第七章 悬架-第五节主动悬架和半主动悬架

悬架历史：随着世界经济、科技水平的发展，人们对汽车的要求也越来越高，因此生产即安全又舒适的高性能汽车成为汽车工业发展的新方向。

而作为汽车重要组成部分的悬架，其性能的优越直接影响车辆的安全性和舒适性。

因此，悬架的发展先后经历了被动悬架、主动悬架的演变过程。

然而，由于被动悬架本身结构的限制，其性能相对较差；主动悬架结构复杂、制造成本较高，在商业上也没能得到广泛应用。

后来，人们提出了介于前两种悬架之间的半主动悬架，它既有被动悬架结构简单、成本低廉，又有主动悬架的优越性能，因此，受到人们的广泛关注。

组成：悬架是车架与车桥之间的一切连接和传力装置的总称。

主要由弹性元件、减振器和导向机构组成。

悬架是汽车的一个重要组成部分，它把车架或车身与车轮弹性的连接起来。

因此，其性能的好坏直接影响车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

其总体结构如图1.1所示。

f-r悬架按导向机构、弹性元件和阻尼元件不同，可分成不同的悬架类型。

以阻尼元件为例，按阻尼元件的不同，可以分成固定阻尼系数的悬架和可变阻尼系数的半主动悬架两种。

本文就是以可变阻尼系数的半主动悬架为例进行研究的。

按其发展过程来讲，悬架先后经历被动悬架、主动悬架和半主动悬架三种悬架的发展历程。

迄今为止，被动悬架发展历史最悠久，性能比较稳定、技术相对成熟，更兼结构简单、制造成本低廉，因此，仍在各种车辆上广泛应用。

但其弹性和阻尼不能随外部工况变化而变化，已经远不能满足人们对乘坐舒适性和安全性的要求。

随着计算机技术的发展和传感器、微处理器及液、电控元件制造技术的提高，使可控悬架在车辆上的应用成为可能。

半主动悬架：半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行捌节的悬架。

由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。

1半主动悬架技术发展现状根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。

主动悬架系统主动悬架是用一个有自身能源的力发生器来代替被动悬架中的弹簧和减振器。

根据作动器响应带宽的不同，主动悬架又分为宽带主动悬架和有限带宽主动悬架，也被叫做全主动悬架和慢主动悬架。

全主动悬架系统所采用的作动器具有较宽的响应频带，以便对车轮的高频共振也加以控制。

作动器多采用电液或液气伺服系统，控制带宽一般应至少覆盖0〜15Hz,有的作动器响应带宽甚至高达100Hz。

结构示意图见上图。

从减少能量消耗的角度考虑，也可保留一个与作动器并联的传统弹簧，以用来支持车身静载。

主动悬架的一个重要特点就是，它要求作动器所产生的力能够很好地跟踪任何力控制信号。

因此，它为控制律的选择提供了一个广泛的设计空间，即如何确定控制律以使系统能够让车辆达到最佳的总体性能。

近二十年来，有大量关于主动悬架的研究论文及专题回顾文献发表。

研究结果表明，主动悬架能够在不同路面情况及行驶条件下显著地提高车辆性能。

主动悬架的研制工作起始于八十年代。

Lotus 制造了第一辆装有主动悬架的样车。

其系统的响应可达30Hz,它可使乘坐舒适性和转弯及制动时的车身姿态控制提高约35%还有一些主动悬架实施的例子，如Lotus Turbo Esprit 、Damlar Benz的试验样机系统、BMW和Ford等。

然而，由于这些主动悬架系统具有的高成本、高能耗、增加的重量及复杂程度，使主动悬架仅限于样车及一些赛车等有限的应用上。

结构上，有限带宽主动悬架通常由作动器与一个普通弹簧串联后，再与一个被动阻尼器并联构成，见上图。

这种系统在低频时（一般小于5 或6 赫兹）采用主动控制，而高于这个频率时，控制阀不再响应，系统特性相当于传统的被动悬架，而被动悬架在高频时的效果也比较好。

由于有限带宽主动悬架作动器仅需在一窄带频率范围内工作，所以它降低了系统的成本及复杂程度，比全主动悬架便宜得多。

尽管如此，它的主动控制仍然覆盖了主要的车身振动，包括纵向、俯仰、侧倾以及转向控制等要求的频率范围，改善了车身共振频率附近的行驶性能，提高了对车身姿态的控制，性能可达到与全主动系统很接近的程度。

