汽车半主动悬架关键技术的现状和展望

摘 要：文章介绍了国外典型半主动悬架系统的产品特点,详细阐述了半主动悬架的关键技术以及其发展现状,同时对汽车半主动悬架系统的研究与开发进行了展望.

关 键 词：汽车；半主动悬架；关键技术；可调阻尼减振器

中图分类号：U463.33文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）09-0081-02

半主动悬架系统是无源控制,系统输入少量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性（刚度或阻尼系数）,作动器低、能耗小、结构简单,又因系统动特性变化很小,仅消耗振动能量,故稳定性好,同时减小振动的能力几乎和主动悬架一样,其控制品质接近主动悬架.因此半主动悬架技术日益受到人们的重视,已成为当今国内外学者和生产商研究和开发的热点.

1国外典型半主动悬架系统产品特点介绍

1.1Tenneco连续控制电子悬架系统（CES）

天纳克（Tenneco）公司的连续控制电子悬架系统是一种半主动悬架系统,能够按照路面条件和驾驶状况对悬架阻尼进行连续性调整.CES的核心部位是一套先进的阀控系统,该阀控系统整合了电子控制器和底盘传感器,使之共同作用以实现最佳阻尼特性.CES机电阀控系统的调节速度非常快,通常在10ms左右,这一速度足以满足最高达20Hz的车轮振动频率,在满足车身振动控制之外还可实现对车轮振动模态的控制,Tenneco连续控制电子悬架系统如图1所示.

1.2ZFSachs连续阻尼控制系统（CDC）

采埃孚萨克斯（ZFSachs）公司的连续阻尼控制系统（ContinuousDampingControl,CDC）是一种半主动悬架系统,该系统通过对每个独立的车轮施加优化的阻尼力,能够显著地改善汽车的操纵稳定性、舒适性和安全性.CDC主要由阻尼可控减振器、电控单元、传感器等构成.传感器获取车身、车轮,以及侧向加速度等信号,电控单元对传感器得到的有关信号进行实时分析处理,使得由于载荷、行驶工况,以及路面状况等造成的影响得以自动校正,ZFSachs连续阻尼控制系统（CDC）如图2所示.

从以上两种成熟的半主动悬架系统产品可以看出,目前,半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面,连续可调阻尼减振器是整个系统中的核心.

2半主动悬架系统发展的关键技术

2.1可调阻尼减振器

目前,在半主动悬架系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼困难,因此半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面,即将阻尼可调减振器作为执行机构.

筒式减振器阻尼产生机理有两方面：一是减振器油液有黏度,二是减振器油液流经各节流口时产生阻力,即为减振器阻尼力.从简式减振器阻尼产生机理来看,实现阻尼调节的方式有两种：一是调节减振器油液的黏度,二是调节节流口的开度.

采用第一种方式（即调节减振器油液粘度）实现调节阻尼的减振器,根据不同的机理又可以分为两种：电流变减振器和磁流变减振器.磁流变（电流变）减振器是以磁流变（MR）液体（分散的铁粉微粒）为介质的柱式减振器,通过传感器感知悬架减振系统的运转,通过调节电流改变磁场（电场）强度,改变磁性流体的粘、剪特性,进而达到改变阻尼特性的目的.

采用第二种方式,通过调节节流口开度实现阻尼调节的减振器,是在传统双筒式减振器的基础上发展而来的.一般有两种实现方式：一是采用步进电机调节内置于活塞上的节流口实现调节阻尼,这种方式通过调节活塞杆芯转动阀片,控制活塞上的节流孔的开度大小,从而实现阻尼的连续调节；二是在原有的双筒式减振器基础上增加中间缸和电磁阀实现调节阻尼.理论和实际证明,采用调节节流口开度的方式实现阻尼调节成本较低,易于实现,经过结构优化,可以较好的解决阻尼迟滞现象,易于商业化.国外对之进行了大量研究,并已有商业化产品问世.有代表性的产品已如美国天纳克公司生产的电子减振器以及德国萨克斯公司生产的连续可变阻尼减振器,如图3所示.

