汽车悬架系统研究现状综述

汽车悬架系统研究现状综述

【摘要】悬架作为汽车的重要部件，对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有着直接的影响。通过对被动悬架、半主动悬架和主动悬架的对比分析，可知采用半主动悬架是改善汽车悬架性能的一条新途径。文中对汽车悬架的发展现状及不同学者关于悬架系统运用的控制策略作了分析，为进一步研究悬架系统提供了一定的理论基础和参考。

【关键词】悬架系统平顺性控制策略

悬架是车架与车桥之间一切传力连接装置的总称，它将路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（驱动力与制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，吸收和缓和因不平路面而产生的对车体的冲击载荷[1]，并能衰减弹性系统引起的振动，使汽车在行驶中保持行驶的平顺性和操纵的稳定性。

现代汽车的悬架系统尽管有各种不同的结构形式，但一般都由弹性元件、减振器和导向机构（纵、横向推力杆）等三部分组成，分别起缓冲、减振和导向的作用，另外还铺设有缓冲块和横向稳定器。如图1所示。

1 悬架类型

按控制力或者所需外部提供能量的多少，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种类型，其简化模型分别如图2所示。

被动悬架简化模型如图2（a）所示，主要由弹性支承（弹簧装置）和阻尼器（车辆减震器）组成，无外部能量输入，其弹簧刚度和减振器阻尼系数是不可调节的，在汽车行驶过程中无法随外部路面状况而改变，只能保证在一种特定路面和速度下达到性能最优折中，该结构简单，性能稳定，经过不断改进和发展，现在技术已经相当成熟。但由于平顺性和操纵稳定性对悬架参数的要求不一样，这种传统的被动悬架已经不能满足汽车工业的发展。

半主动悬架简化模型如图2（b）所示，由可变特性弹簧和减振器组成，目前应用较多的是基于阻尼可调减振器的半主动悬架。其工作原理是根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节可调减振器的阻尼力。半主动悬架突破了被动悬架系统只能在某种工况下达到最优的局限，并可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整，以改善悬架的振动特性，从而使车身的振动控制在一定的范围内。其最大优点是工作中几乎不消耗发动机的功率，不向机械振动系统中附加能源，只是应用严格的保守（弹簧）或耗能（减振器）元件，结构简单，造价较低，因此受到车辆工程界的广泛重视。

主动悬架由弹性元件和一个力发生器组成，其简化模型如图2（c）所示。

这种力发生器一般是由外部油泵供给能量，产生由控制信号确定的力，即根据车身的速度等反馈信号，按照一定的控制规律产生力。主动悬架是一种有源控制悬架，可以根据路况及车辆行驶条件的变化，主动改变悬架的刚度和阻尼系数，达到汽车乘坐舒适性和行驶安全性同时得到改善的作用。它是在被动悬架的基础上增加一个作动器，根据工况的变化输出相应的控制力，达到提高悬架性能的目的，不仅能控制车身运动，如启动、加速、减速和制动时的俯仰运动，以及转向侧倾等，在高速公路、坏路面等载荷变化时，还能相应调节车身高度。当主动悬架出现故障时，它仍能按被动悬架的方式工作，主动悬架相对于被动悬架，其主要缺点在于消耗能量较多，结构复杂，而且制造成本也相对比较高。

2 国内外悬架系统的研究现状

2.1 悬架系统发展历程

随着汽车工程技术和现代控制理论的进步，汽车悬架技术得到广泛深入和研究。基于振动控制的主动/半主动悬架系统的研究和应用得到了迅猛发展，代表了现代悬架系统发展的方向。

主动悬架的概念是由Federspiel Labrosse于1954年提出来的，首先使主动悬架的基本思想和控制律得到完善总结的是Thompson，他证明了全主动悬架系统对提高车辆性能的作用。20世纪80年代初，车辆主动悬架统的研究和开发成果得到了实现，日产和丰田公司的液力主动控制系统，证明主动悬架系统可使车辆的整体性能得到很大提高。但因主动悬架结构复杂、能耗高，其发展受到一定限制。

