張楊，周武能,潘亮，楊佳樂

　　（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

　　摘要：以天棚控制方法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合磁流變減振器的工作機(jī)制，建立了磁流變半主動(dòng)懸架硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并通過在實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)分析了被動(dòng)懸架和磁流變半主動(dòng)控制懸架的平順性。結(jié)果表明，相比于被動(dòng)懸架，磁流變半主動(dòng)懸架能夠很好地抑制低頻段車體垂直方向的加速度變化和振動(dòng)幅值，從而提高車輛平穩(wěn)性和舒適性。

　　關(guān)鍵詞：半主動(dòng)懸架；二自由度；天棚控制

0引言

　　車體與車輪間的動(dòng)力懸架是車輛的重要構(gòu)成部分。懸架性能的好壞將直接影響到車輛在行駛過程中的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性［1］。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架由阻尼系數(shù)和剛度不可變的阻尼元件及彈性元件構(gòu)成，被動(dòng)懸掛系統(tǒng)在構(gòu)建前需要設(shè)定好阻尼系數(shù)和剛度。由于參數(shù)設(shè)定好后不具可調(diào)性，僅僅能夠適應(yīng)一定工況下的振動(dòng)，對(duì)多變的行駛路況適應(yīng)能力很差。半主動(dòng)懸架可以在一定范圍內(nèi)對(duì)執(zhí)行元件的阻尼或剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容錯(cuò)性好等特點(diǎn)［2］。磁流變減振器是利用新型材料磁流變液在變化磁場(chǎng)作用下快速可逆的流變特性而設(shè)計(jì)的一種新型作動(dòng)器，具有耗能低、可產(chǎn)生連續(xù)阻尼力、方便控制等優(yōu)點(diǎn)，所以把磁流變技術(shù)應(yīng)用于半主動(dòng)懸架中進(jìn)行研究具有重大意義。

　　本文以提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性為研究重點(diǎn)，將磁流變減振器應(yīng)用于基于天棚控制算法的半主動(dòng)懸架中，搭建硬件設(shè)備平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，最后通過在車輛震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析磁流變半主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架對(duì)提高車體行駛平順性和乘坐舒適性的影響。

1算法設(shè)計(jì)

　　整車一般由4個(gè)懸掛系統(tǒng)組成，但理論分析時(shí)常采用1/4車二自由度懸掛系統(tǒng)模型，如圖1所示為二自由度懸掛系統(tǒng)模型。該懸掛系統(tǒng)模型動(dòng)力學(xué)方程式可表示為：

　　式中，M2、M1分別為車體質(zhì)量和車輪質(zhì)量；ks、kt分別為懸掛彈簧和車輪剛度；Ce為懸掛阻尼系數(shù)；X2、X1分別為車體垂直位移和車輪垂直位移；X0是路面向上激勵(lì)；F為控制力，當(dāng)F不作用時(shí)上述模型可以等效為被動(dòng)懸架。

　　如圖2所示為理想天棚控制懸架。天棚控制算法的基本思想是在車輛車體和假設(shè)的“天棚”之間安裝一個(gè)阻尼器。該阻尼器的阻尼系數(shù)變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼力作用于該控制懸架，起到減振的效果。假設(shè)車輛懸架的簧載質(zhì)量與參考地面之間具有阻尼。

　　理想的天棚阻尼力為：

　　Fs=－CsX·2 (2)

　　其中：Cs是天棚阻尼系數(shù)，取決于懸掛系統(tǒng)本身。根據(jù)圖2寫出運(yùn)動(dòng)微分方程如下：

　　M1X··1+kt(X1－X0)－ks(X2－X1)－Ce(X·2－X·1)=0

　　M2X··2+ks(X2－X1)+Ce(X·2－X·1)+CsX·2=0 (3)

