汽车系统半主动悬架的仿真设计

汽车系统半主动减振器的仿真设计

摘要：本文阐述了卡车半主动悬架的设计与使用。半主动悬架设计的主要目的是为了减小路面影响。通过仿真和参数优化设计了半主动减振器的反馈控制规则。通过仿真试验预测的效果在实车上得到了验证。一辆是卡车试验台，一辆是半拖车拖拉机。仿真实验和实际测量值表明半主动阻尼是实现高路面适应性车辆的一个重要思路。

关键词：半主动悬架半主动阻尼卡车悬架路面破坏路面保护车辆

介绍：

电子控制的汽车悬架，尤其是主动与半主动阻尼器的研究已经开展了很长时间了。主动悬架的主要目的就是提高车辆行驶的舒适性。然而，却忽略了汽车悬架的其他工作情况指标，比如，轮胎－路面动载荷、轮胎－桥和轮胎－土壤等其他工况下的动载荷。

路面网络的维护工作对路面主管机构是一项费用很高的工作。而且，受损路面会对车辆和路面自身造成损伤。每个欧洲国家花数十亿欧元修理维护公路系统，维修费用占全部公路费用的40％～80％，约占国民生产总值的0.4％。

尽管我们尚未对路面损伤的机制有清楚的了解。但有一点我们可以证实，即路面损伤很大程度上由重型车辆交通所致，当然还有一些其他的影响因素，如路面结构、气候、环境影响等。人们研究所有这些因素对路面的影响已经多年了。车辆对路面的破坏是由轮胎与路面的作用力所致[8]。计算结果表明，一辆满载卡车对路面的破坏程度是一辆客车的10000倍。目前，国家标准只对轮胎－路面的静力作了限制。然而，最近的DIVINE和SADTS项目研究表明，轮胎－路面的动载荷部分对路面和桥梁的破坏更大。

伴随着价格低廉、功能强大的电子元件和作动器技术，人们对设计要求的提高促使了可控悬架的广泛研究。很多情况下，半主动作动器取代了全主动。半主动悬架不可能取得像全主动悬架一样的性能提高，但是，它具有实用和价格优势。

1.1 半主动阻尼：

半主动悬架因为其与主动悬架相比有很多的优点而倍受推崇，尤其是它相对于现有系统应用方便，而且能耗低。半主动系统中的一个代表就是半主动阻尼器（SAD），它可以根据一些输入信号（通常是电信号）来调节阻尼比。

半主动悬架不需要昂贵、笨重的元件，比如液压泵、储能器、液压管路和作动器等，而仅仅只需要一个可调的半主动阻尼器。这些半主动系统不能像全主动作动器一样提供相同的力规则；然而，其效果则非常接近于全主动悬架，并且能节省很大的作动能量。在许多应用中，当前的被动阻尼器很可能被半主动取代，这些可以通过可控孔口和电流变流液或磁流变流液实现。

变阻尼孔半主动阻尼器就是通过在原有被动液压阀上增加一个可变阀孔的螺旋阀，其阻尼比的变化液依赖于螺旋阀的输入电流。

研究的阻尼比连续可变的半主动阻尼器Mannesmanm Sachs CDCN 50/55。所需输入电流的变化范围为0.6A～2A。0.6A反映了最小阻尼曲线，而2A对应了最大阻尼曲线。半主动阻尼器结构拥有先进的失效安全功能：当输入电流为0时，比如外部线路断了，阻尼值自动设置为中间值。所谓的失效－安全保障特性参见图1。

由图1，很明显，半主动阻尼器有一个很有限的动作区域，最大阻尼曲线和最小阻尼曲线限定在第一和第三象限。控制单元将所需的输入力转化为可以实现的作用力，这个例在特性区域范围内并和电流值相对应。比如，实际速度所需的力大于系统可以提供的最大力，则输出力就取系统可以提供的最大力；若需要的输入力比比系统的最小输出力小，则输出最小的输出力。如果所需的力和实际速度符号相反，即需要产生能量（可以证明这种情况对半主动阻尼器是不可能的），输出力就由最小耗散能确定。

