装甲车半主动悬架系统的研究进展
X 收稿日期 :2008 - 04 - 01
作者简介 :谭伯政 (1980 —) ,男 ,硕士研究生 ,工程师 ,主要从事车辆磁流变智能悬架系统控制研究 ; 李以农
(1961 —) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事汽车系统动力学控制、汽车主动安全性、振动控制等研究.
【综述与评论】
装甲车半主动悬架系统的研究进展X
谭伯政 ,李以农 ,郑 玲
(重庆大学 机械传动国家重点实验室 ,重庆 400030)
摘要 :总结了车辆半主动悬架系统的发展状况 ,论述了可调减振器的研发动态 ,详细阐述了当前主要的半主动控
制策略 ,指出应当着重研究复合控制方法以解决非线性和时滞问题 ,并提出了装甲车辆半主动悬架系统今后的
研究和发展方向.
关建词 :装甲车 ;半主动悬架 ;控制策略
中图分类号 :U463. 33 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 0707(2008) 04 - 0066 - 03
悬架作为装甲车辆的重要部件 ,对装甲车的平顺性、
操纵稳定性和通过性都有巨大的影响. 传统被动悬架系统
经过长时间的发展 ,结构上不断更新和完善 ,并且性能得
到很大提高 ,但由于弹簧刚度和减振器阻尼系数等基本参
数都固定不变 ,被动悬挂只能保证在设计条件下的减振效
果 ,不能根据车辆的运行状态和路面状况进行实时调节 ,
达到最优的减振效果 , 这就大大限制了车辆在各种复杂路
况下的越野能力、战场机动性及火力精确性[1] . 主动悬架
是一种具有做功能力的悬架 ,在提高系统性能上具有较大
潜力[2] . 主动悬架系统耗能高 ,控制系统复杂 ,系统可靠性
较差 ,这些因素均成为主动悬挂系统应用的技术瓶颈 ,因
此 ,主动悬架技术在装甲车辆底盘上的应用时机尚不成
熟. 半主动悬架系统通过改变弹簧刚度或阻尼系数 ,来达
到对悬架系统性能进行调整的目的 ,结构简单 ,系统可靠
性高 ,能耗小 ,同时具有主动悬架、被动悬架的特征 ,在大
多数情况下具有与主动悬架相近的特性[3 - 4] ,是装甲车理
想的悬架系统. 悬架系统分类见表 1.
1 半主动悬架系统的发展概况与现状
1. 1 发展概况
半主动悬架的概念首先由 Crosby 和 Karnopp 于 1973 年
提出[5] ,20 世纪 80 年代初期才有试验性产品问世 ,它对车
辆性能的改善十分有限. 1975 年 ,Margolis 等人提出了“开
关”控制的半主动悬架 ,它能产生较大的阻尼力. 1983 年日
本丰田汽车公司开发了具有 3 种减振工况的“开关”式半主
动悬架. 1986 年 , Kim Brough 引入了 Lyapunov 控制方法 ,改
进了控制方法的稳定性. 1988 年日本日产公司研制了“声
纳”式半主动悬架 ,它通过声纳装置预测路面信息. 悬架减
振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3 种状态. 1994 年 prinkos 等
人使用了电流变和磁流变体作为工作介质 ,研究了新型半
主动悬架系统. 20 世纪 90 年代 ,军用轮式车辆半主动悬架
系统的研究也取得了突破. 美国陆军坦克车辆装备司令部
在 1997 年前后将液压可调减振器构成的半主动悬挂系统
安装在布莱德利步兵战车上进行了场地试验 ,结果表明车
辆的机动性能得到了大幅度的提高. 2003 年前后美军又在
重型“悍马”吉普车上安装了基于磁流变减振器的半主动
悬挂系统 ,取得了越野速度提高 30 %～40 %的良好试验效
果.
1. 2 刚度可调半主动悬架系统
弹性元件刚度可调是在空气弹簧 (油气弹簧) 基础上
实现的. 通过改变弹簧刚度来减振的半主动悬挂由 Hubbard
和 Margolia 于 1976 年提出[6] . 20 世纪 80 年代油气悬架已广
泛用于装甲车上 ,我国通过努力也在履带式装甲车上成功
应用油气悬架 ,为实现装甲车悬架弹簧刚度控制奠定了基
础.