第六章悬架设计悬架设计§1 概述§2 悬架结构形式分析§3 悬架主要参数的确定§4 弹性元件的计算§5 主动与半主动悬架系统§1 概述一主要作用传递车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩;缓和、抑制路面对车身的冲击和振动；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性。

保证汽车的操纵稳定性。

二对悬架提出的设计要求1）保证汽车有良好的行驶平顺性。

2）具有合适的衰减振动能力。

3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。

4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。

5）有良好的隔声能力。

6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。

7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

2 悬架结构形式分析一、非独立悬架和独立悬架悬架非独立悬架独立悬架两类左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接非独立悬架独立悬架1 非独立悬架优点纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置结构简单制造容易 维修方便 工作可靠缺点汽车平顺性较差高速行驶时操稳性差轿车不利于发动机、行李舱的布置应用：货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架2 独立悬架优点 簧下质量小；悬架占用的空间小；可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性；由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。

缺点 结构复杂 成本较高 维修困难应用：轿车和部分轻型货车、客车及越野车二、独立悬架结构形式分析分类 双横臂式 单横臂式、 双纵臂式 单纵臂式 单斜臂式麦弗逊式和扭转梁随动臂式1 评价指标：1）侧倾中心高度侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。

半主动悬架的工作原理
悬挂系统是汽车的重要组成部分之一，它能够对车辆的稳定性、操控性以及舒适性都有着很大的影响。

半主动悬挂（semi-active suspension）技术是目前较为先进的悬挂系统之一，它能够根据路面情况和车速实时调整悬挂刚度，提高行驶的舒适性和稳定性。

下面我们将详细介绍半主动悬挂的工作原理。

半主动悬挂在工作原理上可以分为三个部分：
1. 传感器系统
2. 控制系统
3. 操作执行器
传感器系统主要由传感器和控制单元组成，它能够实时采集车体的运动和路面的情况，并将数据发送至控制系统。

控制系统根据传感器收集到的数据，通过算法计算出适合当前路面情况的悬挂刚度和阻尼系数等参数，并将控制信号发送给操作执行器，完成悬挂系统的调整。

控制系统的主要组成部分是控制单元和执行机构。

它通过不同的控制算法实现对悬挂行程的调整，以达到较好的行驶舒适性和稳定性。

对于小幅震动，悬挂系统可根据路况信息来对悬挂进行快速调节，而对于大幅度震动甚至是跳跃，悬挂系统则会通过电磁阀和伺服电机等执行器进行反应性补偿来增强行驶的稳定性。

特别是在高速行驶、刹车和加速等紧急情况下，悬挂系统需要更快、更准确地做出反应。

操作执行器是悬挂系统的重要组成部分，它能够通过控制单元发出的控制信号来实现悬挂的动态调整。

常见的操作执行器主要有两种：电磁阀和伺服电机。

电磁阀通过调节油液的流量来调整悬挂行程，而伺服电机则通过电流的变化来调节悬挂刚度。

总的来说，半主动悬挂系统弥补了传统悬挂系统的缺陷，可以更好地适应不同的路况，提高了行驶的舒适性和稳定性，是目前较为先进的悬挂技术之一。

汽车的主动悬架与半主动悬架结构详解悬架系统可根据汽车的运动状态、路面状况以及载荷等参数的变化，对悬架的刚度和阻尼进行动态地自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态的称为主动悬架系统。

包含动力源的主动悬架系统称为全主动悬架或有源主动悬架；不包含动力源的主动悬架系统称为半主动悬架或无源主动悬架。

1．全主动悬架（简称主动悬架）主动悬架是在被动悬架系统（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控制作用力的装置。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁阀等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

（1）主动油气悬架系统其特点是通过调节油气弹簧的刚度达到主动调节目的。

（2）主动空气悬架系统其特点是通过调节空气弹簧的刚度达到调节目的。

（3）主动液力悬架系统其特点是执行器(液压缸)中所采用的介质是不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较高。

