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電子控制懸架的簡介

www.diaoyou.cc 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：jiaer.qx 類別：汽車構(gòu)造維修時間：2008-06-04

　1.懸架的基本功能

　　汽車的懸架裝置是連接車身和車輪之間全部零件和部件的總稱，主要由彈簧(如板簧、螺旋彈簧、扭桿等)、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。當(dāng)汽車行駛在不同路面上而使車輪受到隨機(jī)激勵時，由于懸架裝置實現(xiàn)了車體和車輪之間的彈性支承，有效地抑制、降低了車體與車輪的動載和振動，從而保證汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，達(dá)到提高平均行駛速度的目的。圖5.1.1表示了由螺旋彈簧和液壓筒式減振器所組成的普通懸架，這種懸架當(dāng)結(jié)構(gòu)確定后，其彈簧剛度K和減振器的阻尼系數(shù)C在汽車行駛過程中都不能人為地加以控制改變，即具有固定的懸架剛度和阻尼系數(shù)，因而也稱之為被動懸架。這種懸架所產(chǎn)生的彈性力和”阻尼力由道路和車速等條件決定，雖然不能適應(yīng)廣泛的道路狀況，但因其加工容易、成本低，目前仍然是汽車上的主導(dǎo)裝備產(chǎn)品。

　　汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性是衡量懸架性能好壞的主要指標(biāo)，但這兩個方面是相互排斥的性能要求。平順性一般通過車體或車身某個部位(如車底板、司機(jī)座椅處等)的加速度響應(yīng)來評價，操縱穩(wěn)定性則可以借助車輪的動載來度量。圖5.1.2表示出的彈簧剛度和減振器阻尼不同時車體加速度與輪胎負(fù)荷變化之間的關(guān)系。例如，若降低彈簧的剛度，則車體加速度減小使平順性變好，但同時會導(dǎo)致車體位移的增加，由此產(chǎn)生車體重心的變動將引起輪胎負(fù)荷變化的增加，對操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；另一方面，增加彈簧剛度會提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對路面不平度很敏感。，使平順性降低。因此，理想的懸架應(yīng)在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼，既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩(wěn)定性要求。被動懸架因具有固定的懸架剛度和阻尼系數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上只能在滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間矛盾的折衷，無法達(dá)到懸架控制的理想目標(biāo)。如圖5.1.2所示，賽車由于行駛速度高，道路條件復(fù)雜多變，需要確保良好的操縱穩(wěn)定性，為此以犧牲一定的平順性為代價；豪華轎車一般行駛環(huán)境良好，為確保良好的平順性，則以犧牲一定的操縱穩(wěn)定性為代價。為了使被動懸架能夠?qū)Σ煌牡缆窏l件具有一定的適應(yīng)性，通常將懸架的剛度和減振器的阻尼設(shè)計成具有一定程度的非線性，如采用變節(jié)距螺旋彈簧和三級阻力控制的液壓減振器等。

　　圖5.1.3所示為一種汽車被動懸架中常用的雙筒液壓減振器，以液壓油液為工作介質(zhì)，由于液體流過節(jié)流閥時產(chǎn)生與車體和車輪振動速度相反方向的節(jié)流阻力，從而起到衰減車體和車輪振動的效果。減振器工作時，將工作缸和活塞相對遠(yuǎn)離(相應(yīng)于車輪彈向地面)的過程叫作復(fù)原行程，而把工作缸和活塞相對移近(相應(yīng)于車輪彈向車體)的過程叫作壓縮行程。汽車行駛時，減振器處于“壓縮一復(fù)原”兩個行程的連續(xù)交變過程中，工作液體流經(jīng)工作缸中的活塞閥和工作缸與儲油腔之間的底閥系，兩個閥系之間的相互協(xié)調(diào)配合便構(gòu)成了產(chǎn)生始終與振動方向相反的減振阻力。

