汽车电控悬架的现状及趋势

2013-08-31杨辉

装备制造技术 2013年4期

杨辉

（烟台汽车工程职业学院，山东烟台 265500）

随着生活水平的不断提高，人们对于汽车的操控性和舒适性有了更高的要求。这其中，车辆减振系统起着至关重要的作用，而采用被动悬架很难做到两全其美，于是，适应能力更强，感受更完美的电控悬架系统就诞生了。随着电子技术的迅猛发展，车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命都大幅度提高了，为满足人们对汽车舒适性的要求，20世纪90年代以来，各大汽车公司相继研发了提高汽车舒适性的电控悬架系统ECS(Electronic controlsuspension)。在汽车上装备了电控悬架系统，当汽车急转弯、急加速或紧急制动时，车上人员能够感觉到悬架较为坚硬，而在正常行驶时能够感觉到悬架比较柔软。电控悬架还能平衡地面反力，使其对车身的影响减小到最低程度。因此，随着汽车电子技术的快速发展，许多中高档轿车、大客车以及越野汽车上都装备了电控悬架系统。

1 电控悬架的发展现状

现代汽车中的主动悬架多采用电子控制系统，简称电控悬架。电控悬架系统由传感器及控制开关、电子控制单元ECU（Electronic control unit）和执行器组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和路面状况，由加速传感器、制动灯开关、转向传感器等检测信号，并把信号输送给电子控制单元ECU，由ECU进行实时运算处理，而后对减振器控制器发出相应指令，主动响应控制悬架的刚度大小、阻尼系数大小及车身高度高低信号。ECU的控制信号准确地动作，及时地调节悬架的刚度、阻尼系数及车身高度，使悬架系统始终处于最优减振状态，并能抑制和控制车身运动。当汽车制动或转向时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架系统会产生一个与惯性力相对抗的力，减少车身姿势的变化。目前大部分的电控主动悬架系统都是通过空气、液压、电磁液这三种方式来实现悬架的可调性的。所以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。

目前研制开发的新型主动悬架有电控主动液压悬架，电控主动空气悬架，电磁主动悬架系统、ABC主动车身控制悬架系统、BOSE新型主动悬架系统等几种。

1.1 电控主动液压悬架

电控主动液压悬架的悬挂高度可以手动调节，并且可以自动调节减振器的刚度和阻尼。电控主动液压悬挂液压球替代了传统的螺旋弹簧和液压球的人工控制车身高度，车辆上无论装载多少人员或货物的数量，行驶过程中车身高度能始终保持不变。在汽车重心附近安装有纵向、横向加速度和横摆陀螺仪传感器，用来采集车身振动、车轮跳动、倾斜状态和加速度等信号，然后把这些信号输送给电子控制单元ECU，ECU根据预先设定的程序发出控制指令，控制伺服电机并操纵前后四个执行油缸是增压还是泄压，以保持合适的减振器阻尼和足够的支撑力[1]。

电控调节阻尼力及弹簧刚度的控制过程为：通过计算机（自动）及手动开关可改变悬架弹簧的弹性系数和减振器的缓冲力。电子控制单元ECU根据行车条件自动调节车辆减振力和阻尼力，通过控制缓冲力的强弱来消除车辆行驶中的不平衡，可以使车辆在颠簸路面上保持平稳状态，并自动调整车辆在紧急制动时前倾和加速时的后仰，以保证乘坐的舒适性。电控主动液压悬架提供舒适（Comfort）和运动（Sport）两种模式供选择，并且提高了电子控制单元ECU的计算速度。

1.2 电控主动空气悬架

电控主动空气悬架的软硬程度和车身高度可以自我调节和控制，采用空气弹簧和减震器，以提供更好的舒适性和车身高度。它的原理是用空气压缩机提供压缩空气，并将压缩空气送给弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。在所有车轮的附近设有车身高度传感器，根据车身高度传感器输出的信号，电子控制单元ECU确定该车辆的高度，然后控制所述压缩机和排气阀，使弹簧的压缩或伸长，从而达到控制车辆高度的目的。

以雷克萨斯LS400轿车电控空气悬架系统为例，该车电控悬架为主动式空气弹簧悬架，弹簧刚度和汽车高度控制可以自动根据驾驶条件进行控制，减振器也由ECU控制，以抑制汽车的侧倾、制动时前部点头和加速行驶时后部下坐时汽车姿势发生变化，因此，可以显著提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性[2]。