当执行器(液压缸)发生作用时，液压缸中的活塞从上、下两侧接受油压，一侧油压上升，另一侧油压下降，从而使活塞产生往复伸缩运动，以适应路面的凸凹，保持车身的平稳。

2．半主动悬架半主动悬架与主动悬架的区别是，半主动悬架用可控阻尼的减振器取代了执行器。

因此它不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼。

半主动悬架无动力源，由可控的阻尼元件(减振器)和弹簧组成。

（1）有级式半主动悬架将悬架系统中的阻尼分成两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择所需要的阻尼级。

（2）无级式半主动悬架其特点是可根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内由最小变到最大进行无级调节。

主动悬架系统简介 2011-10-12 09:19:00 来源：车天下汽车网类型：原创字体：小 | 大从控制力的角度划分，悬架可分为被动悬架，半主动悬架和主动悬架。

目前，大多数汽车的悬架系统装有弹簧和减振器，悬架系统内无能源供给装置，其弹性和阻尼不能随外部工况变化，因此称这种悬架是被动悬架。

主动悬架有作为直接力发生器的动作器，可以根据输入与输出进行最优的反馈控制，使悬架有最好的减震特性，以提高汽车的平顺性和操纵稳定性。

它由弹性元件和一个力发生器组成。

半主动悬架可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统，它可按存储在计算机的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。

它由弹性元件和一个一个阻尼系数能在较大范围内调节的阻尼器组成。

电子技术控制汽车悬架系统主要由(车高、转向角、加速度、路况预测)传感器、电子控制ECU、悬架控制的执行器等组成。

系统的控制功能通常有以下三个：1、车高调整当汽车在起伏不平的路面行驶时，可以使车身抬高，以便于通过;在良好路面高速行驶时，可以降低车身，以减少空气助力，提高操纵稳定性。

2、阻尼力控制用来提高汽车的操纵稳定性，在急转弯、急加速和紧急制动情况下，可以抑制车身姿态的变化。

3、弹簧刚度控制改变弹簧刚度，使悬架满足运动或舒适的要求。

采用主动式悬架后，汽车对侧倾、俯仰、横摆跳动和车身的控制都能更加迅速、精确，汽车高速行驶和转弯的稳定性提高，车身侧倾减少。

制动时车身前俯小，启动和急加速可减少后仰。

即使在坏路面，车身的跳动也较少，轮胎对地面的附着力提高。

一.主动式液压悬架电子控制的主动式液压悬架能根据悬架的质量和加速度等，利用液压部件主动地控制汽车的振动。

主动式液压悬架在轿车上的布置如图所示，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、车身高度和倾斜状态等信号，这些信号被输入到控制单元ECU，ECU根据输入信号和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工作。

摘要悬架系统是车辆的一个重要组成部分。

车辆悬架性能是影响车辆行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。

传统的被动悬架一般由具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组成，被设计为适应某一种路面，限制了车辆性能的进一步提高。

20世纪70年代工业发达国家已经开始研究基于振动主动控制的主动、半主动悬架系统。

近年来电子技术、测控技术、机械动力学等学科的快速发展，使车辆悬架系统由传统被动隔振发展到振动主动控制。

特别是信息科学中对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络等的研究，不仅使悬架系统振动控制技术在现代控制理论指导下更趋完善，同时已开始应用于车辆悬架系统的振动控制，使悬架系统振动控制技术得以快速发展。

随着车辆结构和功能的不断改进和完善，研究车辆振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代车辆质量的重要措施。

关键词：主动悬架控制策略模糊控制目录1 引言错误!未定义书签。

2 汽车悬架系统的类型和应用错误!未定义书签。

2.1 被动悬架 42.2 主动悬架 32.3 半主动悬架 43 各种悬架的性能比较错误!未定义书签。

4 汽车悬架系统的性能要求错误!未定义书签。

4.1 天棚阻尼与开关阻尼控制错误!未定义书签。

4.2 随机线性二次最优控制错误!未定义书签。

4.3 模糊控制错误!未定义书签。

4.4 神经网络控制错误!未定义书签。

4.5 预测控制错误!未定义书签。

4.6 滑模变结构控制错误!未定义书签。

4.7 复合控制错误!未定义书签。

5 汽车主动悬架的建模与仿真错误!未定义书签。

5.1 AMEsim软件基础错误!未定义书签。

5.2 汽车主动悬架的建模错误!未定义书签。

5.3 汽车主动悬架的模型的建立错误!未定义书签。

6 结论错误!未定义书签。

参考文献：错误!未定义书签。

1 悬架系统的类型与工作原理悬架是车架与车桥之间一切传力装置的总称，它的主要功用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺行驶。