70年代初，Rossby和Karnop首先提出了半主动悬架的概念。半主动悬架比主动悬架出现的晚一些，从20世纪80年代中期以来，有关汽车半主动悬架系统的文献和研究成果每年都有报道，比较有影响的学者有Karnopp、Margolis、Thompson和El.Madany等，他们的研究，极大地丰富了汽车半主动悬架的控制理论，有力地推进了半主动悬架系统在车辆工程中的应用，其结构简单、造价低廉，性能接近于主动悬架而受到车辆工程界的广泛重视。日本丰田汽车公司早在1983年就将半主动悬架应用于轿车上[2]，并在概念车和部分豪华商用轿车上装备了各种电控主动和半主动悬架系统。

20世纪90年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的应用。美国和德国研制的以电流变和磁流变体作为工作介质的新型半主动悬架系统，是一种能自动识别道路状况的半主动悬架系统——自动连续调节阻尼控制系统。据称，这一系统不仅可以装配在赛车上，还可以安装在其他高级轿车上。

2.2 悬架系统控制技术的发展

近年来，国内外学者对悬架控制方法进行了大量的研究，控制方法几乎涉及到所有的控制理论的所有分支，许多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制等在悬架系统上

得到了应用。

2.2.1 理论研究

在理论研究方面，近期内的大多数论文和著作的中心论题主要集中在控制策略以及控制器的设计上，其根本目的是为了适应在车速提高的前提下，如何提高整个系统的响应速度，实现最优控制，适应外部激励频率提高的趋势。韩波等研究了汽车主动悬架的自适应和自校正控制的策略和算法，控制器的设计采用了随机线性最优控制理论，在控制算法上提出了自适应算法和自校正算法[3]。

贾小平、V.Gavriloski等根据汽车半主动悬架的基本结构，通过力学分析建立了系统模型。为了克服实际控制系统的动态行为的不确定性，重庆大学李以农等，采用自适应的控制策略，通过使用模型参数递推辨识，以车身垂直加速度及控制信号构成的二次型指标，实现了汽车半主动悬架的自适应随机最优控制。

2.2.2 控制策略

在控制策略方面，针对不同的问题提出了不同的方法。缪赞等提出了自适应的控制策略[4]，刘华等提出了智能控制策略。这些控制策略有效地提高了控制性能和汽车行驶的平顺性。周继铭等人采用了1/4车模型对天棚阻尼器和主动悬架的动力学特性进行了分析，讨论了微分几何法和反馈线性化法的应用。舒红宇等用一个简单的二自由度的汽车模型对主动悬架进行数值分析，通过计算机模拟用频率和频谱响应的方法对振动性能进行研究。由于阻尼系数在连续系统中的变化不如在开关半主动悬架系统中那么敏感，所以采用连续半主动悬架能使瞬态响应的稳定时间得以改善。

3 结语

文章综述了现代汽车悬架系统的分类、国内外发展历史和控制策略的研究现状，可以看出半主动悬架介于被动悬架和主动悬架之间，且结构简单、耗能低、可靠性较高，性能优于被动悬架，成本低于主动悬架，是一种较为理想和具有较大实际开发意义的悬架；并对汽车悬架的发展现状以及不同学者关于悬架系统运用的控制理论与控制策略作了分析，了解其工作原理及优缺点，为悬架控制理论研究和产品开提供了一定的理论基础。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]Yong-san Yoon，Hyuk Kim.Feedforword Neuro-Controlled Active Suspension Using Frequency and Time Mixed Shape Performance Index[J].In t.J.of Vehicle Design.1996，（2）：63～81.

[3]韩波，王庆丰，路甬祥.非线性液压阻尼悬架的优化设计及最优控制[J].汽