1概述
为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式一直在不断地更新和完善，尽管这样，传统的被动悬架仍然受到很多限制，主要是难于同时改善在不平路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性，即使采用优化设计也只能保证悬架在特定的激励发生变化后，悬架的性能亦随之发生变化，为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制，近年来，汽车工业中相继出现了性能更加优越的主动悬架和半主动悬架。
1.1电子控制空气悬架发展综述
概述了国内外电控空气悬架的发展历程及现状 ,介绍了电控悬架系统的组成和基本工作原理及其功能特点。
1.2国内外车辆主动悬架研究
汽车悬架系统对提高汽车行驶平顺性和操纵设备的隔振 ;美国首先在普尔曼车上使用空气弹稳定性起着重要的作用。随着电子技术、测控技簧 ,此后意大利、英国、法国及日本等国家相继对术、机械动力学等的快速发展 ,使车辆悬架系统由空气弹簧作了大量的研究工作。
(1) 国外汽车空气悬架
传统被动隔振发展到振动主动控制。特别是信息气悬架发展经历了“钢板弹簧 —气囊复合式悬架科学的
研究以及以机械系统运动学、多体动力学架—被动全空气悬架—主动全空气悬架 (即 和控制理论为核心的虚拟样机技术等各种先进的ECAS电控空气悬架系统 ) ”的变化型式 。
(2)目计算机仿真技术的迅速发展 ,实现了与现代控制前 ,空气悬架在国外高速客车和豪华城市客车上策略和计算机信息技术的有机融合 ,使悬架系统的使用率已接近 100% ,在中、重型载货汽车和挂电子控制技术在现代控制理论指导下更趋完善 ,车上使用率已超过 80% ,部分高级轿车也逐渐将同时已开始应用于车辆悬架系统的振动控制 ，使空气悬架作为标准配置 ,在列车上应用也日益广ECAS振动控制技术得以快速发展。
在一些特种车辆上 ，如对防震性要求高的仪表车、救护车及要求带高度调节的集装箱运输车 ,电子控制空气悬架系统发展历史气弹簧悬架的应用更为广泛 。
我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比还处于明显的落后地位,随着高档客车制造技术的引进以及满足人们对舒适性要求的提高,加上国家对客车等级划分的标准要求,空气悬架才开始逐步应用起来。目前,国内拥有空气悬架项目的公司为数众多,但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造的却寥寥无几。国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多,对设计匹配等技术环节往往存在先天不足[ 2 ]。但是由于种种原因,这些研究成果大多还停留在理论上,产业转化率非常低。其实我国早在20世纪50年代就开始对空气弹簧进行研究, 1957年,长春汽车研究所开始了空气悬架技术的研究,不少高校的相关专家学者及研究机构多年来也做了大量富有成效的工作,并取得了许多重要研究成果。但这阶段的研究工作也存在一些问题,如高度控制阀的可靠性,橡胶空气囊的寿命偏低,整个系统的密封性,悬架的稳定性以及空气弹簧的特性理论等问题没有得到很好的解决。空气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;另一方面没有建立一套完善的设计评价体系。
2 电控悬架系统的组成、工作原理及其功能特点
2.1电控悬架系统的组成
现在汽车用的电控悬架引入空气悬架原理和电子控制技术,将两者结合在一起。典型的电子控制空气悬架系统的组成由空气弹簧减震器组件、执行器、电控单元ECU、高度控制压缩机、传感器(高度传感器、转向传感器、车速传感器、节气门位置传感器)等组成。
2．2电控悬架系统的工作原理
