汽車的平順性主要與車輛懸架系統(tǒng)的設(shè)計相關(guān)。懸架系統(tǒng)的設(shè)計往往有3個目標：減小車身垂直加速度、懸架動變形及輪胎動載荷。傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)難以同時滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的需求，對于這一點主動懸架系統(tǒng)卻能滿足。Hrovat通過大量仿真分析計算發(fā)現(xiàn)：與被動懸架系統(tǒng)相比，在保證同樣的車輪跳動量的情況下，主動懸架系統(tǒng)對簧上質(zhì)量的平順性改善在20％以內(nèi)，駕駛員或許不容易察覺這種改善。

主動懸架的最大優(yōu)點則在于能自動適應(yīng)于不同的道路、不同車速的情況。譬如當車輛直線行駛在不平路面上，在無側(cè)向風擾動時，便可適當增加車輪跳動量，來換取大幅度地改善車輛的平順性；當車輛行駛在彎道上時，則可以選取不同的反饋增益來保證較好的操縱穩(wěn)定性。與被動懸架系統(tǒng)相比，簧下質(zhì)量的減少對車輛主動懸架系統(tǒng)的平順性和操縱穩(wěn)定性的改善更大。對主動懸架系統(tǒng)的建模研究最初是從一自由度1／4車模型開始的。對主動懸架中采用最優(yōu)控制方法的研究作了詳盡的回顧與分析，對路面模型的研究進展及主動懸架不同簡化模型結(jié)合最優(yōu)控制的應(yīng)用情況作了細致的分析。對于主動或半主動懸架系統(tǒng)的設(shè)計而言，往往都需要構(gòu)建相應(yīng)的簡化模型，如1／4車模型，1／2車模型或整車模型，如圖1所示。

在主動懸架技術(shù)的研究中，大多數(shù)忽略了輪胎的垂向阻尼特性．盡管輪胎垂向阻尼相對輪胎垂直剛度來說很小，但是用來改善車輛極限潛力時還是具有一定的意義。少部分研究者對上述問題進行了研究．如Levitt等就研究了輪胎阻尼對主動懸架系統(tǒng)的影響．指出非零的輪胎阻尼特性將簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量在所有的頻率范圍內(nèi)都關(guān)聯(lián)起來，并通過主動控制力降低車輪頻率處的簧上質(zhì)量垂直加速度。

輪胎阻尼對于評價簧上質(zhì)量的影響很大，在車輛直線行駛過程中，將輪胎的阻尼設(shè)為o.02，可使簧上質(zhì)量的垂直加速度均方根值降低約30％。Turkay等也對此現(xiàn)象進行了解釋，指出當考慮輪胎阻尼時，傳統(tǒng)的傳遞函數(shù)的局限性不復(fù)存在。Karnopp同樣也針對此問題進行了詳細的分析，同時指出盡管簡單的1／4線性懸架模型存在較強的局限性，但是對于設(shè)計出新的性能更優(yōu)的懸架系統(tǒng)依然存在著巨大的潛力。

影響汽車平順性的因素除懸架系統(tǒng)外．還有發(fā)動機懸置系統(tǒng)和座椅，而懸架系統(tǒng)除了能改善車輛的平順性外，還能夠提高車輛的抗側(cè)翻穩(wěn)定性[7—3|。主動懸架系統(tǒng)由于能夠兼顧汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，因此一直以來都是研究的熱點。主動懸架控制算法和作動器的性能更是決定懸架系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

車主動懸架控制算法的研究現(xiàn)狀

1．1最優(yōu)控制

最優(yōu)控制理論在車輛動力學研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用．它是應(yīng)用極大值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)原理，求解一類帶有約束條件的泛函極值問題。首先，最優(yōu)控制的一個基本要求就是要建立車輛系統(tǒng)的精確數(shù)學模型．而參數(shù)的不確定性以及執(zhí)行器的時滯等因素可能導致某些工況下控制系統(tǒng)的性能較被動系統(tǒng)還差．甚至出現(xiàn)失穩(wěn)形成混沌狀態(tài)等情況。其次，目標函數(shù)權(quán)重矩陣的取值反映了不同控制性能指標之間的重視程度，合理地選擇權(quán)重系數(shù)也變得至關(guān)重要。在汽車懸架系統(tǒng)中獲得應(yīng)用的有線性最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)瞄控制等。

