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  车辆主动悬架体例及其担任手腕X刘少军, (中南大学 湖南 长沙 410083) 饶大可, 黄中华[ 摘要] 隔振商酌中的一个范例对象. 先容和比拟了目前海外两种分歧类型的液压主动悬架体例, 先容和评判了天棚阻尼器控主动悬架体例能使汽车乘坐安闲性和操作安然性同时获得革新, 是目前汽车业的一个热门商酌课题, 也是主动制、 最优担任、 H] 担任、 预思担任、网上信誉搏彩平台排行 隐隐担任, 等主动悬架体例上常用和有发扬前程的担任手腕和特性.闭 键 词: 主动振动担任; 主动悬架; 担任手腕; 汽车中图分类号: U463 文献标识码:A 作品编号: 10005900(2003) 02006505Ac...

  车辆主动悬架体例及其担任手腕X刘少军, (中南大学 湖南 长沙 410083) 饶大可, 黄中华[ 摘要] 隔振商酌中的一个范例对象. 先容和比拟了目前海外两种分歧类型的液压主动悬架体例, 先容和评判了天棚阻尼器控主动悬架体例能使汽车乘坐安闲性和操作安然性同时获得革新, 是目前汽车业的一个热门商酌课题, 也是主动制、 最优担任、 H] 担任、 预思担任、 隐隐担任, 等主动悬架体例上常用和有发扬前程的担任手腕和特性.闭 键 词: 主动振动担任; 主动悬架; 担任手腕; 汽车中图分类号: U463 文献标识码:A 作品编号: 10005900(2003) 02006505Active Suspension System and Its Control Method for VehiclesLIU Shao jun, RAO Da ke, HUANG Zhonghua2( Central South University, Changsha 410083 China)=Abstract Active suspensions have received lots of attentions in recent year. In this paper, two categories of activesuspensions were introduced and compared, and some control methodswhich were used in the active suspension system,such as canopy damper control, optimal control, preview control,H]control and fuzzy control, were illustrated and evalu -ated.Key words: Active vibration control; Active suspension; Controlmethod; Automobile近年来, 车辆的主动悬架体例正在外面商酌和斥地利用方面都得到了很大的希望. 这方面的商酌最先于铁道车辆的振动担任, 厥后正在少少赛车上得到了获胜的利用. 即日, 正在日本等邦已最先成批量地正在部门车型上装载主动悬架体例. 主动悬架已成为海外汽车业的一个商酌热门.另一方面, 主动悬架体例也是今世主动振动界限中发扬最速、 利用最成熟的事例之一. 它的发扬与今世担任外面( 软件) 、 液压伺服工夫、 传感器工夫和计划机工夫( 硬件) 的发扬有着亲近的干系, 同时也从一个角度反响和透露了主动振动担任的商酌境况和利用前景. 实情上, 日本三河纤维中央一经将相似体例获胜地利用于纺织机的隔振, 既进步了产物德料又革新了作事境遇. 本文依照海外汽车主动悬架的发扬及作家的商酌作事, 对汽车液压主动悬架及担任工夫的商酌近况做了一个评述.1 主动担任悬架的根本道理及类型1. 1 日常来说, 车辆的悬架有两个方针: 革新乘坐安闲性( 平顺性) 和操作安静性( 安然性) . 从某种旨趣上来说, 这两个方针对悬架的条件是抵触的: 为了更有用地减缓途面不屈惹起的车体振动( 乘坐安闲性) , 条件悬架较/ 软0; 而欲使正在转弯、 启动或刹车时车体的侧倾、 颔首或后坐较小( 操作安静性) , 则又希冀悬架能较/ 硬0. 守旧的悬架体例日常是由弹簧和阻尼器构成( 图 1) . 