车辆弹性元件需承担车身的静载 ,因而实施刚度控制
比阻尼控制困难得多 ,目前主要对半主动悬架阻尼控制比
较多. 但空气悬架 (油气悬架) 具有刚度低、质量轻、噪声
低、寿命长等独特优势 ,因此 ,许多学者开展了基于空气弹
簧(油气弹簧) 的半主动悬架的研究 ,可以预见 ,空气悬架
(油气悬架) 在装甲车半主动悬架系统的发展过程中将起
到举足轻重的作用.
第 29 卷 第 4 期 四 川 兵 工 学 报 2008 年 8 月
表 1 悬架系统分类
悬架系统 系统模型 操作频带 所需最大
能量
和被动悬架相比性能的提高
舒适性 安全性
被动 — — — —
半主动 fB - fw 50 W 20 %～25 % 10 %～25 %
主动 0～fw 1. 5～1. 7 kW > 30 % 25 %
注 : fB 为簧上质量的固有振动; fw 为簧下质量的固有振动频率
1. 3 阻尼实时可调半主动悬架系统
1. 3. 1 节流孔可调悬架. 节流孔可调悬架是早期半主动悬
架研究的主要方向 ,通过步进电机或电磁阀来控制节流阀
的流通面积连续调节阻尼[7] . 可调节流阀一般设置在减振
器内部 ,也可以设置在外部的旁通道上 ,如梅赛德斯 - 奔
驰公司曾研制出一种外置可调减振器. 经过长时间的研究
发现 ,节流孔可调减振器有先天的缺陷 ,如响应速度慢、块
速调节节流孔容易引起流量的严重脉动 ,影响振动控制效
果[8] .
1. 3. 2 电流变和磁流变减振器. 20 世纪 90 年代 ,电流变和
磁流变等新型材料的相继出现. 利用电流变和磁流变液研
制的减振器可以实现无级可调 ,磁流变液 (电流变液) 在外
加磁场 (电场) 作用下 ,其黏度、剪切强度等发生显著变化.
电流变液对电场反应迅速 ,控制带宽广[9] . 磁流变液响应
略慢 ,但在屈服应力、温度范围、塑形黏度、稳定性等方面
强于电流变液[10] ,并且在同样的减振要求下 ,磁流变液减
振器的耗电量明显低于电流变液减振器. 因而 ,各国军用
车辆也加大了在这方面的研究. 美国内华达大学为“悍马”
军用吉普车设计并制造了磁流变减振器 ,该磁流变减振器
具有失效保护功能 ,试验表明 ,磁流变减振器输出阻尼力
大 ,响应速度快 ,具有优良的动态特性. 国内在磁流变减振
器的研究上做了大量工作 ,取得了一些成绩. 国家仪表功
能材料工程研究中心研制的磁流变体 ,其剪切屈服应力基
本达到美国 Lord 公司的水平[11] .
2 半主动悬架系统的主要控制策略
目前 ,应用于悬架控制系统的控制理论比较多 ,主要
有天棚控制、最优控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、
神经网络控制及复合控制等.
1974 年美国学者 karnopp 等提出了天棚阻尼控制思
想. 原理是在车身上安装一个与车身振动速度成正比的阻
尼器 ,可以完全防止车身与悬架系统产生共振 ,达到衰减
振动的目的. 在天棚控制方式中 ,控制力取决于车体的绝
对速度的反馈 ,不需要很多传感器也不需要复杂的数学模
型 ,可靠性较好. 控制力可以表示为 :
f = - Csky?x
式中 : Csky为比例系数; x 为车体垂直振动速度.
天棚阻尼是理论上的理想状态 ,为实现“天棚”控制思
想提出了“on - off”控制策略 ,根据控制信号调节阻尼器阻
尼的“软”、“硬”设置 ,进而调整阻尼力的大小 ,“on - off”阻
尼控制思想的阻尼力算法可用如下公式表示 :
Fd =
c( ?x - ?y) ?x ( ?x - ?y) > 0
0 , ?x ( ?x - ?y) < 0
由于天棚阻尼控制简单可靠 ,所以成为军用车辆重点
研究对象. 目前 ,研究的重点是改进型的天棚阻尼控制方
法[12] ,综合天棚和地棚阻尼控制的优点而产生的混合控制
算法[13] . 最优控制是比较成熟和完整的半主动悬架控制理
论 , 在车辆上运用的最优控制方法常用的有线性最优控
制、H ∞最优控制等. 线性最优控制是将 LQ(Linear Quadrat2
ic) 应用于车辆悬架系统中 ,采用线性最优控制算法设计主
动最优控制力为 :
u( t) = - GX ( t)
在最优控制领域装 ,装甲兵工程学院关于履带车辆悬
挂系统半主动控制策略的研究比较深入.