　　減振器所產(chǎn)生的阻尼力隨著其工作速度(定義為活塞與工作缸筒的相對速度)變化的關(guān)系稱為減振器的速度特性。如圖5.1.4所示。速度特性是評價減振器性能好壞和進(jìn)行懸架匹配設(shè)計的基礎(chǔ)。圖中的Fe和Ve代表復(fù)原阻力和復(fù)原速度，F(xiàn)c和Vc代表壓縮阻力和壓縮速度。當(dāng)速度相同時，通常Fc=(0.25～0.50)Fe。圖示的速度特性曲線可分為三個階段，即常通孔節(jié)流階段，此時阻尼系數(shù)為Ce和Cc，且有Fe=Ce·v，F(xiàn)c＝Cc·v；以后是以彈性元件控制閥門進(jìn)行節(jié)流的階段，也有一個近似線性的阻尼系數(shù)(可以用Ce’和Cc’來表示)，第三是彈性元件達(dá)到最大的變形量，控制閥達(dá)到最大開度的階段，此時以較大的常通孔節(jié)流為基礎(chǔ)，形成更高的工作阻力，并且有近似線性的阻尼系數(shù)(可以用Ce’’和Cc’’來表示)。這樣，可把整個非線性速度特性看成是分段線性的。由于在不同的階段減振器所提供的阻尼力不同，這三種速度階段的阻尼力變化關(guān)系也稱為被動懸架的“三級阻力控制”。阻力隨速度變化關(guān)系的好壞直接影響著汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。低工作速度階段對應(yīng)于低車速或較好路面，此時以平順性為主要矛盾，所提供的阻尼力較低，高工作速度階段對應(yīng)于高車速或較壞路面，此時以操縱穩(wěn)定性為主要矛盾，所提供的阻尼力較高。

　　電子控制汽車懸架的基本目的是通過控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和減振器阻尼，突破被動懸架的局限區(qū)域；使汽車的懸架特性與行駛的道路狀況相適應(yīng)，保證平順性和操縱穩(wěn)定性兩個相互排斥的性能要求都能得到滿足。目前，采用電子控制的懸架主要有主動和半主動懸架兩種，電子控制的半主動懸架已經(jīng)達(dá)到了商品化的程度，而主動懸架目前還處在以理論研究和樣機(jī)研制為主的階段。

　　2.主動懸架的基本概念

　　由于被動懸架設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)是在滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷，所以，對于不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的，基礎(chǔ)上犧牲次要性能，無法適應(yīng)廣泛的性能需求和道路條件。盡管被動懸架在設(shè)計上以不斷改進(jìn)被動元件而實現(xiàn)了低成本、高可靠性的目標(biāo)，但始終無法徹底解決同時滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求。為此，自60年代起產(chǎn)生了主動懸架的概念，并且隨著現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展及其在汽車上的廣泛應(yīng)用，為從根本上解決平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求展示出了新的途徑。

　　主動懸架的組成如圖5.1.5所示，采用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)取代了被動懸架的彈簧和減振器。主動懸架既無固定的剛度又無固定的阻尼系數(shù)，可以隨著道路條件的變化和行駛需要的不同要求而自動地改變彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)。能夠?qū)崿F(xiàn)對每個車輪進(jìn)行單獨(dú)控制，是懸架控制的最終目標(biāo)。主動懸架一般包括決策和執(zhí)行兩大部分，決策部分由ECU和傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測道路條件、汽車的運(yùn)行狀態(tài)和駕駛員的需求，按照所設(shè)定的控制規(guī)律向執(zhí)行機(jī)構(gòu)適時地發(fā)出控制命令；執(zhí)行部分包含裝在每個車輪上的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動力源等。目前液壓伺服機(jī)構(gòu)是主動懸架較為理想的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)布置上千種方法是采用液壓伺服缸與普通彈簧并聯(lián)，優(yōu)點(diǎn)是用被動彈簧來承受車體重量，可以使所需的外界能源大大減少，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要有較高的頻響特性；另一種方法是采用液壓伺服缸與普通被動彈簧串聯(lián)，優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)僅需具有較低的頻響特性即可，但所需要的外界空間和外界能源相對較大。

　　在理論和實踐研究中，所選擇的主動懸架控制方法主要有反饋控制、預(yù)測控制和決策控制三種。

　　①反饋控制。圖5.1.6為進(jìn)行主動懸架研究通常采用的l／4汽車模型和反饋控制框圖。主動懸架反饋控制方法實現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)實時連續(xù)調(diào)節(jié)，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性和反應(yīng)速度要求較高，需測量的信息和計算量較大。通常是采用最優(yōu)控制算法和自適應(yīng)控制算法，將“懸架控制”處理成為跟蹤問題或隨機(jī)干擾濾波器問題。最優(yōu)控制算法是應(yīng)用狀態(tài)空間方法，采用狀態(tài)變量表達(dá)加權(quán)的二次性能指標(biāo)，通過求解優(yōu)化問題獲得控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最優(yōu)控制規(guī)律。這種控制規(guī)律在某種意義上是一定的性能指標(biāo)(通常是車體加速度均方值)達(dá)到最小；自適應(yīng)控制算法是通過對車體和懸架系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，在線積累與控制作用有關(guān)的信息，并修正控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制規(guī)律，使給定的性能指標(biāo)盡可能達(dá)到最優(yōu)并保持最優(yōu)。

