卜祥風(fēng)，謝友浩

（1.滁州學(xué)院，滁州 239000；2.安徽獵豹汽車有限公司，滁州 239000）

0 引言

懸架是車輛底盤的重要結(jié)構(gòu)和組成部分，起到緩沖路面沖擊消耗振動(dòng)能量的作用。傳統(tǒng)被動(dòng)懸架由于其固有特性，無法協(xié)調(diào)車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的矛盾。主動(dòng)懸架能夠解決被動(dòng)懸架存在的問題，并且控制響應(yīng)快，但往往不具有失效穩(wěn)定性，當(dāng)主動(dòng)懸架失效時(shí)，車輛減振效果大大降低。半主動(dòng)懸架通過改變懸架的彈簧剛度或阻尼系數(shù)來調(diào)節(jié)振動(dòng)，響應(yīng)速度較慢，具有一定的失效穩(wěn)定性。本文提出的混合型主動(dòng)懸架，在被動(dòng)懸架的車輪環(huán)節(jié)加裝電磁反力作動(dòng)器形成。當(dāng)電磁反力作動(dòng)器工作時(shí)輸出主動(dòng)控制力，當(dāng)電磁反力作動(dòng)器不工作時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)被動(dòng)吸振器，所有具有較好的失效穩(wěn)定性。

1 懸架模型

1.1 混合型主動(dòng)懸架力學(xué)模型

1/4車輛混合型主動(dòng)懸架模型如圖1所示，m為作動(dòng)器振動(dòng)塊質(zhì)量，m1為非簧載質(zhì)量，m2為簧載質(zhì)量，k1為輪胎剛度，k2為懸架剛度，c為作動(dòng)器阻尼，c2為懸架阻尼，u是作動(dòng)器電磁力，q、x1、x2、x3分別為路面、非簧載質(zhì)量、簧載質(zhì)量、作動(dòng)器振動(dòng)塊位移。

電磁力u作用下，振動(dòng)塊m受迫振動(dòng)，從而作動(dòng)器整體對(duì)外輸出一個(gè)反力Ft，F(xiàn)t作為主動(dòng)力作用在非簧載質(zhì)量上。當(dāng)電磁作動(dòng)器不工作的時(shí)候，作動(dòng)器相當(dāng)于一個(gè)被動(dòng)吸振器。此型懸架兼有主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的特征，所以稱為混合型主動(dòng)懸架。

圖1 車輛1/4混合型主動(dòng)懸架模型

混合型懸架運(yùn)動(dòng)微分方程為：

1.2 混合型主動(dòng)懸架試驗(yàn)物理模型

圖2所示為混合型主動(dòng)懸架的試驗(yàn)物理模型，包括加載箱、導(dǎo)柱、大梁、簧載質(zhì)量配重盤、減振器套件、非簧載質(zhì)量配重盤、激振頭。懸架主要參數(shù)：

m1=30kg，m2=275kg，k1=90kN/m，k2=159kN/m，c2=1.1kN.s/m。作動(dòng)器主要參數(shù)：m=3.4kg，k=16kN/m，c=70N.s/m，電磁力常數(shù)μ=53.5N/A。其中減振器套件取自實(shí)車，以盡可能貼近實(shí)車模型。

圖2 混合型主動(dòng)懸架試驗(yàn)物理模型

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

混合型主動(dòng)懸架的試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖3所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括四大部分，第一部分是激振頭和懸架物理元件，激振源是INSTRON公司的8800數(shù)控液壓伺服激振系統(tǒng)，能夠編程實(shí)現(xiàn)模擬路面的振動(dòng)。第二部分是混合型主動(dòng)懸架的控制系統(tǒng)，包括信號(hào)采集、處理單元、單片機(jī)控制單元和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元。這里采用了內(nèi)環(huán)PID控制和外環(huán)魯棒控制的雙反饋閉環(huán)控制策略，控制原理如圖4所示。第三部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用了LMS數(shù)據(jù)采集儀，兩個(gè)加速度傳感器，LMS電腦自動(dòng)記錄傳感器的加速度-時(shí)間曲線。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖4 雙反饋控制原理

試驗(yàn)原理為：加速度傳感器采集到加速度信號(hào)，一方面由數(shù)據(jù)采集儀采集記錄，另一方面信號(hào)經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；同樣力傳感器采集作動(dòng)器的對(duì)外作動(dòng)力信號(hào)也傳送給單片機(jī)控制單元，單片機(jī)調(diào)用控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)的控制力，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器輸出電磁力，從而控制懸架系統(tǒng)的振動(dòng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 正弦激勵(lì)

采用正弦波輸入模擬路面的確定性輸入，正弦波頻率為5Hz，振幅為10mm。

圖5給出了懸架處在主動(dòng)控制、被動(dòng)吸振和被動(dòng)三種情況下的車身振動(dòng)加速度、輪胎振動(dòng)加速度的對(duì)比圖，表1列出了懸架在上述三種情況下的峰峰值。

表1 正弦激勵(lì)車身/輪胎加速度峰峰值

由圖5結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可以看出，主動(dòng)控制時(shí)車身振動(dòng)加速度峰峰值為4.6854m/s2、被動(dòng)吸振時(shí)為4.8890m/s2，被動(dòng)時(shí)為5.1289m/s2。主動(dòng)控制下的車身振動(dòng)加速度比被動(dòng)吸振降低4.16%，比被動(dòng)時(shí)降低8.65%；主動(dòng)控制下輪胎振動(dòng)加速度比被動(dòng)吸振時(shí)降低6.77%，比被動(dòng)時(shí)降低6.8%。

圖5 2Hz正弦激勵(lì)車身/輪胎加速度對(duì)比

3.2 隨機(jī)路面激勵(lì)

編程使激振頭模擬B級(jí)路面下，車速30km/h時(shí)的路面輸入，得到懸架在主動(dòng)控制、被動(dòng)吸振和被動(dòng)時(shí)的車身振動(dòng)加速度、輪胎振動(dòng)加速度對(duì)比，如圖6、圖7所示。

表2給出了車身振動(dòng)加速度和輪胎振動(dòng)加速度的均方根值，可以看出懸架在被動(dòng)吸振狀態(tài)下比被動(dòng)時(shí)，無論是車身振動(dòng)加速度還是輪胎振動(dòng)加速度，都改善的不明顯。而懸架在主動(dòng)控制時(shí)，相對(duì)于在被動(dòng)時(shí)，車身加速度降低7.92%，輪胎加速度降低10.18%，顯示了較好得減振效果。

表2 車身/輪胎加速度均方根值

4 結(jié)論

圖6 車身加速度對(duì)比

圖7 輪胎加速度對(duì)比

通過上述正弦激勵(lì)和隨機(jī)路面激勵(lì)試驗(yàn)可知，將電磁反力作動(dòng)器安裝在被動(dòng)懸架車輪環(huán)節(jié)形成的混合型主動(dòng)懸架能夠起到控制減振的效果。為驗(yàn)證混合型主動(dòng)懸架減振效果設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確可行，所設(shè)計(jì)的混合型主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)有效可行。

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