正在如此一个由被动元件组成的体例中, 所爆发的担任力为 F = C2( x 2- x 1) + K 2( x 2- x 1) , 这意味着担任力的巨细将取决于系数 C2和K2. 况且, 这两个系数已经确定, 悬架的特色( 选架的/ 软硬0水平) 就被确定. 可睹, 如此一个被动悬架正在同时满意乘坐安闲性和操作安静性的条件是繁难的. 而正在主动悬架体例中, 悬架担任力由体例自己的能源爆发, 从外面上说能够是任何变量的函数. 况且, 今世主动悬架还具有完善的检测和担任体例, 能检测境遇与车体的状况, 主动实时地调剂所需的担任力, 从而到达所盼愿的担任恶果, 使乘坐安闲性和操作安静性同时获得革新.悬架的方针及主动悬架的旨趣第 25 卷 第 2期2003 年 6 月 湘 Natural Science Journal of XiangtanUniversity潭 大 学 自 然 科 学 学 报 Vol. 25 No. 2June 2003X 收稿日期:2002 基金项目: 培育部要点商酌项目资助(2000- 01131) 作家简介: 刘少军( 1955 ) , 男, 湖南 新化人, 博士导师, 教学.1226 1. 2 主动悬架的类型和组织就主动悬架的现实构制和类型而言, 固然电动主动悬架和磁流变主动悬架平昔正在被商酌之中, 但正在现实车上获得利用的仍旧液压主动悬架. 目前的液压主动悬架可分为两大类研制的Lotus流量担任型, 其根本道理是用一个高呼应的流量担任阀直接担任一个双效用油缸( 悬架实施器) . 该体例具有较高的呼应职能( 依照报道可达 30 Hz) , 但因为对一齐途面作对全靠主动担任来招揽, 体例能耗大, 况且为了担保高呼应频率, 需求较众的高价传感器, 以是体例本钱高, 难以大周围扩展.另一品种型是日本丰田、 日产公司斥地的压力担任型. 该体例厉重由一个带死板反应滑阀的压力比例阀和一个带气体弹簧的油汽缸组成制; 外扰正在 2 Hz 到 7 Hz 的中频范畴, 由滑阀的死板反应能举办伺服担任; 7Hz 以上的高频作对, 运用油缸中的气体弹簧招揽振动能源而减振. 与Lotus型比拟, 该体例本钱相对较低, 能耗也小. 自 80年代末正在是实车上利用此后, 几经改制, 现正在已较大周围地走向墟市. 别的, 正在这个别例的本原上为了进一步减低本钱和进步体例牢靠性, 日本丰田公司和名古屋大学还就以泛泛高速开闭阀庖代压力比例阀发展合伙商酌, 并正在实行室商酌阶段声明了计划的可行性[ 1]. 一个是瑞士 Volvo 公司[ 2]. 其担任按三种方法举办: 外扰 2 Hz 时由压力比例阀举办比例控[ 3], 得到了一系列的商酌成效.图 1 被动悬架体例模子 图2 天棚阻尼担任体例2 主动悬架体例的担任手腕及评述目前已报道的相闭主动悬架担任手腕的商酌险些涉及到了今世担任外面的全面分支. 分歧的担任手腕有分歧的特性, 以下对几种范例的担任手腕举办评述.2. 1 天棚阻尼器担任天棚阻尼器担任的厉重思思是条件主动悬架爆发一个与车体绝对速率成正比的担任力( Fs= Csx2)的阻尼器. 这即是/ 天棚阻尼器0名字的由来. 关于图 1所示的被动体例, 可得其运动方程式为[ 4], 其力学模子可透露为图 2 , 与图 1比拟, 该体例中填补了一个一端接正在一个固定参照物( 天棚) 上M2x2+ C2( x2- x1) + K2( x2- x1) = 0( 1)振动传达特色为x 2x 1=2X2N 2s + X22+ 2X2N 2 + Xs22( 2)由( 2) 式可得其振动点的振幅比为x 2x 1=1+14N22( 3)可睹, 振幅比大于 1. 而图 2 所示天棚阻尼器担任体例的运动方程式为M2x2+ C2( x2- x1) + K2( x2- x1) + Csx2= 0振动传达特色为( 4)66 湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报 2003 年 x2x1=2X2N 2s + X22+ 2X2( N2+ N s) s + Xs22( 5)共振点的振幅比为x 2x 1=4N22 + 12( N 2+ N s)( 6)假使正在打算中让阻尼系数 N s 满意要求N s 4N22+ 1 P 4- N 2( 7)那么就能有x2x1X= X2 1 进一步, 对( 6) 式求偏导并令5 x2P x15N2= 0( 8)可求得, 为使共振点的振幅比最小, 阻尼系数间的干系应为N214N s( 9) 正在天棚阻尼器担任方法中, 担任力的决意取决于车体的绝对速率 x2的反应, 不需求良众的传感器,也不需求庞杂的数学模子, 易于告竣且比拟牢靠. 