電子控制懸架的簡(jiǎn)介
互聯(lián)網(wǎng) jiaer.qx 汽車構(gòu)造維修 2008-06-04
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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(lì)時(shí)，由于懸架裝置實(shí)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(dòng)載和振動(dòng)，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(guò)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(dòng)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(gè)方面是相互排斥的性能要求。平順性一般通過(guò)車體或車身某個(gè)部位(如車底板、司機(jī)座椅處等)的加速度響應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)，操縱穩(wěn)定性則可以借助車輪的動(dòng)載來(lái)度量。圖5.1.2表示出的彈簧剛度和減振器阻尼不同時(shí)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(shí)會(huì)導(dǎo)致車體位移的增加，由此產(chǎn)生車體重心的變動(dòng)將引起輪胎負(fù)荷變化的增加，對(duì)操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響；另一方面，增加彈簧剛度會(huì)提高操縱穩(wěn)定性，但硬的彈簧將導(dǎo)致汽車對(duì)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(dòng)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(jì)上只能在滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間矛盾的折衷，無(wú)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(jià)；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(jià)。為了使被動(dòng)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(jì)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(jí)阻力控制的液壓減振器等。 圖5.1.3所示為一種汽車被動(dòng)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(guò)節(jié)流閥時(shí)產(chǎn)生與車體和車輪振動(dòng)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(dòng)的效果。減振器工作時(shí)，將工作缸和活塞相對(duì)遠(yuǎn)離(相應(yīng)于車輪彈向地面)的過(guò)程叫作復(fù)原行程，而把工作缸和活塞相對(duì)移近(相應(yīng)于車輪彈向車體)的過(guò)程叫作壓縮行程。汽車行駛時(shí)，減振器處于“壓縮一復(fù)原”兩個(gè)行程的連續(xù)交變過(guò)程中，工作液體流經(jīng)工作缸中的活塞閥和工作缸與儲(chǔ)油腔之間的底閥系，兩個(gè)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(dòng)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(duì)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(píng)價(jià)減振器性能好壞和進(jìn)行懸架匹配設(shè)計(jì)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(shí)，通常Fc=(0.25～0.50)Fe。圖示的速度特性曲線可分為三個(gè)階段，即常通孔節(jié)流階段，此時(shí)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(gè)近似線性的阻尼系數(shù)(可以用Ce’和Cc’來(lái)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(shí)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(lái)表示)。這樣，可把整個(gè)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(dòng)懸架的“三級(jí)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(duì)應(yīng)于低車速或較好路面，此時(shí)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(duì)應(yīng)于高車速或較壞路面，此時(shí)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(guò)控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和減振器阻尼，突破被動(dòng)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(gè)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(dòng)和半主動(dòng)懸架兩種，電子控制的半主動(dòng)懸架已經(jīng)達(dá)到了商品化的程度，而主動(dòng)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(dòng)懸架的基本概念 由于被動(dòng)懸架設(shè)計(jì)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(duì)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(wú)法適應(yīng)廣泛的性能需求和道路條件。盡管被動(dòng)懸架在設(shè)計(jì)上以不斷改進(jìn)被動(dòng)元件而實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性的目標(biāo)，但始終無(wú)法徹底解決同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)懸架的彈簧和減振器。主動(dòng)懸架既無(wú)固定的剛度又無(wú)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(dòng)地改變彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行單獨(dú)控制，是懸架控制的最終目標(biāo)。主動(dòng)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(guò)監(jiān)測(cè)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(shí)地發(fā)出控制命令；執(zhí)行部分包含裝在每個(gè)車輪上的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力源等。目前液壓伺服機(jī)構(gòu)是主動(dòng)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(dòng)彈簧來(lái)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(dòng)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(duì)較大。 在理論和實(shí)踐研究中，所選擇的主動(dòng)懸架控制方法主要有反饋控制、預(yù)測(cè)控制和決策控制三種。 ①反饋控制。圖5.1.6為進(jìn)行主動(dòng)懸架研究通常采用的l／4汽車模型和反饋控制框圖。主動(dòng)懸架反饋控制方法實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)，對(duì)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(cè)量的信息和計(jì)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(wèn)題或隨機(jī)干擾濾波器問(wèn)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(guò)求解優(yōu)化問(wèn)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��；自適應(yīng)控制算法是通過(guò)對(duì)車體和懸架系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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)。 �、陬A(yù)測(cè)控制。如圖5.1.7所示，預(yù)測(cè)控制是在反饋控制的基礎(chǔ)上，由附加的預(yù)測(cè)時(shí)間L／V／(L為測(cè)量距離，V為車速)的遙測(cè)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(lái)信息可預(yù)先測(cè)量到，而不是當(dāng)“干擾”經(jīng)歷車輪時(shí)再“響應(yīng)”，就能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)韻動(dòng)作與實(shí)際要求相同步，從而不僅可以減少動(dòng)力需求，同時(shí)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(wèn)題稱為“預(yù)測(cè)控制”。預(yù)測(cè)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(lái)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(duì)車輪意味著有較好的路面形狀跟蹤性能，對(duì)車體則意味著有較平緩的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，預(yù)測(cè)控制是降低路面干擾對(duì)車輪和車體沖擊的有效方法。其中，如果在前饋部分中對(duì)全都未來(lái)干擾積分函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，稱為無(wú)限預(yù)測(cè)：如果未來(lái)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(jì)算[0，L／V]范圍內(nèi)的積分，則稱為有限預(yù)測(cè)。 �、蹧Q策控制。這種控制方法是預(yù)先測(cè)量汽車在不同路面和工況下行駛的振動(dòng)響應(yīng)，并通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到所需的最佳懸架剛度和阻尼系數(shù)，存入主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)ECU的ROM中。實(shí)際應(yīng)用中，ECU不斷地檢測(cè)汽車行駛過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)，即刻查出對(duì)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(dòng)懸架同時(shí)改善了汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，為懸架的理論和實(shí)踐研究帶來(lái)了重大變革。但是，盡管其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，而且在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家中已經(jīng)出現(xiàn)了裝有.主動(dòng)懸架的樣車，但將主動(dòng)懸架推上汽車生產(chǎn)線仍然是二個(gè)審慎而緩慢的過(guò)程。首先，因?yàn)橹鲃?dòng)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(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，只有主動(dòng)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(shí)，才有可能使之進(jìn)入決定性的市場(chǎng)發(fā)展階段；其次，主動(dòng)懸架研究的基本經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)是“現(xiàn)行的主動(dòng)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(dòng)懸架驅(qū)動(dòng)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(dòng)懸架與被動(dòng)懸架之間的折衷方案，即半主動(dòng)懸架。 3.半主動(dòng)懸架的基本概念 半主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)懸架的控制規(guī)律，因而代表了主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架之間的折衷。 采用電子控制的半主動(dòng)懸架已經(jīng)實(shí)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(jí)調(diào)節(jié)和車高的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，主要用在高級(jí)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(jí)轉(zhuǎn)換控制的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以對(duì)四個(gè)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(hào)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(jì)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(guò)串行接口和汽車其它部件電子控制ECU進(jìn)行通訊。 |
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