最優(yōu)控制在主動懸架中的應(yīng)用情況如下：Hrovat針對1／4車懸架一自由度模型、1／4車懸架二自由度模型、1／2車懸架四自由度模型及整車懸架七自由度模型．分別結(jié)合最優(yōu)控制方法進行了詳細的分析和回顧．表明了最優(yōu)控制理論對主動懸架的發(fā)展起到了重要的推動作用．而Louam等和Langlois等。則采用最優(yōu)預(yù)瞄控制對懸架系統(tǒng)的性能進行了進一步的提升。

1．2魯棒控制

魯棒控制和／1綜合分析可看作是最優(yōu)控制發(fā)展的延伸。魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計不僅僅是針對某一單個控制對象模型，而且是面向某一個集合的控制對象模型來進行設(shè)計的，所開發(fā)出的控制器對屬于這個集合的所有控制對象均應(yīng)保證穩(wěn)定性和預(yù)定的性能指標。因此魯棒控制理論首先要研究的是不確定系統(tǒng)的描述問題。不確定性亦可分為非結(jié)構(gòu)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性兩大類。魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計的基本思想是找到不確定性變化的范圍，并在這個范圍內(nèi)進行最壞情況下的系統(tǒng)設(shè)計。對于實際控制系統(tǒng)的設(shè)計，確定受控系統(tǒng)中模型不確定性和外界擾動不確定性的變化范圍也是一個非常重要的問題。針對主動懸架系統(tǒng)中模型不確定因素．采用結(jié)構(gòu)奇異值u綜合分析方法對LQG控制的懸架系統(tǒng)進行了魯棒穩(wěn)定性的分析研究，分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)奇異值控制器能保證不確定主動懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性．而最大奇異值控制則不能保證其穩(wěn)定，這主要是因為主動懸架系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的不確定性，而“綜合分析能夠進行識別。則采用天棚阻尼控制和日?？刂茖€性主動懸架進行了對比分析研究，指出日。控制在實際應(yīng)用之前還需進行控制器的縮減。

1．3自適應(yīng)控制

除最優(yōu)控制和魯棒控制外．自適應(yīng)控制在汽車懸架系統(tǒng)控制中也得到了較大的應(yīng)用．它是針對具有一定不確定性的系統(tǒng)設(shè)計的控制方法，其基本要求也是建立系統(tǒng)的精確數(shù)學模型。主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制。前者是一種將受控對象參數(shù)在線識別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法，而后者則是當外界激勵條件和自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時，被控對象的振動輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。均采用自適應(yīng)控制方法來提高懸架系統(tǒng)的性能指標。

1．4模糊控制

模糊控制可近似看作自適應(yīng)控制的一種．它是一種新型的智能控制．模仿人工控制活動中人腦的模糊概念和成功的控制策略．運用模糊數(shù)學．將人工控制策略用計算機實現(xiàn)。模糊控制不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，因而對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，具有很強的魯棒性。另外，它的控制算法是基于若干條控制規(guī)則．算法非常簡捷。則采用模糊控制方法對主動懸架進行了相應(yīng)的研究分析。其中，采用子系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)的控制方法對整車主動懸架系統(tǒng)進行研究。且與最優(yōu)控制系統(tǒng)進行對比，表明采用協(xié)調(diào)控制的綜合控制策略在設(shè)計階段能夠提供更有效的幫助。且系統(tǒng)的魯棒性也會得到提高。則將模糊控制與基因遺傳算法和PID控制進行了有效的結(jié)合，進一步提高了車輛的平順性。則基于單一的模糊規(guī)則對帶有動力吸振器的主動懸架系統(tǒng)進行了研究．表明所提出的控制方法能有效地抑制不平路面所造成的車輛振動。

汽車主動懸架用作動器的研究現(xiàn)狀

汽車主動懸架系統(tǒng)另外一個關(guān)鍵要素是作動器或執(zhí)行器(即力發(fā)生器)，其性能的好壞對控制算法和懸架系統(tǒng)甚至整車性能都有著至關(guān)重要的影響，因此對作動器的研究越來越得到研究者們的關(guān)注。迄今為止．研究者們開發(fā)了多種不同類型的主動懸架作動器．歸納起來大致可分為空氣／液壓主動懸架、電磁鐵主動懸架、滾珠絲桿主動懸架和電磁直線式主動懸架等幾大類。

2．1空氣／液壓主動懸架

早期的主動懸架主要包括空氣主動懸架和液壓主動懸架。電控空氣懸架采用傳感器檢測車速、油門開度、方向盤轉(zhuǎn)角及車身高度等。通過控制彈簧的剛度、阻尼力和高度等來改變作動器的控制力。將液壓主動懸架系統(tǒng)安裝在Infiniti Q45豪華轎車上。采用天棚阻尼和頻率阻尼裝置進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。主動懸架系統(tǒng)在汽車工業(yè)和軍事上的應(yīng)用作了相應(yīng)的介紹，指出商用車旨在提高舒適性和操穩(wěn)性．而軍用車輛著重于提高越野性能。在主動懸架先驅(qū)英國的Lotus Engi—neering公司成功研制出主動懸架后，緊跟其后的又有大量汽車公司進行了研究如Ford和GM。