以是, 这种担任手腕至今仍被现实车的主动悬架体例所采用. 然而, 题目的另一个方面是, 由于体例的反应仅仅取决于车体的绝对速率, 且( 7) 式解说, 为了使共振点的振幅比小于 1, 将条件较大的系数Ns. 这意味着体例将条件较大的反应增益, 正在能量耗费方面是晦气的成分.2. 2 最优担任相闭主动悬架的最优担任题目的商酌较众, 早期的手腕是对体例中的某些职能目标处以处分, 譬喻, 对一个 1P 4车体模子, 可提出一个评判函数为21 + r1x这里, x 1 为车体加快率, 反响乘坐安闲性; x 2 为车轮轮胎相关于均衡点的变形, 反响车轮着地职能( 从而间接地反响车辆的操作安静性) ; x3 为悬架行程相关于均衡状况的改观, 该值的巨细透露了所需求的悬架行程空间. r1 和 r 2 为加权系数, 比方, 假使希冀悬架变形小, 该当取大的 r2 值. 可睹, 对上式举办最优化打算而获得的悬架担任力, 将正在担保操作安静性和悬架行程范围的要求下取得最优的乘坐安闲性. 相闭这类商酌扩展到了半车模子和整车模子, 得到少少外面上的商酌结果. 近年来利用的较众的是基于线性二次型题目的最优调剂器担任, 该题目的描画:寻找一个最优担任信号, 使得评判函数:J =Q取极小值, 个中 x, u 划分是状况量和担任量, Q, R 为加权系数( 矩阵) . 从担任外面来看, 式( 11) 所示的最优担任意味着, 当受到外界作对时, 体例将力争正在某种职能目标最优( 取决于 Q, R 的采用) 的条件下尽速地克复到安静状况. 日本的松下、 永井等人利用这种手腕为铁途车辆的气动主动悬架打算过少少最优担任器, 得到了少少好的实行恶果, 作家也利用上述手腕为日本丰田的油气压主动悬架装配( 高速开闭阀担任) 打算了一个带状况观测器的最优调剂器, 实行证明其担任职能高于天棚阻尼器担任采用最优调剂器担任的厉重题目正在于条件体例有较确实和安静的数学模子, 其体例的庞杂性( 如传感器数目) 等将随数学模子阶数的填补而填补.2. 3 预思担任正在天棚阻尼器担任和最优担任打算中都未对途面的状况给与思虑, 实情上, 这些打算是基于途面作对为白噪声的如此一个假设. 纵然是最优, 也只是均匀旨趣的最优, 对每个单个的样本函数并不必然最优. 别的, 因为现实车上主动悬架体例中的能源和元件呼应速率的范围, 体例很难对应于反应信号爆发PI = E( x22+ rx 2x23)]0[ xT( t) Qx( t) + uTRu( t) ] dt( 11)[ 5].67 第 2 期 刘少军等 车辆主动悬架体例及其担任手腕 实时和足够大的担任力, 从而范围体例减振恶果. 所谓预思担任, 是体例通过某些手腕对车辆前哨的途面境况举办检测, 并依照这个情形决意相应的担任力, 因为能针对实在现实途面情形, 而且有较充沛的时刻做计划和安排, 以是体例可望取得好的担任恶果.预思担任的骨子是将前哨途面的状况行动预思变量举办前馈, 不少学者们构制过少少算法, 得到过少少结果, 本文作家也曾采用过扩展差错体例手腕, 将预思担任题目转化为一个 LQG 题目求解, 并正在日本丰田汽车的主动悬架模仿装配上施行了仿真和实行商酌. 实行结果解说, 采用预思担任方法时, 正在谐波状途面作对和阶梯状途面作对下, 体例都具有比最优担任方法下更好的减振职能, 更加正在阶梯状途面作对( 突加作对) 下稀奇明显, 证明预思担任方法实在能补充体例呼应速率亏空而进步担任恶果种有前程的担任方法.正在现实中施行预思担任的一个枢纽题目正在于预思音信的取得. 日本三菱公司曾采用过正在车头上装配超声波预思传感器的计划, 也举办了实行车的试验, 但平昔未适用. 另一种计划是只将前轮上获得的途况音信行动预思谍报对后轮举办预思担任. 中邦留日学生项东辉等所做的仿真商酌解说这是一种可行且有用的手腕. 本文作家的商酌也声明了这一点2. 4 H] 担任跟着近年来 H ] 担任外面的发扬和通行, 有些学者也将H ] 担任手腕利用到了主动悬架的担任打算中. 