1 可变特性悬架主要部件动能表

部件名称

功能

作用

衰减力转换

稳定器刚性转换

手动选择开关

●

●

选择挡位，变换悬架特性

显示器

●

●

显示手动选择开关挡位

减振器驱动器

●

驱动减振器内回转阀

前支柱、后减振器

●

内装回转阀，可变化衰减力

稳定器驱动器

●

通过稳定器缆绳，开闭稳定器杆内的油路

稳定器缆绳

●

连接稳定器驱动器和稳定器杆，传递驱动器动作

稳定器杆

●

具有油缸的结构，可变换稳定器刚性

电子控制装置

●

●

根据手动选择开关状态，控制各驱动器

注：“●”为此部件具有此功能。

表2 手动选择开关挡位特点

挡位

减振器的衰减力

稳定器的刚性

特点

“SPORT”挡位

增强

提高

具有高级跑车的优良转弯性能与灵活的操纵性能

“TOURING”挡位

减弱

降低

具有高级旅行车的高速操纵稳定性与舒适性

由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。

所以尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标，但始终无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。

为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。

在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力。

典型的例子，早期有雪铁龙公司在1955年发展的一种液压-空气悬架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及。

到90年代，日产公司在无限Q45轿车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面的能力。

随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。

它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化。

手动开关可选择两种挡位：1.“SPORT”挡位，刚性高，相当于高级跑车的悬架特性。

2.“TOURING”挡位，柔性，相当于高级旅行车的悬架特性。

图 1为可变特性悬架的构造，表1为其主要部件功能，表2为手动选择开关挡位特点。

现时引人注意的是奔驰公司发展的ABC(Active Body Control)系统，可算是相对先进的主动悬架系统代表。

ABC系统的设计人员从一开始就没有将注意力放在传统的思路上，而是另辟蹊径，集中研究车身在行驶时的跳动。

他们认为，从稳定性考虑，通过抑制车身在行驶时的起伏、倾斜及跳动，可以最大限度地提高舒适性，而且更简单直接。

对驾驶而言，采用刚性较大的螺旋弹簧，可以使汽车优越的操纵驾驶性得到保证。

早在多年前，研究人员已经进行过这方面的验证。

随着近年来电子技术及电脑控制在轿车上大量应用，这种新型主动悬架变为现实的条件越来越成熟。

最新面世的系统采用了大量电子控制技术，奔驰公司称之为主动式车身控制系统，简称ABC 。

传统的悬架系统工作方式主要是通过厚重的车身跳动，推压液压油，通过阻尼减振器抑制车身的振动，并由螺旋弹簧将跳动能量吸收。

这种完全被动的方式当然有许多不足之处。

而ABC系统则通过感应最轻微的车轮及车身动作，在任何大的车身振动之前及时对悬架系统作出调整，保持车身的平衡。

该系统能够很好地适应各种路面情况，即使在异常崎岖不平的地方，轿车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。

为了达到理想的效果，ABC系统在各条悬架滑柱内装有一套新型的液力调节伺服器，可动态调整的液压缸根据不同的路面情况自动调节螺旋弹簧座的位置，这一点很重要。

当车轮遇到障碍物时，ABC系统通过传感器感知，自动调节弹簧座，并在弹簧座上施加压力，使之能最大限度地抵消传递给车身的跳动能量。

同样的方法，ABC系统还能够避免轿车在制动、加速及转弯时产生的车身倾斜。

当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形，悬架传感器会检测出车身的倾斜度和横向加速度。

微电脑根据传感器的信息，与预先设定的数值进行比较计算，并立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。

几乎可以说，车身在任何状态下都能保持水平位置。

ABC系统的控制感应装置由两个微型处理器及13个传感器组成，每10μs对悬架系统作一次扫描和调整。

各传感器分别向微处理器传送车速、车轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。

电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较。

同时，电脑能独立控制每一个车轮上的执行元件，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动以适应汽车的每一种行驶状况。

ABC系统使汽车对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确，即使在路况较差的路面上，汽车的跳动也很小。

而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。

车身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。

此外汽车的载重量无论如何变化，汽车始终能保持一定的车身高度，所以悬架的几何关系也可以确保不变。

目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的C系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳的口碑，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一个里程碑。

物理应用基于matlab车辆二自由度悬架鲁棒控制含Matlab源码 2324期

⛄一、简介（附论文）

本章考虑用鲁棒控制方法来控制一个简单的二阶机械系统：质量块-阻尼器-弹簧系统。该系统是本科生实验教学中常见的控制实验装置。作为本书中的第一个案例，将针对该装置介绍三种控制器的详细设计方法，分析闭环系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。为了简化设计过程，此处仅考虑模型的结构扰动（参数扰动）。针对此例，介绍了matlab鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）一些鲁棒控制器设计指令。希望此章的学习不仅能够教授鲁棒控制系统设计方面的知识，也能够教会大家如何使用鲁棒控制工具箱。

⛄二、部分源代码

%response to the reference
red_mds
sim_mds
K=Kred;
clp=starp(sim_ic,K);
timedata=[0 20 40];
stepdata=[1 0 1];
dist=0;
ref=step_tr(timedata,stepdata,0.1,60);
u=abv(0,0,0,ref,dist);
y=trsp(clp,u,60,0.1);
figure(2)
vplot(sel(y,4,1),‘y-’,ref,‘r–’)
title(‘闭环瞬态响应’)
xlabel(‘t(s)’)
ylabel(‘y(m)’)
%
%response to the disturbance
timedata=[0 20 40];
stepdata=[1 0 1];
dist=step_tr(timedata,stepdata,0.1,60);
ref=0;
u=abv(0,0,0,ref,dist);
y=trsp(clp,u,60,0.1);
figure(3)
vplot(sel(y,4,1),‘y-’,dist,‘r–’)
title(‘扰动瞬态响应’)
xlabel(‘t(secs)’)
ylabel(‘y(m)’)

⛄三、运行结果

⛄四、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1] 门云阁.MATLAB物理计算与可视化[M].清华大学出版社，2013.

3 备注
简介此部分摘自互联网，仅供参考，若侵权，联系删除