电控空气悬架由传感器及开关、悬架ECU和执行器组成，如图1所示[3]。

图1 雷克萨斯LS400轿车电控悬架系统控制方框图

1.3 电磁主动悬架系统

凯迪拉克电磁主动悬架，当接通电流后，磁流变减振器磁流变体材料中的原来处于分散状态的磁性体便会横向排成一列，减振器内部的液体形状会发生变化，因此，减振器的阻尼会变硬，并且可随着磁场强弱无级变化。磁流变减振器结构简单，其反应速度是微秒级的，每秒可以动作1 000次，这是普通主动悬架难以实现的，而且高速行驶时也会应付自如。另外，磁流变减振器对车辆是低功率要求（每一减振器最大需要20W），这几乎不会损耗发动机的动力。

1.4 ABC主动车身控制悬架系统

ABC(Active body control)主动车身控制悬架系统是比较先进的主动悬架系统，它通过感应轻微的车轮及车身的运动，在车辆有任何较大的车身振动之前，及时调整悬架系统，保持车身的平衡，简称主动式车身控制悬架系统，即ABC(Active body control)。该系统可以很好地适应各种道路条件，不平坦的路面上行驶时，车辆可以保持良好的操纵性，舒适性和方向稳定性。

1.5 Bose新型主动悬架系统

Bose主动悬架系统在每个车轮处使用一个线性磁电动机取代了传统的减振器和弹簧装置。放大器随着系统的每次压缩重新产生动力向电动机提供电力。此种电动机的主要优点是它们不受传统液压式减振器固有的惯性限制。因此，线性磁电动机伸缩速度更快了，从而几乎完全消除了车厢的振动。车轮的运动可以控制得如此之好，以至于不管车轮发生什么情况，车身都能保持平稳。线性磁电动机还可以抵消汽车加速、制动和转弯时的车身运动，操控稳定性更好。虽然有许多新型弹簧和减振器，但在过去的几十年中，汽车悬架的基本设计仍未有重大突破，但随着Bose全新的悬架设计理念的引入，可能会使汽车悬架设计发生变化，Bose悬架是独立悬架面世以来汽车悬架领域的最大进步。

2 汽车主动悬架的发展趋势及研究开发建议

2.1 汽车主动悬架的研究发展趋势

半主动悬架性能稍逊于主动悬架，但结构简单，成本低，半主动悬架扔是目前主要研究方向。半主动悬架今后主要解决问题是如何研发可靠、调节方便的执行器和算法简单有效地执行策略。电控主动悬架性能优越，是车辆悬架未来发展方向，但因其成本高，结构复杂，需要额外的控制功率等原因，目前还只装备于高级轿车及越野车上。目前，主动悬架研究的集中在主动悬架的可靠性和执行器及悬架系统最佳参数控制及理论。

2.2 汽车电控悬架的研究开发建议

（1）注重控制策略的综合运用

电控悬架需对悬架参数进行控制，所采用的许多控制方法有：天棚阻尼控制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制、预测控制等。因此，必须根据车辆类型、悬架结构、减振器类型，对控制方法和控制理论进行研究，综合运用控制策略和控制方法。

（2）重视汽车其它系统与悬架系统的联合控制研究

因汽车的车身运动不是某个系统单独决定的，是由多个系统之间的联合作用决定的。只研究主动悬架的控制问题，而不研究各个子系统之间的相互影响，已经不能满足汽车发展的要求，今后更应注重电控悬架系统与转向系、制动系之间的集成控制研究[4]。

（3）悬架系统最佳参数控制

根据车辆舒适性、安全性优化设计要求，利用车辆进行动力学模型，对车辆悬架系统进行研究，并通过对相互矛盾和相互制约的车辆振动加速度、车辆动载和悬架动挠度等参数进行分析，建立在不同车速、不同路况、不同车辆参数以及不同振动情况下的车辆悬架系统最佳控制参数的数学模型；将在不同车速、不同路况、不同车辆参数悬架系统最佳控制设计参数，与主动悬架系统的控制相结合，使悬架系统本身的参数与车辆当时的状态相适应，使车辆达到最佳减振效果，满足车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性的要求。这应该是研究主动悬架设计和控制的基本问题，为主动悬架真正实现在现代车辆上实际的推广使用，奠定坚实的理论基础。

（4）研究开发高效率馈能型悬架和可以再生能量的电控悬架，尽量回收和转换振动能量，减少车辆对外界能源的依赖。