ECAS是通过电子控制空气悬架系统同时实现多种功能的控制系统。ECAS控制是通过电子控制单元ECU进行整体控制,传感器和开关将路面输入的模拟信号转换为数字信号传送给控制单元ECU ,控制单元ECU将传感器输入的电信号进行分析处理后输出控制信号给执行元件,执行元件的机械动作改变减振器的阻尼和空气弹簧的刚度,从而大大提高车辆乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性等性能。控制策略最终是通过执行机构对悬架的振动特性进行调解的,为保证主动悬架的良好性能,执行器必须具有灵敏、稳定、可靠、能耗低、成本低等特点[ 10 ]。执行机构往往代表着主动悬架系统的发展状态。根据主动悬架的结构特点,执行机构分为两种,即空气悬架刚度调解系统和减振器阻尼力调节系统。现在执行器的研究主要集中在直线伺服电机、电磁蓄能器的方向。调解阻尼最常用的一种方式还是使用粘性连续可控的新型智能材料(电流变或磁流变液体等)作为减振器工作液,从而实现阻尼连续调节。磁流变液阻尼器是当今被认为最有发展前景。因此,当前乃至今后应该以此为重点,研制高性能磁流变材料、优化磁路及结构设计展开技术攻关;电液控制理论和计算机技术越来越快的发展,以及传感器、微处理器等电液控制元件越来越精的制造技术提供了良好的硬件支持。
电控空气悬架系统是利用压缩空气充当弹簧,弹簧刚度、车身高度和减振器阻尼力可同时得以控制,且各自所取的数值由电控单元根据当时的运行条件来自动控制。通过自动调节可实现车辆保持不同高度;通过参数设置, ECU可实现不同功能;也增加了许多辅助功能以适用于不同的行驶状况,特别是车辆传动系统的过渡工况,包括车辆的起步、加速、减速、换档、制动、转向等。对货车可以便于货物的装卸;也可根据不同的使用情况,实现不同的载荷分配方式等功能。
2.3电控悬架系统的功能特点
ECAS大大提高了悬架的相关性能以及系统的使用可靠性,减少了空气消耗,在车辆行驶过程中无空气消耗,常规空气悬挂相比, ECAS可节省大约25%的空气消耗。具体的控制内容如下:
(1)减速抗点头:当车辆紧急制动时,安装空气悬架的车辆可以通过高度阀给前悬架空气弹簧充气,增加其刚度,使后悬架的空气弹簧放气,降低其刚度,从而抑制点头。
(2)加速抗仰头:通过节气门位置传感器检测节气门移动的速度和位移。当车辆快速加速时, ECU通过执行器将弹簧刚度和减振器阻尼力调到高值,安装空气悬架的车辆可以通过高度阀使前悬架的空气弹簧放气,降低其刚度,使后悬架的空气弹簧充气,增加其刚度,从而抑制仰头。
(3)转向防侧倾:当汽车急转弯时,安装空气悬架的车辆可以通过高度阀,由装在转向轴的传感器检测转向盘的操作状况。在急转弯时, ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力转换到高值,使外侧的空气弹簧充气,增加其刚度;内侧的空气弹簧放气,减小其刚度,从而减小车身侧倾。
(4)调节货箱到合适的高度,使之与货物平台能顺利对接,方便货物的装卸,提高了工作效率。
(5)改善汽车的行驶平顺性,也减少对路面的损坏、限制货车超载。空气悬架的寿命由空气弹簧的橡胶气囊决定,可以根据汽车的额定载荷设定气囊的最大载荷,让其在汽车超过额定载荷后失效,从而有效地控制超载,这样既能降低车轮对路面的冲击载荷、减少对路面的损坏、延长公路的使用寿命,又能极大地降低交通事故发生的可能性。
3 电控悬架系统的控制策略
电子控制悬架技术通过采用优化的控制策略,大大提高了悬架的相关性能以及系统的使用可靠性。最早的主动悬架控制策略是天棚原理。随着现代控制理论的发展,提出了主动悬架的最优控制方法。由于实际悬架系统中为非线性的、时变的、高阶动力系统,最优控制效果不太稳定,为此又发展了滑模控制和自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能,能适应悬架载荷和元件特性的变化,自动调整控制参数,保持性能最优。目前发展最迅速的控制策略是智能控制、模糊控制和神经网络控制以及综合控制等。
下面几种是基于现代控制理论的电控悬架控制方法代表。
3．1天棚阻尼器控制方法
由美国的D. KARNOPP教授提出的天棚阻尼器控制理论,假设车身上方有一固定的惯性参考,在车身和惯性参考之间有一阻尼器,执行器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制算法简单,只要合理选择参数,可彻底消除系统共振现象。但天棚阻尼器控制只考虑了幅频特性,不包括相频特性,这就产生了用传递函数评价性能指标的不确定性问题。