自适应控制通过自动检测悬架系统的参数变化来调整
控制策略 ,保持其性能最优. 应用于车辆悬架系统自适应控
制方法主要有模型参考自适应控制和自校正控制两类[14] ,
自适应控制能显著改善汽车的行驶特性[15] ,但是 ,自校正控
制过程需要在线辨识大量的结构参数 ,实时性不好 ;而模型
参考自适应控制方法涉及路面信息获得的精度问题.
模糊控制及神经网络控制是解决具有非线性、时变和
不确定因素系统的有效方法. 模糊控制技术可以使系统的
鲁棒性更好 ,减少控制器的存储空间 ;神经网络控制具有
自学能力和大规模并行处理的能力 ,在车辆悬架系统减振
76谭伯政 ,等 :装甲车半主动悬架系统的研究进展
控制中有着广泛的前景[16] . 但是 ,模糊控制和神经网络控
制是建立在专家知识和经验的基础上的 ,因此人为因素在
其中占据着很重要的角色 ,如果专家知识的集合不能真实
或准确地反应车辆的状态 ,那么控制就失去了准确性.
目前 ,应用于车辆悬架振动控制的各种控制策略都有
自身无法弥补的缺陷 ,难以达到人们期望的效果. 而将两
种或多种控制策略相结合 ,对悬架进行复合控制往往能得
到意想不到的结果. 近期文献记载的控制策略设计有应用
于装甲车辆的自适应控制与 LQG控制的联合控制 ,最优预
见控制与神经网络控制的复合 ,以及模糊控制与神经网络
控制的复合等等. 研究表明 ,复合控制方法更适用于车辆
悬架这样复杂非线性系统的建模与控制 ,可以预见复合控
制方法是今后控制策略研究的一个重要方向.
3 今后研究和开发工作的方向
3. 1 研究开发可靠、高效的减振器
变刚度油气弹簧仍然有较高的研究价值 ,特别是在现
有装甲车辆的改进上. 磁流变减振器的发展已成为车辆行
业发展的焦点 ,虽然国外的研究成果及应用已经比较多 ,
但国内还处于理论研究和试验阶段 ,主要是磁流变液减振
器的工作不稳定 ,成本偏高. 因此 ,当前的工作重点应该包
括 2 方面 : ①研制高性能磁流变材料 ; ②优化磁路及减振
器结构.
3. 2 研究开发稳定、智能的控制方法
为了满足要求 ,要充分运用智能控制技术、非线性控
制理论及动力学系统理论[20] ,综合应用各种理论技术开发
稳定、智能的复合控制方法. 由于车辆悬架系统属于强非
线性和强耦合系统 ,用线性系统模型对悬架系统求解会带
来误差 ,另外 ,任何系统总存在不可避免的时滞[21] . 这方面
的研究者提出了多种解决办法 ,其中一种是采用模糊控
制、神经网络控制、鲁棒控制和智能学习系统等智能控制 ,
它们将是今后应用控制领域的一个主要研究方向.
3. 3 轻型轮式装甲车将是半主动悬架的重要应用领域
目前 ,半主动悬架技术主要应用于高级轿车 ,而对该
技术需求更为迫切的是轻型轮式装甲车领域. 随着装甲车
辆装备信息化建设的逐渐深入 ,轻型轮式装甲车也逐渐形
成了自身鲜明的发展方向 ,高机动性就是其发展特色之
一 ,主要表现在车辆的快速反应能力、行驶的地域更加广
泛 ,通过崎岖、苛刻路面的能力增强 ,这就要求车辆的行驶
平顺性与之相适应. 任何技术从出现到实际应用都有一个
漫长的过程 ,半主动悬架技术在国内已经有着广泛的研究
基础 ,今后的研究工作应以轻型轮式装甲车的悬架系统为
切人点 ,将该领域的技术逐渐推广.
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