Ahmadian / SAE Int. J. Commer. Veh. / Volume 7, Issue 2 (October 2014) 541
本文节选翻译自原文Integrating Electromechanical Systems in Commercial Vehicles for Improved Handling, Stability, and Comfort 2.1-2.3小节
CHAPTER 2 先进可控悬架
本章提供了车辆可控悬架的概念，特别是涉及磁流变阻尼器，这种磁流变阻尼器在过去二十年中已经发现主要悬架的普及。在介绍了被动，半主动和主动系统的概念之后，讨论将对天棚控制及其各类车辆的衍生物进行深入分析。介绍了使用磁流变（MR）流体作为改变半主动悬架阻尼的有效方法，以及MR阻尼器的关键设计方面。对于各种悬架阻尼和刚度设置，还提供了模拟研究的结果，其提供了车辆安全性，操纵性和乘坐舒适性之间的权衡。具有混合控制和被动悬浮液的半活性悬浮液之间的比较表明半活性悬浮液具有极好的性能。结果突出了MR悬架在不同乘用车平台中的适应性的原因，以及它们对商用车辆的座椅和驾驶室悬架的可用性。
车辆初级悬架
初级悬架是用于表示将车辆的车轴和车轮组件连接到车辆框架的那些悬架部件的术语。 这与连接车架和车身的悬架部件或直接位于车辆座椅上的那些部件（通常称为第二悬架）形成对比。 典型的主悬架由弹簧和阻尼器组成。 设计用于支撑车辆静态重量的悬架弹簧基于车辆的重量和行驶高度来选择。 阻尼器的作用是消散悬架上的能量，以减少由于路面不平整和车辆操纵而可能发生的动态峰值，例如在转向，制动和加速期间的车身侧倾和俯仰。
被动悬架
车辆悬架通常可以分类为被动，半主动和主动，如图所示
图2.1中的单自由度（SDOF）系统。
被动阻尼器代表了大多数车辆中使用的传统减震器。 在操作车辆时，它们的阻尼特性不能改变，因此，它们被设计成在驾驶，操纵和稳定性之间实现最合适的折衷，如图
2.2。 低阻尼系数将导致骑行不那么刺耳，但是它将降低车辆的车辆侧倾运动稳定性。 具有轻微阻尼悬架的车辆将不能保持道路以及一个更多阻尼的悬架。 另一方面，高阻尼悬架提供更好的抓地能力，但代价是更苛刻的驾驶。 轻微和高阻尼悬架的动态性能将在后面的章节中进一步讨论。
图2.2 被动悬架平衡
大型阻尼的悬架将产生良好的车辆操控性，但也将大部分道路输入传递到车身。 当车辆在崎岖不平的道路上以低速行驶或以直线高速行驶时，这将被视为严酷的行驶。 车辆操作员可能会发现恶劣的驾驶令人反感，或者可能会损坏货物。 轻微阻尼的悬架将产生更舒适的乘坐，但是可以显着降低车辆在转弯，车道变换操纵或在出口坡道的协商中的稳定性。 良好的被动悬架设计可以在一定程度上优化行驶和稳定性，但不能消除这种折衷。
Figure 2.1. 被动、主动与半主动悬架
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主动悬架
I在主动悬架中，被动阻尼器或被动阻尼器和弹簧都用力致动器代替，如图2.1所示。 力传感器能够增加和消散来自系统的能量，不像被动阻尼器，它只能耗散能量。 利用主动悬架，力致动器可施加力，而不依赖于悬架上的相对位移或速度。 给定正确的控制策略，与无源系统相比，这可以在乘坐舒适性和车辆稳定性之间实现更好的折衷，如图2.3所示的四分之一汽车模型。
Figure 2.3. Passive and Active Suspension Comparison (adapted from reference [48], p. 201)