3．2最优控制方法
采用最优控制的前提是获得大量的状态信息,对硬件系统的要求很高,而且状态重构带来一系列性的问题。应用最优控制方法可使汽车悬架振动控制具有较强的适应能力。但由于实际的车辆系统往往是时变的非线性系统,从而使实际系统达不到运用最优控制理论所预期的性能,在车辆上运用的最优控制方法常用的有线性最优控制、H∞最优控制等。
3．3预测控制方法
鲁棒前方路面状态作为预测变量,以更有效的控制方式进行“前馈”控制,因而主动悬架的潜力将可以得到充分地发挥,这就是预测控制。 如果由于道路的不规则而引起的路面干扰能在车辆到达之前被测得,且这个信息能够被控制器在决定系统控制力时加以考虑和利用,那么控制器即可将方法最常见的一种是轴距预测控制或轴间预测控制。预测控制的问题表现在预测距离是一定的 ,因此预测提前时间取决于车速 ,这样必然具有时变性 ,而预测控制仍以线性时不变系统为研究对象 ,测量、参数的时变性和非线性对系统的影响还没有得到解决。另外 ,用预测信息来控制悬架执行机构的动作的核心技术是信号的获取精度问题 ,要求不受干扰地真实反映路面信息 ,对传感器等信号的收集和处理的要求很高 ,这往往导致成本、可靠性方面的投人相应增大 ,应用中要重点考虑。
3．4自适应控制方法
自适应控制是指系统的输入和干扰发生较大范围的变化时 ,所设计的系统能够自动适应环境 ,调节系统参数或控制策略
,使系统性能指标仍能达到并保持最优。采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统可以较好地该善车辆的行驶特性 ,但在自校正控制过程需要在线辨识大量的结构参数 ,所以导致计算量大 ,实时性不好 ,当悬挂系统参数由于突然的冲击而在较大的范围变化时 ,自适应控制的鲁棒性将变坏。
3．5模糊控制和神经网络控制
模糊控制理论自 1965年提出以来得到了飞速的发展 ,在控制领域中的应用 ,尤其在汽车底盘电子控制系统中的运用更是日渐广泛。模糊控制不需要精确的控制对象模型 ,它是以大量的经验知识为基础 ,控制逻辑简洁有效 ,非常适合于悬架系统的控制。近年来 ,许多研究人员和工程师用模糊控制的方法对车辆悬架进行大量的研究 ,对提高汽车的平顺性 ,减少车辆的振动起到了一定的效果。神经网络以其强大的非线性映射能力、自学习适应能力、联想记忆能力、并行处理方式及优良的容错性能 ,作为一种并行分布式处理系统 ,它具有自动知识获取、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推理能力,故在汽车悬架控制中有广泛的应用前景。但神经网络有难以保证解的唯一性;局域性差;基函数非正交,收敛速度慢;难以确定逼近的分辨尺度等不足。模糊控制和神经网络控制是建立在专家知识和经验的基础上的,人为因素在其中占据着很重要的角色,而不是依赖于控制对象的模型,因此是一种智能控制。
3．6综合控制方法
车辆悬架控制方法的研究几乎涉及到控制理论的所有分支,当前应用于汽车悬架振动控制的控制策略很多,而得到的效果只能说是优越于被动悬架。原因是各种控制策略都有自身无法弥补的缺陷,解决办法就是将两种甚至多种控制策略相结合,对悬架进行综合控制。纵观车辆主动、半主动控制领域,只运用一种控制策略的成功案例并不多见,而采用综合控制策略的成功应用却很多。采用综合控制方法则往往能得到意想不到的结果,如近期的文献记载的控制策略设计有自适应控制与最优的联合控制;滑模、反馈与模糊控制的复合;滑模、自适应与模糊控制的复合;神经网络控制与模糊控制的复合等等。研究表明,利用综合控制方法更适用于汽车、悬架这样复杂非线性系统的建模与控制,所以,综合控制方法是今后控制策略研究的一个重要方向。
4 ECAS需要解决的问题和发展前景