汽车主动悬架的 H ] 担任有如下两个厉重长处:a. 思虑到人类对分歧频率的振动的反响敏锐水平分歧, 正在人类对振动的反响敏锐区( 商酌结果解说为 4~ 8 Hz) 内实行较大的反应增益, 从而爆发较大的担任输出;b. 思虑到体例数学模子的不确定性( 筑模的差错、 乘员数改观等惹起的体例参数改观等) , 担保体例的安静性.主动悬架的 H] 担任打算经常采用回途整形工夫, 其厉重权术是以灵活度函数和补灵活度函数划分反响体例的职能品德( 如振动特色) 和鲁棒性, 依照担任方针, 正在分歧频率范畴内划分对灵活度函数和补灵活度函数予以分歧水平的处分, 从而担保希冀的担任恶果. 比方, 正在人类振动反响敏锐频率区内使悬架具有优秀的隔振特色、 正在高频时担保体例的安静性. 日本的川谷等曾针对丰田汽车公司的主动悬架体例做过这方面的商酌, 并正在实车上得到了很好的实行结果. 本文作家也为所筑的高速开闭阀液压主动悬架体例打算过一个H ] 担任器, 仿真结果解说, 与最优担任方法比拟, 体例正在 4~ 8Hz范畴内的隔振恶果和 10Hz 以上时的体例安静性均获得增强来得到有用而适用的担任恶果, 使体例的职能目标和安静性均获得满意, 关于汽车如此一种公众产物而言尽头无意义. 但因为打算庞杂、 所得担任器阶数较上等因为, 正在实车上施行尚有少少题目需求处置.2. 5 隐隐担任汽车主动悬架体例是一个庞杂的非线性体例, 其数学模子相当庞杂, 采用已有的通例的担任外面很难到达好的担任恶果. 而隐隐担任体例因为不需求扶植体例切确的数学模子, 能够避免因体例筑模差错带来的影响, 从而得到较好的担任恶果.隐隐担任利用于车辆的主动悬架打算始于 90 年代初, 且正被投以越来越众的闭切. 1992 年 Ych 和Tsao 初次利用隐隐担任, 使车辆正在尽头不屈的途面上行驶时, 悬置质料仍根本仍旧秤谌, 且实施器永远作事正在批准的范畴内. 1994年, 他们又提出隐隐预思担任计划, 结果声明能得到令人合意的职能恶果.1993 年Linetal 运用可靠车辆的悬架特色和数据, 构制了一个基于 1 P 4 车辆模子 MRST- PLC 担任器. 仿真结果解说, 所提出的隐隐逻辑担任器, 能供应趋近于 0 的悬置质料加快率, 有用的革新了乘座安闲性, 况且具有较好的鲁棒性.1996年 Yoshimura 将隐隐推理利用于半主动悬架. 该车辆体例由非线性微分方程模描画, 通过隐隐推理从若干类阻尼力当选择适合的一类阻尼力. 仿真结果解说, 所提出的半主动悬架大大革新了车身的加快率1998年, 美邦的 Viassolo 对 1P 4 车体举办了隐隐担任的商酌, 他以车身的笔直加快率最小为担任目[ 6], 是一[ 7][ 8].[7]. 这种手腕的骨子是合理的分派和利用体例的担任能量[ 9].68 湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报 2003 年 标, 采用双闭环组织的担任体例. 内环担任非线性的液压实施器跟踪给定的担任力 Fcmd , 外环采用隐隐担任器, 其担任参数通过基于遗传算法的最优担任确定. 计划解说采用隐隐担任能够得到很好的担任恶果.邦内也举办了相闭隐隐担任的商酌, 但厉重限定于从体例的角度采用隐隐担任政策商酌实施器要爆发的担任力的巨细. 而没有涉及到实在实施器实怎么告竣和担任的, 商酌的结果也仅限定于体例的仿真阶段, 很少有试验装配和现实结果.隐隐担任体例具有较好的鲁棒性. 这是由隐隐担任器内正在的道理决意的. 隐隐担任的输入输出变量自己即是隐隐化的, 它不依赖于体例切确的物理参数. 以是能够很好的适宜体例的时变. 这对现实车体担任很无意义, 由于现实车体的参数是随车成员的数目、 燃油、网上信誉搏彩平台排行 载荷等外部成分而时变的.2. 6 其它担任手腕除了上述的担任手腕外, 有些学者还做过其他少少讨论, 譬喻自适宜担任、 神经搜集担任、 两时刻体例担任等等, 都从某些方面得到少少希望, 但也还都停滞正在数字仿真阶段. 这些手腕的相闭情形已正在其他少少文献中( 如文献[ 11] ) 获得了较详尽的先容, 本文不再赘述.[ 10]3 主动悬架体例的商酌偏向与发扬前景尽量相闭车辆主动悬架及其担任体例的商酌已得到较大的希望, 但离大宗地正在泛泛车上扩展利用尚有良众作事待做, 目前的商酌作事和发扬趋向厉重集合正在如下两个方面:一是陆续商酌斥地低能耗、 低制价的悬架体例. 