关于主动停用的早期研究包括在1997年出版的Hrovat综合评论中[49]。这些研究包括众所周知的方法，如模态分析，特征值分配，模型阶数减少，非线性规划，多标准优化和最优控制。还考虑了经典方法，例如根轨迹，Bode图和Nichols图。这些方法的一个共同先决条件是访问系统定义明确的线性模型。对于非线性系统，需要将系统线性化为设计控制器的工作点。这种方法无法有效解决悬架系统固有的非线性问题。最近的研究表明使用控制方法，如滑模控制[50]和约束Hinfin;
控制[51]。结果表明这些方法是可行的
尽管已经考虑的应用仅限于四分之一汽车模型，但要处理诸如力饱和，力非线性和模型不确定性等负面影响。当全状态反馈系统成为可能时，线性矩阵不等式（LMI）优化方法已经显示出应对这些挑战的有希望的结果[52]。
主动悬架商业化的主要缺点是重要的动力需求。为了降低与所需功率相关的成本，实际的主动悬架
设计通常用作低带宽系统，对于公路车辆应用需要适度的4峰值功率。其中一个生产系统是梅赛德斯 - 奔驰的主动车身控制系统（ABC）。它使用天棚控制方法，在主要乘坐模式下工作。然而，ABC系统不包括能量再生功能。已经开发的其他系统是基于线性电磁致动器（电动机）的Bose主动悬架。与ABC系统相比，与Bose系统相关的主要挑战是它增加了非簧载质量的显着重量。考虑到车辆动力学和稳定性控制，较重的非簧载质量被认为是不合需要的。另一个有希望的系统是Visteon公司开发的悬架系统，它包括可压缩流体支柱和数字排量泵
马达[53,54]。该系统利用流体流动来实现能量收集的能量再生。它使用频域控制方法来合成已建立的悬架控制，以实现所需的动态性能。
在Chalasani [48]的一项研究中，图2.4中的单悬架模型用于研究主动悬架系统可能带来的性能提升。在本研究中，道路输入被建模为白噪声速度输入。该研究发现，在实际设计限制范围内，主动悬架将簧载质量的均方根（RMS）加速度降低20％。这种悬架配置表现出与轻微阻尼，软 - 被动悬架大致相同的悬架行程和车轮行程阻尼比。在后来的研究[55]中，对整车模型进行了类似的模拟和分析。该研究估计，主动悬架可将簧载质量的RMS加速度降低15％。
Figure 2.4. Single Suspension (Quarter-car) Model.
主动悬架系统具有控制车辆姿态的附加优点。 它们可以减少制动的影响，这会导致车辆俯冲或加速，从而导致车辆下蹲。 它们还在转弯操纵期间减少车辆侧倾。
在Williams等人的研究中可以找到用于改善车辆驾驶和操纵的主动悬架的综合研究。[56]。 本研究评估了莲花主动悬架的优势，该悬架在1990年初至中期的一级方程式赛车和一些原型乘用车中成功实施，用于乘用车。
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可调节悬架
可调节悬架将被动悬架中的被动弹簧元件与阻尼元件相结合，阻尼元件的特性可由操作员调节。 如图2.5所示，车辆操作员可以使用选择器装置根据其主观感觉设定所需的阻尼水平。
该系统的优点是允许操作者根据道路特性和驾驶条件偶尔调节减震器。 然而，期望操作员调整悬架系统以响应时间输入（例如坑洼，转弯或其他常见道路输入）是不现实的。
Figure 2.5. Adjustable Suspension (adapted from reference [57], p. 107)
半主动悬架系统
半主动悬架系统，由克罗斯比和卡诺普于1970年代初提出，保留弹簧元件并用可控制的阻尼器代替阻尼器 [58, 59].