阻尼器的动态特性由几个因素确定，如液体的可压缩性、阻尼器覆盖件与支承轴的特性。而且，半主动阻尼器的动态特性取决于螺旋阀的动力学特性。

2. 开发策略：

采用两个不同的车辆进行实验证明：（1）一个是1995～1998年SADTS项目中的SKODALIA2卡车平台，见图2。（2）在1999～2000年IKA RWTH Aachen的一个带有半拖车的M.A.N拖拉机，见图3。

半主动悬架可能的实现型式通过选择的传感器和反馈规则而不同。两种卡车驱动轴都采用空气弹簧支承，从被动悬架的角度来看，这些卡车可以按照路面保护性能分类[9]，卡车驱动轴上用可控的半主动悬架取代了被动阻尼器，并且安装了相应的传感器，接着，一项重要的工作就是通过对半主动阻尼器计算机仿真和参数优化寻找和设计一种有效的控制规则，将控制方式转化为控制件，然后通过户外实验验证半主动阻尼器的优点。

2.1 设计方法：

文献6和10开发了一种先进的半主动悬架设计方法，它可以算是整车机械系统的设计方法。传统可控汽车悬架的设计方法状态是基于限定设计模型开展的，线性控制规则是基于线性模型而设计，实验参数调节取代了限定的实验证明。设计模型仅仅局限于1/4或1/2车辆模型，自由度很少，采用线性动力学模型和线性控制规则，通过采用线性二次型设计过程从主动悬架到半主动悬架，牢牢围绕最有控制方法，很少有实验验证，大多数是模型验证和控制规则的应用。

相反，先进的设计方法是基于充分利用时机设计和仿真模型开展，而且充分考虑了控制器的非线性。采用实际模型就是充分考虑了系统的非线性量和重要的自由度。尤其，在垂直方向上论文中简化的1/4车辆模型的弹簧、阻尼、轮胎刚度实际是非线性的，由简化得出了合理的控制设计，然而，这些必须在实际系统上检验。而且控制器的设计必须可以实现非线性系统线性量和非线性量的有效综合。这种先进控制方法的设计与应用描述如下：建模：组合系统（MBS）软件可以由1/4到整车建模。在同样的环境下，所有的因素都易于实现，可以根据需要实现复杂和非线性。特别是可以包含一些本质的非线性因素。

控制规则设计：由于忽略自由度和本质非线性因素对实际系统的研究至关重要，完全控制了的非线性模型已经在控制设计环境中实现，比如，通过MBS建模和控制设计界面，这种方法没有在原理上把控制设计限定于过渡简化模型；然而，由于下述原因还是要使用简化模型：1.设计方法只能局限于低序先行模型2.计算量、物理观察必须基于简化模型，尤其是在早期设计阶段。

然而，在任何阶段使用更复杂的系统对简化模型控制规则效果进行计算，而且可以使用更高级的设计。假如设计方法可行，基于仿真的设计在理论上可行。比如，在设计环中，可以通过使用仿真模型，考虑任意多的自由度。其他控制设计程序可以使用低序模型，只有少数几个自由度，而本质是非线性的，比如，作动器的特性应该保留，这是通过参数优化程序对非线性控制规则参数调节尤为重要。

证明：这种方法要求对模型系统证明，而且要对控制的卡车进行最后的测试。对卡车模型进行设计、实验和验证的主要步骤如下：

1.开发一个包含所有自由度和非线性的MBS模型

（a）证明模型的正确性

（b）根据系统特性或复合性对模型进行简化以便深入研究，包括线性化处理。

2.自动将任何所需的复杂模型数据转化为控制设计环境

3.由简化模型到高级模型完成控制器设计，根据复杂模型测量计算作用效果

4.实现多目标参数优化：基于最佳模型对控制规则和其他设计参数优化调节。

5.对硬件（行驶车辆）进行有效性测试。必须指出设计过程应该很快，因为尽量对优