半主动悬架是什么？
悬架是汽车重要总成之一，其性能的好坏直接影响汽车的平顺性和操纵稳定性。

从控制力的角度划分，悬架可分为被动悬架，半主动悬架和主动悬架。

目前，大多数汽车的悬架系统装有弹簧和减振器，悬架系统内无能源供给装置，其弹性和阻尼不能随外部工况变化而变化，这种悬架称为被动悬架。

主动悬架有作为直接力发生器的动作器，可以根据输入与输出进行最优的反馈控制，使悬架有最好的减振特性，以提高汽车的平顺性和操纵稳定性。

半主动悬架可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统，虽然它不能随外界的输入进行最优的控制和调节，但它可按储存在计算机中的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态，使悬架对复杂多变的路面状况具有较好的适应性.
半主动悬架的发展概况
半主动悬架的概念首先由Crosby和Karnopp于1973年提出，Karnopp还提出天棚阻尼控制模型和实现方法。

直到20世纪80年代初期才有试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多。

随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂。

1975年，Margolis等人提出了开关控制的半主动悬架，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，并应用于
ToyotaSoarer280GT型轿车上。

1986年，KimBrough在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法，改进了控制算法的稳定性。

1988年日本日产公司首次将声纳式半主动悬架系统应用于Maximas轿车上，。

悬架基本功用组成和分类首先让我们来了解一下什么是悬架：悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。

悬架基本功用：①对不平整路面所造成的汽车行驶中的各种颤动、摇摆和震动等，与轮胎一起，予以吸收和减缓。

从而保障乘客和货物的安全，并提高驾驶稳定性。

②将路面与车轮之间的磨擦所产生的驱动力和制动力，传输至底盘和车身。

③支承车桥上的车身，并使车身与车轮之间保持适当的几何关系。

典型的汽车悬架结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。

绝大多数悬架多具有螺旋弹簧和减振器结构，但不同类型的悬架的导向机构差异却很大，这也是悬架性能差异的核心构件。

悬架的组成悬架一般有弹性元件、导向装置、减振器和横向稳定杆组成弹性元件：弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。

常见的弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。

减震器：减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动。

减振器的类型有筒式减振器、阻力可调式减振器和充气式减振器。

用于限制弹簧的自由振荡，提高乘坐舒适性。

横向稳定器：有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设有横向稳定杆，目的是提高侧倾刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。

用于防止汽车横向摆动。

导向装置：导向装置用来使车轮按一定运动轨迹相对车身运动，同时起传递力作用。

通常导向装置由控制摆臂式杆件组成，有单杆式和连杆式的。

钢板弹簧作为弹性元件时，它本身兼导向作用，可不另设导向装置。

用于使上述部件定位，并控制车轮的横向和纵向运动。

悬架的基本类型1）按照控制形式不同，悬架可分为被动式悬架和主动式悬架两大类。

汽车半主动悬架系统的控制内容
汽车半主动悬架系统的控制内容包括以下几个方面：
1. 实时监测：悬架系统通过传感器实时监测车辆的动态信息，包括车速、转向角度、加速度、制动力等。

这些数据可以帮助系统判断当前行驶状态和路面状况。

2. 路面感知：悬架系统通过传感器感知路面状况，如颠簸、凹凸不平等情况，并将这些信息传递给控制单元。

3. 控制算法：悬架系统根据实时监测的数据和路面感知信息，通过控制算法计算最佳的悬架调节策略。

这个算法可以根据不同的行驶情况和路况动态调整，以提供最佳的悬架调节效果。

4. 悬架调节：悬架系统通过控制电磁阀、阻尼器或空气弹簧等调节装置，实现对悬架硬度、阻尼力等参数的调节。

根据控制算法计算的结果，系统可以动态调整悬架的工作状态，以提供更好的悬架控制性能。

5. 悬架模式选择：半主动悬架系统通常具有不同的工作模式，如舒适模式、运动模式等。

用户可以根据自己的需求选择合适的模式，控制系统会根据选择的模式来调节悬架的工作状态。

总的来说，汽车半主动悬架系统的控制内容主要包括实时监测车辆和路面信息、路面感知、控制算法、悬架调节和悬架模式选择等方面，以提供更好的悬架控制性能和乘坐舒适性。