尽量前文已道到日本丰田公司斥地的压力担任型主动悬架有必然的价值上风, 但相对公众车型而言制价照旧过于腾贵. 装配一套丰田的悬架体例将使车辆售价填补约130 万日元( 相当于日本一辆泛泛车售价的三分之一) . 况且, 这套体例自重约 60 kg, 并耗费较大能量, 这些都影响了这套体例的大周围普及利用. 以是, 商酌者和制作厂家平昔正在竭力找寻低落主动悬架的制作本钱和能耗量, 如校正担任方法以减小体例中的传感器数目; 商酌以低价的泛泛元件来庖代少少特制的元件( 如丰田公司正测试用泛泛的高速开闭阀来取代特制的压力比例阀) , 等等. 又有一种勤恳是思虑目前的近况, 陆续商酌和斥地具有较高职能的半主动悬架以用于中低档车.另一条途径是借助今世担任外面的发扬和利用, 讨论和打算少少组织相对简便、 担任恶果较好的担任器. 比方, 不少商酌者们以为: 对前轮悬架采用反应担任( 如最优调剂器担任) , 而运用前轮所获途面音信而对后轮举办具有前馈功用的预思担任的担任方法将是一种能统筹体例职能和本钱的计划. 少少操作性好、 智能度高的担任方法, 如神经搜集担任工夫等打算的悬架体例担任器, 也体现出了较好的利用发扬前景. 当然, 能够坚信, 跟着担任外面与工夫的发扬和人们对主动悬架担任题目知道的加深, 将一贯有新的更好的主动悬架体例及担任方法爆发.参 考 文 献[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] Kayaba IND Co. ltd, Automotive Suspension,Sankaido[ S] .1991( in Japanese)刘少军1 由高速 ON P OFF 阀操作的主动悬架体例及担任手腕商酌[ J] . 汽车工程,1996, 18( 4) : .刘少军, 郭淑娟. 高速ONP OFF 电磁阀正在汽车主动担任悬架体例中的利用[ J] . 中南工业大学学报, 1996, 27( 3)Karnopp D,Crosby M J, Harwood R A. Vibration Control Using Semi- Active Force Generation[ J] . Journal of Engineering for industry, ASME, May1974.619- 624.[ 5] Liu Shaojun. Optimal Control of An Active Suspension System Employing High Speed ONP OFF solenoid Valve[ J] . J CEST SOUTH UNIV TECHN -OL, 1997, 4(4) : 36- 40.[ 6] 刘少军. 最优预思担任打算及正在汽车主动悬架体例中的利用[ J] . 中南工业大学学报, 1997, 28( 2) : 67- 70.[ 7] 项东辉, 土谷1/ 走行挪动体N状貌制御K : 1 B 御方法K D $ F0[ A] , ( 日) 计测自愿制御学会论文集[ C] . 1993, 29( 6) : 685- 693.[ 8] [ 9] 刘少军, 基于高速开闭阀工夫的液压主动隔振体例及担任政策商酌[ D] . 中南工业大学博士学位论文, 1997.Yoshimura T,Nakaminami K. A semi- active suspension with dynamic absorbers of ground vehicles using fuzzy reasoning[ J] . Int J of Vehicle De -sign, 1997, 18( 1) : 19- 24.[ 10] Daniel E. Viassolo Fuzzy control for active suspensions Mechatronics V10[ J] .Issue 8 2000,10:897- 920.[ 11] 张庙康, 胡海岩. 车辆悬架振动担任体例商酌的发扬[ J] .振动 测试与诊断, 1997, 17( 1) : 43- 46.69 第 2 期 刘少军等 车辆主动悬架体例及其担任手腕