為了充分利用汽車界的主動懸架技術(shù)，美國軍方聯(lián)手Lotus Engineering公司開展了高機動性多功能車輛研究項目．所采用的控制算法綜合了天棚控制、最優(yōu)控制、基因遺傳及模糊控制等多種控制方法。早期的奔馳CL500車型上采用有液壓主動懸架系統(tǒng)，系統(tǒng)采用有13個車載傳感器，每10ms調(diào)整一次乘坐參數(shù)。在2018年巴黎車展上，又發(fā)布了在奔馳GLE車型上量產(chǎn)的48 v空氣主動懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)可單獨控制4個空氣彈簧，進一步減小不平路面引起的顛簸感和車身側(cè)傾，如圖2所示。

在奧迪新A8車型上．在空氣懸架和阻尼控制的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電子主動車身控制系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)通過48 V電氣系統(tǒng)操作完成，將電機的扭矩通過帶輪傳遞給軸齒輪，再進一步傳遞給扭力桿。最后通過連桿將扭矩傳遞到懸架支柱。此外，該懸架系統(tǒng)還可提前獲取車輛前方的不平路面信息。

2．2滾珠絲桿

主動懸架人從機械和電子角度出發(fā)，設(shè)計并研制了一種滾珠絲桿主動懸架系統(tǒng)，如圖4所示。并在此基礎(chǔ)上，通過仿真和試驗相結(jié)合的手段獲得了此作動器的頻響特性和能量回收特點。

滾珠螺旋傳動式無刷電機懸架作動器。對電機作動器的彈性元件、滾珠絲桿和無刷電機等部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計．以及對其輸出特性進行了分析和推導。初步驗證了滾珠螺旋傳動式無刷電機作動器的有效性。

2．3永磁式／感應(yīng)式電磁懸架

目前，隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于電磁原理的主動懸架作動器研究得到了廣泛關(guān)設(shè)計了一種新型的懸架系統(tǒng)，使懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)變化相對較高，同時機械減振器相差太大。此減振器與傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)并聯(lián)安裝，通過改變初級線圈上的電壓來調(diào)整減振器的阻尼系數(shù)．一旦控制信號或電源失效．被動懸架系統(tǒng)仍可正常工作?？紤]到懸架的空間限制及重量等不至于與傳統(tǒng)的。

還將液壓主動懸架和電磁主動懸架的優(yōu)缺點進行了對比，其中，液壓主動懸架系統(tǒng)和電磁主動懸架系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖5所示，其中圖5(a)為單輪液壓主動懸架系統(tǒng)，圖5(b)為單輪電磁主動懸架系統(tǒng)。

在液壓主動懸架系統(tǒng)中。由汽車發(fā)動機驅(qū)動液壓泵從而為懸架系統(tǒng)供給能量，其中液壓閥的動作由低功率的電磁作動器來控制。進一步來控制作動器的主動力。而在電磁主動懸架系統(tǒng)中，由帶有充電功能的電池系統(tǒng)取代了復(fù)雜和昂貴的液壓能源系統(tǒng)，因而不再需要液壓閥和液壓作動系統(tǒng)，通過功率電子轉(zhuǎn)換器所控制的電磁作動器成為這種懸架系統(tǒng)的核心部件。

相對液壓懸架系統(tǒng)而言，電磁懸架系統(tǒng)中的功率電子元器件要多，然而后者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于具有較少的部件和機械部分，系統(tǒng)配置更為簡單。還通過有限元仿真分析和計算．研制了一種2相軸向充磁的圓筒型永磁直線作動器，如圖6所示。此試驗裝置中路面激勵的模擬不再通過液壓方式來實現(xiàn)。而是采用電動機驅(qū)動周邊含有凸起和凹坑的電動輪來實現(xiàn)。通過試驗研究，Martins等得出作動器電磁力的大小基本上與相電流的幅值成正比，因此，可通過控制相電流從而達到控制電磁力的目的。