半主动阻尼器只使用最少量的能量，足以改变阻尼特性。重要的是，即使在每个时刻“主动控制”半主动阻尼器，阻尼器施加的力的方向仍然取决于悬架上的相对速度。这与完全主动系统形成对比，在该系统中，悬架力可以完全独立于悬架的相对运动。人们可以将半主动阻尼器视为被动阻尼器，能够使用少量外部功率实时改变其阻尼特性。阻尼力的变化由基于从传感器接收的信息的控制算法确定。虽然半活性悬浮液比无源悬浮液更昂贵，但它们比主动悬浮液便宜得多;因此，对于包括商用卡车在内的所有车辆而言，它们被认为是更具商业可行性的选择。各种研究表明，半活性悬浮液具有明显更好的动态性能。
天棚控制
最常见的半主动控制策略之一是天棚控制，它调整阻尼力以模拟被动阻尼器的阻尼力，使其处于最佳配置，连接在簧载质量和静止参考（即天棚）之间，如图2.7所示。
Figure 2.7. Skyhook Damper Configuration
在最简单的形式中，天棚控制可以描述为根据开关控制来控制的两级阻尼器（开或关），例如：
Figure 2.6. Passive and Semiactive Suspensions
含阻尼的半主动悬架可以实时改变其阻尼参数，通过充足的动力带宽以对悬架动力做出有利改变
在该等式中，x1是簧载质量的速度，并且是非簧载质量的速度。 公式（2.1）表明当簧载质量向上移动，并且两个质量越来越近时，阻尼常数理想地应为零。(2.1)
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由于实际阻尼器的物理限制，阻尼常数为零是不实际的，并且使用低阻尼常数。 当簧载质量向下移动并且两个质量越来越近时，天棚控制策略理想地要求可能的最大阻尼力。 天钩控制力概念在图2.8中进一步说明。 动态地，天棚控制试图最小化簧载质量的绝对速度。
Figure 2.8. On-off Skyhook Control Illustration
研究表明，连续可变的半主动悬架系统能够实现与优化的被动阻尼器相当的性能，钩住天空和簧载质量。 在连续可变阻尼器中，阻尼力不限于最大和最小力。 它可以承担两者之间的任何力，如图2.9中的阴影阻尼范围所示
Figure 2.9. On-off and Continuously Variable Semiactive Damping
对于连续可变阻尼器（如图2.9所示），方程式中的天钩控制。 （2.1）也可以写为：
(2.2)
方程（2.2）表明当簧载质量速度和悬架相对速度的乘积为正时，则半主动阻尼力与簧载质量的速度成比例。 否则，半主动阻尼力最小。 用正弦函数模拟两个速度，方程（2.2）的半主动天棚控制策略紧跟图2.10所示的“理想天棚”阻尼，除了相对速度的过零点。
Figure 2.10. Comparison between semiactive skyhook control and “ideal skyhook” implementation
通过图2.4中常用的单悬架模型（也称为“四分之一车”模型），可以根据以下内容描述簧载和非簧载质量的动力学：
(2.3)
T系统输入xin模拟道路轮廓。 输入通过模拟轮胎刚度的弹簧元件激励非簧载质量，其代表车轮，轮胎和一些悬架部件。 非簧载质量通过被模拟为弹簧和阻尼器的主悬架连接到簧载质量，该簧载质量表示支撑在悬架上的车辆部分。
对于各种被动阻尼系数，系统的传输率如图2.11所示。 第一幅图显示了簧载质量（x2）相对于道路的位移输入（xin），而第二个图显示了位移非簧载质量（x1）相对于输入（xin）。
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Figure 2.11. Passive Suspension Transmissibility; (a) Sprung Mass Transmissibility; (b) Unsprung Mass Transmissibility
在低被动阻尼时，omega;=omega;n1（或1.5Hz）和omega;=omega;n2（或10.5Hz）附近的谐振传输率相对较大，而较高频率下的传输率非常低。 随着阻尼增加，谐振峰值衰减，在这些频率下提供较低的振动。 然而，由于更高的阻尼，在较高频率和两个峰值之间的频率范围内的振动隔离减小。 两个固有频率处的幅度减小导致簧载和非簧载质量的较小共振，而较高频率处的减小的隔离将导致更苛刻的车辆行驶。 该图以图形方式说明了被动悬架固有的操纵（共振控制）和乘坐舒适性（高频隔离）之间的固有权衡。
对方程中的天钩控制重复相同的传递率分析。 （2.2）结果如图2.12所示，对于天钩阻尼系数Csky的不同值。 作为天棚阻尼
比率增加，omega;n1附近的共振传递率即使到了孤立点，也会降低，但是可传递性omega;n2附近增加。 天棚配置为簧载质量增加了更多阻尼，并消除了非簧载质量的阻尼，使其成为大大改善行驶的理想选择，同时引起过度的非簧载质量运动[60]。
地钩控制由Ahmadian [61]首次提出，地钩控制与天钩的不同之处在于，阻尼器现在连接到非簧载质量而不是簧载质量，如图2.13所示。
Figure 2.12. Skyhook Configuration Transmissibility; (a) Sprung Mass Tran
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资料编号：[4964]
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