虽然电子控制空气悬架被认为是汽车的发展趋势之一,但距离大面积市场推广还有很长的路。毕竟这种高端产品的价格比普通空气悬架高一倍,一种先进产品的推广主要靠政府法规的引导以及市场需求的发展,电子控制空气悬架也不例外。不过公路条件的改善为汽车空气悬架创造了基本的使用条件;重型汽车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深,政府对高速公路养护的重视,限制超载逐步在国内各地受到重视等,汽车的设计越来越以人为本的思想,采用电子控制空气悬架系统不仅可提高乘坐舒适性,而且能够实现整车高度的自动升降,还具有侧倾功能,方便行动不便者上下车,大大提高了车辆的舒适性等,都使空气悬架市场的应用也将进一步扩大。
当前的研究主要集中于以下4个方面:
(1)在控制策略方面:由于车身高度控制及车身姿态控制可在很大程度上提高车辆整车性能,而且空气悬架在结构上保证了车高及姿态控制的方便实现,因此结合先进实用的控制算法对电子控制空气悬架进行控制将成为未来发展的必然趋势,综合控制应该是今后研究工作的一个重点,当然不管怎么各种控制策略怎么组合,简单实用最好,还要考虑成本等经济效益,纵观国内外都是如此。更高层次的改进是将ABS, TCS, ASR等控制系统与悬架控制系统的集成,即组成汽车动力学集成控制系统,这将是车辆悬架系统与车辆其他控制系统集成化发展的方向。
(2)在执行机构方面:磁/电流变等新型减振器的应用与研发,新型传感器,车载计算机等硬件的研发有助于电子控制技术的深化,目前已提出了多种的方案,并期待着这种新式传感器的出现;从地球环境来考虑,为进一步节约能源,悬架控制向高压力化、高电压化、小型轻量化发展;并且出现了混合动力空气悬架汽车,电子控制悬架将进一步向高性能方向发展。
(3)在理论方面:目前在我国应加强空气弹簧基本理论研究,以掌握有自主知识产权的关键技术;应继续对空气悬架关键部件的设计、制造技术进行探讨与创新;应对空气悬架与整车匹配技术进行深入研究;空气弹簧的小型化;空气弹簧刚度多级甚至无级可调;空气悬架控制的进一步智能化等。
(4)虚拟样机技术( virtual p roto2 typ ing)等各种先进技术和方法在ECAS研发中的应用也是关键:虚拟样机技术是当前设计制造领域的一门新技术,是一种基于仿真的设计,以机械系统运动学、多体动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面的新技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供了一个全新研发机械产品的设计方法。多体动力学分析软件在汽车工程中应用到方方面面,并且与有限元,模态分析,优化设计等软件一起构成一个有机的整体,这些软件结构性强、功用完备、操作方便,为汽车悬架动力学研究提供了功能强大、效率颇高的研究工具。在众多的软件中,汽车工业中广泛应用的MSC. DAMS则是非常具有代表性的一个运动学与动力学仿真软件,目前市场上占有率最高,该软件在为客户提供通用平台同时还专门提供了用于车辆分析的专门模块(ADAMS/CAR ) ,其中就含有功能齐全的悬架设计模块,集成了许多公司在汽车设计、开发等方面的经验。在实际物理样机试验困难的情况下 ,虚拟样机技术是进行空气设计效率 ;缩短产品开发周期 ,降低开发成本 ,提悬架的设计和研究的有效方法。联合仿高产品的竞争力。虚拟样机技术为 ECAS的设计:在各种 CAD、CAE、CAM技术中 ,利用虚拟样和开发提供了一种全新的方法。将来的发展机技术对机械和控制系统进行联合仿真技术是近应该从这 4方面入手 ,并且应该加快实车应用的年来发展较快的一种。比较常见的有 ADAMS进度，和 MATLAB进行联合仿真 ,应用两种软件进行了整车虚拟样机操纵稳定性协同仿真 。
结 论
由于充分考虑了控制系统的行为 ,联合求解所得的结果是电子控制空气悬架可以提高车辆乘坐舒适实而准确的。由于机械系统和控制系统共同享有性、行驶平顺性和操纵稳定性 ,代表了目前汽车悬同一样机模型 ,可以利用虚拟样机对悬架系统和架的发展方向。随着人们生活水平的提高 ,对汽控制系统进行反复的调试 ,直到获得满意的设计车舒适性的要求也越来越高 ,毫无疑问 , ECAS这一效果 ,然后再进行物理样机的建造和调试 ,提高了先进的悬架系统在汽车上的应用将越来越普及。