提出了一種電磁懸架系統(tǒng)．通過多種不同結(jié)構(gòu)配置的優(yōu)化分析與計算．表明了此無刷永磁圓筒型直線作動器是適用于主動懸架系統(tǒng)，如圖7(a)所示。其中圖7(a)左半部分為傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)，圖7(a)右半部分為文中所提出的電磁主動懸架系統(tǒng)。采用此拓撲結(jié)構(gòu)的原因是：圓筒型結(jié)構(gòu)的效率高且具有優(yōu)良的伺服特性，另外由機械彈簧支撐簧上質(zhì)量，不再需要持續(xù)的能量供給。此懸架系統(tǒng)的主要優(yōu)點是同時考慮到路面干擾及主動側(cè)傾和俯仰控制的影響。圖7(b)為1／4車模型的試驗測試圖，該結(jié)構(gòu)包括一個單獨的質(zhì)量塊重450kg，忽略了車輪的動力學．同時還包含BMW545i的被動懸架以及所研制的三相無刷永磁圓筒型電磁作動器。采用前饋和PID反饋控制策略來確保作動力的良好跟蹤，試驗表明所研制的電磁作動器能完整地跟蹤被動懸架系統(tǒng)的阻尼力。

用電磁主動懸架系統(tǒng)可消除車身的俯仰和側(cè)傾，仿真分析表明，與被動懸架系統(tǒng)相比，電磁主動懸架系統(tǒng)的車身側(cè)傾角可減小94.4％。同樣利用管型永磁直線電機來充當主動懸架系統(tǒng)的作動器，通過線性最優(yōu)控制理論與Kalman濾波器設(shè)計．并結(jié)合模糊控制方法，對1／4車主動懸架系統(tǒng)進行了研究。與被動懸架系統(tǒng)相比，文中提出的模糊控制方法可衰減路面擾動的78％。文中所采用的永磁直線電機的結(jié)構(gòu)和試驗臺布置如圖8所示。此試驗裝置中路面的模擬依然采用電動輪的方式來實現(xiàn)。

一種感應(yīng)式直線電磁作動器，并建立了作動器的動力學模型，結(jié)合最優(yōu)控制理論和矢量控制方法．對包含作動器動力學模型的車輛主動懸架系統(tǒng)進行了正弦路面激勵下的仿真分析。Bose公司前后花費30年時間和5000萬美金，于2004年已研制出車輛電磁懸架，并通過樣車測試，如圖9所示，Bose懸架系統(tǒng)將直線電磁馬達當作傳感器和執(zhí)行器，當車輪向上或萬方數(shù)據(jù)向下運動時，電機會向控制單元發(fā)出信號，表明車輛遇到凸包或凹坑；而控制單元則會向每一個電機供給適當?shù)碾娏鲝亩３周嚿砥椒€(wěn)。但受成本和功耗制約．直至在被ClearMotion公司收購之前，依然沒能實現(xiàn)量產(chǎn)。向下運動時，電機會向控制單元發(fā)出信號，表明車輛遇到凸包或凹坑；而控制單元則會向每一個電機供給適當?shù)碾娏鲝亩３周嚿砥椒€(wěn)。但受成本和功耗制約．直至在被ClearMotion公司收購之前，依然沒能實現(xiàn)量產(chǎn)。

結(jié)束語

汽車主動懸架經(jīng)過多年的理論研究和實踐發(fā)展．面臨的主要挑戰(zhàn)依然在于作動器的設(shè)計實現(xiàn)和應(yīng)用。目前由于受成本和功耗制約，電磁主動懸架的產(chǎn)量還未取得突破．主動懸架作動器開發(fā)過程中應(yīng)重點關(guān)注主動控制力或者位移．而產(chǎn)生和跟蹤所需的控制力或位移實際上并不簡單．尤其要綜合考慮使用成本、實際封裝、重量及由此帶來的能量消耗等眾多因素。

控制算法作為主動懸架設(shè)計開發(fā)中的另一個關(guān)鍵因素，一方面要考慮算法自身的魯棒性和適應(yīng)性．另外還應(yīng)結(jié)合作動器的動態(tài)特性，而且未來還將以汽車整車安全性作為首要目標進行考慮。先進的主動懸架設(shè)計一方面要通過計算機仿真分析、臺架試驗，另外最終還需通過整車道路的驗證試驗來進行評估。綜合來看，汽車懸架系統(tǒng)的性能優(yōu)越程度將取決于智能的控制軟件和設(shè)計精巧的作動器硬件兩者之間的完美結(jié)合程度?；谲囕v頂層目標和模型化設(shè)計的系統(tǒng)工程。以及汽車電子、微控制器和相應(yīng)傳感器技術(shù)的發(fā)展．未來的懸架系統(tǒng)也將更加智能和節(jié)能。