半主动悬架设计

悬架历史：随着世界经济、科技水平的发展，人们对汽车的要求也越来越高，因此生产即安全又舒适的高性能汽车成为汽车工业发展的新方向。而作为汽车重要组成部分的悬架，其性能的优越直接影响车辆的安全性和舒适性。因此，悬架的发展先后经历了被动悬架、主动悬架的演变过程。然而，由于被动悬架本身结构的限制，其性能相对较差;主动悬架结构复杂、制造成本较高，在商业上也没能得到广泛应用。后来，人们提出了介于前两种悬

架之间的半主动悬架，它既有被动悬架结构简单、成本低廉，又有主动悬架的优越性能，因此，受到人们的广泛关注。

组成：悬架是车架与车桥之间的一切连接和传力装置的总称。主要由弹性元件、减

振器和导向机构组成。悬架是汽车的一个重要组成部分，它把车架或车身与车轮弹性的连接起来。因此，其性能的好坏直接影响车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

其总体结构如图1.1所示。

悬架按导向机构、弹性元件和阻尼元件不同，可分成不同的悬架类型。以阻尼元件为例，按阻尼元件的不同，可以分成固定阻尼系数的悬架和可变阻尼系数的半主动悬架两种。本文就是以可变阻尼系数的半主动悬架为例进行研究的。

按其发展过程来讲，悬架先后经历被动悬架、主动悬架和半主动悬架三种悬架的发展历程。迄今为止，被动悬架发展历史最悠久，性能比较稳定、技术相对成熟，更兼结构简单、制造成本低廉，因此，仍在各种车辆上广泛应用。但其弹性和阻尼不能随外部工况变化而变化，已经远不能满足人们对乘坐舒适性和安全性的要求。

随着计算机技术的发展和传感器、微处理器及液、电控元件制造技术的提高，使可控悬架在车辆上的应用成为可能。

半主动悬架：半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行捌节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主

动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。1半主动悬架技术发展现状根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而实现乘坐舒适性的提高。 1 9 7 3年，美国加州大学戴维斯

分校学者的D．A． C r 0 S b Y和D．C．K a mo p p 首先提

出了半主动悬架的概念。其基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。

半主动悬架的建模：

1：可调减震器：3．1 可调阻尼减振器设计

有级可调减振器阻尼可在2 ～3 档之间快速切换，切换时间通常为 1 0 ～2 0 ms 。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在大、中等和最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”

三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。 1 ． 2连续可调减振器连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式。

1 ．

2 ． 1节流孔径调节

早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。

1 ．

2 ． 2减振液粘性调节

使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减震液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振

器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的

选择。但电流变液体存在如，电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降，稳定性差，对杂质敏感等问题。要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题：设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源；为保证电流变液体的正常_ T作温度，有一个散热系统；高压电源的绝缘与封装。国外如德国B a y e r 公司和美国L o r d 公司都已有电流变减震器产品。磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级调节。磁流变减振器具有电流变减振器相似的特点，磁流变液是一种由细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中形成的液体。其黏度随着外加磁场强度的增加而递增，直至半固态，而一旦外加磁场消失，它又自行恢复原状，整个过程可在毫秒级时间内完成。美国 L o r d公司、福特公司，德国BAS F等纷纷投入巨资进行了研究，如L o r d公司开发的磁流变液 MRX-l 2 6 P D，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车半主动悬架减振系统。电流变液与磁流变液的特性如表1 所示。它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度

范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。

早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。

3．2 可调阻尼减振器特性试验

试验在MTS公司生产的850 SHOOKABSORBER TEST SYSTEM上进行，试验时，将可调阻尼减振器的阻尼分成8级，分别代表可调阻尼减振器的步进电动机转过12。、24。、36。、48。、60。、72。、84。、96。，采用正弦波作为输入，分别得到8种工况下拉伸与压缩过程中的示功图(图2)

以及速度特性图(图3)。

试验结果表明，设计的可调减振器在5种激振频率下的示功图饱满、圆滑，基本没有空行程和畸形；拉伸和压缩行程时，活塞的拉伸与压缩速度和阻尼力近似为线性关系，因此，这为半主动悬架阻尼控制模型建立时分析其速度特性提供了重要依据。

2半主动悬架控制策略

近年来，国内外学者对半主动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、P I D 控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制等在半主动悬架上得到了应用。

2 ．1天棚阻尼控制