　　根據(jù)與天棚阻尼等效的原則，圖1所示的半主動(dòng)懸架中的力F由磁流變減振器［3-4］來提供，即圖1中的F與天棚阻尼力Fs存在某種關(guān)系。由于Fs=－CsX·2，所以當(dāng)X·2與(X·2－X·1)同向時(shí)，F(xiàn)與Fs同向［5］，因此可以通過改變勵(lì)磁電流的大小使Fs與F相等；當(dāng)X·2與(X·2－X·1)反向時(shí)，F(xiàn)與Fs反向。為了盡可能縮小兩者差異，應(yīng)該讓F最小?？紤]到磁流變減振裝置自身存在一定的阻尼，因此F最小值不能取到0值，F(xiàn)∈［Fmin,Fmax］，因此F的取值可以表述為：

　　F=FmaxX2·(X2·－X1·)≥0且Fd>Fmax

　?。瑿sX·2X2·(X2·－X1·)≥0且Fd≤Fmax

　　FminX2·(X2·－X1·)≤0 (4)

　　式（4）中的力F由磁流變阻尼器提供。

2磁流變懸掛系統(tǒng)構(gòu)建

　　懸掛系統(tǒng)包括硬件結(jié)構(gòu)搭建和軟件算法部分，如圖3、圖4所示 。硬件部分主要包括加速度傳感器、PCI數(shù)據(jù)采集器、工控機(jī)、程控電流源和磁流變減振器。軟件需要實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的采集、濾波、積分和微分，然后通過上述的天棚算法對(duì)程控電流源輸出一個(gè)控制電流的指令，最后通過電流信號(hào)改變磁流變阻尼器產(chǎn)生一個(gè)阻尼力Fcs反饋?zhàn)饔糜趹覓煜到y(tǒng)，達(dá)到減緩系統(tǒng)振動(dòng)的效果。

3道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　設(shè)某越野車在特定路面上以9 m/s勻速直線行駛。本次試驗(yàn)采用某公司的752A13加速度傳感器采集垂直方向上車體質(zhì)心加速度和駕駛員座椅處的加速度信號(hào)，通過對(duì)懸掛系統(tǒng)上的磁流變阻尼器輸出控制指令和終止對(duì)磁流變阻尼器輸出電流指令兩種情況下的數(shù)據(jù)采集，顯示車體質(zhì)心和駕駛員座位處加速度的變化情況。磁流變阻尼器沒有工作的情況下該懸掛系統(tǒng)等效于被動(dòng)懸架。

　　圖5為某時(shí)刻路面輸入情況。圖6和圖7所示的是加速度變化情況，由于磁流變半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)中的阻尼器產(chǎn)生的阻尼力F對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)起到了一定的調(diào)節(jié)作用，所以在相同的路面條件下裝有磁流變阻尼器的車輛在行駛過程中垂直方向的加速度變化明顯低于磁流變阻尼器沒有起到任何作用時(shí)的情況。從圖中可以看出，駕駛員位置和車體質(zhì)心處裝有磁流變阻尼裝置的半主動(dòng)懸掛系

　　圖7駛員座位處加速度變化情況統(tǒng)比被動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)的垂直方向的振動(dòng)加速度下降了70%~80%，特別是在低頻段尤為明顯，明顯會(huì)提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性。由此可見磁流變阻尼器應(yīng)用于半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)中有利于降低低頻共振的幅值，具有推廣意義。

4結(jié)論

　　本文以提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性為研究重點(diǎn)，將磁流變減振器應(yīng)用于基于天棚控制算法的半主動(dòng)懸架中，搭建硬件設(shè)備平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，最后通過對(duì)在車輛震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析磁流變半主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架對(duì)提高車體行駛平順性和乘坐舒適性的影響。分析可知裝有磁流變阻尼裝置的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)有利于降低車輛行駛過程中垂直方向的震動(dòng)幅值，低頻段的抑制作用尤為明顯，可明顯提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性，具有較大的推廣意義。

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