　　②預(yù)測控制。如圖5.1.7所示，預(yù)測控制是在反饋控制的基礎(chǔ)上，由附加的預(yù)測時間L／V／(L為測量距離，V為車速)的遙測傳感器及有關(guān)的電子系統(tǒng)構(gòu)成。這樣的系統(tǒng)中發(fā)出有關(guān)控制指令所需的未來信息可預(yù)先測量到，而不是當(dāng)“干擾”經(jīng)歷車輪時再“響應(yīng)”，就能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)韻動作與實際要求相同步，從而不僅可以減少動力需求，同時也能改善行駛性.能。研究解決有關(guān)控制指令所需的信息如何得到，又如何以更有效的方法應(yīng)用到懸架控制中的問題稱為“預(yù)測控制”。預(yù)測控制系統(tǒng)的控制規(guī)律中包含了狀態(tài)變量線性函數(shù)的反饋和未來干擾積分函數(shù)的前饋部分。其中前饋部分用于校正執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性，這對車輪意味著有較好的路面形狀跟蹤性能，對車體則意味著有較平緩的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，預(yù)測控制是降低路面干擾對車輪和車體沖擊的有效方法。其中，如果在前饋部分中對全都未來干擾積分函數(shù)進(jìn)行計算，稱為無限預(yù)測：如果未來干擾是由確定性或由白臊聲輸入已知成型濾波器產(chǎn)生的，僅僅需要計算[0，L／V]范圍內(nèi)的積分，則稱為有限預(yù)測。

　　③決策控制。這種控制方法是預(yù)先測量汽車在不同路面和工況下行駛的振動響應(yīng)，并通過優(yōu)化計算得到所需的最佳懸架剛度和阻尼系數(shù)，存入主動懸架控制系統(tǒng)ECU的ROM中。實際應(yīng)用中，ECU不斷地檢測汽車行駛過程中的振動響應(yīng)，即刻查出對應(yīng)工況下應(yīng)選的最優(yōu)或次優(yōu)懸架剛度和減振器阻尼系數(shù)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出響應(yīng)。

　　主動懸架同時改善了汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，為懸架的理論和實踐研究帶來了重大變革。但是，盡管其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，而且在發(fā)達(dá)工業(yè)國家中已經(jīng)出現(xiàn)了裝有.主動懸架的樣車，但將主動懸架推上汽車生產(chǎn)線仍然是二個審慎而緩慢的過程。首先，因為主動懸架的控制系統(tǒng)需要復(fù)雜的傳感器和電子控制設(shè)備，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅要選用高精度的液壓伺服裝置，而且要較大的外部動力來驅(qū)動，導(dǎo)致成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，只有主動懸架所需的硬件，特別是執(zhí)行機(jī)構(gòu)變得更為經(jīng)濟(jì)可靠時，才有可能使之進(jìn)入決定性的市場發(fā)展階段；其次，主動懸架研究的基本經(jīng)驗和教訓(xùn)是“現(xiàn)行的主動懸架”擺脫了眾所周知的“平順性和操縱穩(wěn)定性”之間的矛盾，但卻引起了新的“性能與執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率”之間‘的矛盾+，即主動懸架驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的功率相當(dāng)可觀，為此，自70年代開始就產(chǎn)生了介于主動懸架與被動懸架之間的折衷方案，即半主動懸架。

　　3.半主動懸架的基本概念

　　半主動懸架通常是指懸架元件中彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)之一可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的懸架。為了減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的功率，半主動懸架研究主要集中在調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)方面。阻尼可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的減振器也稱為可調(diào)阻尼減振器或主動減振器，在概念上類似f普通減振器，但其工作油液的通流面積可以通過控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。完成這一工作僅需要提供調(diào)節(jié)控制閥、控制器和反饋調(diào)節(jié)器等所消耗的較小功率，能夠達(dá)到半波近似主動懸架的控制規(guī)律，因而代表了主動懸架與被動懸架之間的折衷。

　　采用電子控制的半主動懸架已經(jīng)實現(xiàn)了商品化，可以進(jìn)行懸架剛度與減振器阻尼系數(shù)的有級調(diào)節(jié)和車高的自動調(diào)節(jié)控制，主要用在高級轎車和面包車上，且應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大。圖5.1.8所示為豐田汽車公司生產(chǎn)的具有車高調(diào)節(jié)、懸架剛度和減振器阻尼“軟／中／硬”有級轉(zhuǎn)換控制的半主動懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以對四個車輪進(jìn)行單獨(dú)控制。在不同汽車上所采用的控制系統(tǒng)ECU結(jié)構(gòu)和輸入輸出信號大同小異，ECU主要由輸入電路、微處理器、輸出電路和電源電路等四部分組成。如圖5.1.9所示為采用Motorola電子器件組織設(shè)計的懸架電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由ECU及其接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器等組成，通過串行接口和汽車其它部件電子控制ECU進(jìn)行通訊。