2.2控制策略

skyhook阻尼控制策略是一种经典的半主动悬架阻尼控制策略.美国D·KARNOPP教授提出了该控制方法.skyhook阻尼控制策略能够大幅降低车身垂向振动加速度,而且有良好的鲁棒性.其所需测试仪器少,控制算法简单,因而是目前研究最多,也是应用最多的方法.单一的天棚阻尼控制提高了舒适性,却没有解决好操纵稳定性问题,根据天棚阻尼控制提出的地棚阻尼控制是以非簧载质量为控制对象的一种控制策略,与天棚刚好相反.综合天棚和地棚阻尼控制的优点而产生的混合阻尼控制算法,可以兼顾平顺性和操纵稳定性的要求,目前产业化的半主动悬架系统中采用的控制策略大都是基于skyhook理论的阻尼控制策略,如图4所示.

半主动悬架的控制策略还有很多,比如线性最优控制、预瞄控制、自适应控制、模糊控制等,但出于研究中,并未真正应用在商业化产品上.由于每种主动悬架的控制策略均各有利弊,因此对性能优化的控制器的研发,使各种控制策略的复合成为必然.比如说,主动降振技术的应用.如果当路况有变时再调整悬架系统,这就对执行机构提出了更高的要求,如果根据采集到的历史信号分析预测将来的路况,使悬架系统根据预测做出调整,这样的控制策略将有很大的发展前景.

2.3系统开发评价技术

系统开发评价技术包括系统构型定义、系统与整车匹配的技术、系统试验与评价技术等.半主动悬架的系统构型有多种类型,应根据应用对象（车型、使用工况等）、欲实现的控制功能、成本等诸多开发目标来进行系统构型的定义和规划,根据系统构型定义,进行具体开发工作时,涉及传感器、控制器、执行器等部件的选型和集成.在系统开发过程及与整车匹配过程中,应对半主动悬架系统的硬件在环仿真、在线标定、系统评价等技术给予关注.硬件在环仿真系统中应能够完成整车模型的仿真分析.在线标定系统中应满足道路标定试验的工作需要,具备数据测量、时域信号显示、功率谱分析和结果显示、在线调试、标定功能、悬架控制策略开发和评价系统.

3研究与开发工作展望

可调阻尼减振器的研究具有很大的潜力,方便应用在原有车型上,利于整车企业的应用.在实施过程中,应以整车企业为引导,努力培养像德尔福、博世、TRW、ZF、威伯科等一些专业的零部件企业,由整车企业明确划分悬架系统设计开发的权限与分工,由零部件企业的研发部门负责研发方向、确定系统特性参数,实现悬架产品的技术积累和升级换代.悬架系统是个复杂的系统工程,应以具备生产悬架能力的企业为主导,以电控系统开发商为配合,辅助高校和科研院所的科研力量,协同设计与开发.

目前在汽车悬架系统方面,我国除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外,其他的悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进、仿制或直接购写产品阶段.悬架产品的设计开发滞后,一方面表现在设计手段落后,计算机应力分析、动态仿真在企业中应用还较少；另一方面没有建立起一套完善的设计评价体系,使我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比明显落后.

在半主动悬架系统的研究开发方面,高校的相关专家及研究机构多年来做了大量的工作,目前已取得了一定的科研成果,但还未有商业化产品问世.半主动悬架系统的发展应以市场为导向,以促进产业化发展、奠定技术基础和形成能力、培养人才为出发点,由具有较强技术实力的企业牵头,联合国内外的有关研究所和高校等技术研究机构联合进行技术攻关和产业化开发,研究以开发环境建设、开发技术、评价技术研究为重点,突破执行器设计与工艺关键问题,形成产业化能力基础,全面提升我国半主动悬架开发的技术水平.