李爭(zhēng)鵬，李勇凱，劉猛，楊鑫

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淺析商用車座椅懸架的研究現(xiàn)狀

李爭(zhēng)鵬，李勇凱，劉猛，楊鑫

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

汽車座椅是汽車減振系統(tǒng)的重要組成部分。文章對(duì)目前商用車座椅懸架的主要類型以及常用的座椅懸架控制策略作了簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀對(duì)未來座椅懸架的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

懸架類型；控制策略；發(fā)展趨勢(shì)

前言

汽車行駛時(shí)的舒適性與汽車減振系統(tǒng)有關(guān)。座椅懸架可以極大地緩沖路面不平引起振動(dòng)，有效避開人體敏感頻率，從而提高駕駛員的行車安全性和乘坐舒適性。因此，加強(qiáng)座椅懸架的研究對(duì)提升我國(guó)商用車的競(jìng)爭(zhēng)力及保障駕駛?cè)藛T行車安全具有重要意義。

1 車輛座椅懸架的類型

座椅懸架相對(duì)于車輛懸架發(fā)展起步較晚，座椅懸架與車輛懸架在組成和原理上有很大相似性，安照裝置布置形式主要分為懸置式和剪式兩種，如圖1中的(a)和(b)所示，懸置式座椅懸架多用于裝載車、叉車等工程車輛，剪式座椅懸架則更多的適用于旅游車，卡車等大型車輛。就目前而言，國(guó)內(nèi)大都是對(duì)剪式座椅懸架進(jìn)行研究。通常，座椅懸架按照隔振效果可劃分為被動(dòng)座椅懸架，半主動(dòng)座椅懸架，主動(dòng)座椅懸架三種。

(a) 懸置式座椅懸架圖 (b) 剪式座椅懸架圖

1.1 被座椅懸架

被動(dòng)座椅懸架是目前為止使用最為普遍的也是最為基礎(chǔ)的座椅懸架，它主要有彈簧和阻尼器兩部分組成，剛度和阻尼是設(shè)定了的，因此，其調(diào)節(jié)不能隨著車輛在運(yùn)行過程遇到的實(shí)際路面狀況而變化。

圖2中(a)是德國(guó)Grammer公司研制的凸輪控制的非線性特性座椅懸架，但該結(jié)構(gòu)的滾輪承受兩方向的擠壓，有很大的摩擦力，不僅增加駕駛室內(nèi)噪音，而且縮短其正常使用壽命。

(a) 由凸輪控制的非線性彈性特性座椅懸架示意圖

(b) 由曲面板與拉簧控制的非線性彈性特性座椅懸架示意圖

圖2 被動(dòng)懸架示意圖

(b)圖是我國(guó)河南科技大學(xué)研制的由曲面版和拉簧控制的座椅懸架，該座椅懸架在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，可有效避免滾輪的擠壓和摩擦問題。

1.2 半主動(dòng)座椅懸架

半主動(dòng)懸架的概念最早是由D.A.Crosby和D.C.Karnopp在1973年中提出。1984年國(guó)外又研制出一種聲納式半主動(dòng)懸架，它可以通過聲納裝置預(yù)測(cè)前方路面信息，并且能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整懸架減振器的三種狀態(tài)。D.A.Crosby等人提出了阻尼連續(xù)可調(diào)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。I.Hostens, K.Deprez, H.Ramon更是在行走式農(nóng)用機(jī)械的座椅上應(yīng)用了帶輔助氣室的空氣彈簧和變阻尼空氣阻尼器，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，表明這種座椅懸架振動(dòng)衰減性能良好。

國(guó)內(nèi)對(duì)半主動(dòng)座椅懸架研究尚處于起步階段。吉林大學(xué)的孫明,，長(zhǎng)安大學(xué)的張猛，江蘇大學(xué)的劉永田，東北林業(yè)大學(xué)的楊亞珣、杜宇、孫子堯等其他高校人才在磁流變阻尼器在半主動(dòng)座椅懸架的應(yīng)用上進(jìn)行了理論和實(shí)際的研究。半主動(dòng)座椅懸架概念比主動(dòng)座椅懸架提出要晚，但它發(fā)展速度快。總體而言，半主動(dòng)座椅懸架在我國(guó)仍處于起步階段，與國(guó)外領(lǐng)域發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。

1.3 主動(dòng)座椅懸架

主動(dòng)座椅懸架主要由一個(gè)作動(dòng)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器組成。它的剛度和阻尼能根據(jù)路面狀況進(jìn)行實(shí)施調(diào)控，比半主動(dòng)式座椅懸架反應(yīng)更加靈敏，調(diào)控范圍更加寬泛，能始終保持駕駛員理想的舒適性。

早期的主動(dòng)座椅懸架是由意大利的Francesco Braghin和Federico Cheli等人在傳統(tǒng)被動(dòng)座椅的基礎(chǔ)上利用減振器和主動(dòng)可控空氣彈簧組成的，該類型座椅應(yīng)用于農(nóng)業(yè)車輛。國(guó)外的Johnson建立了一種用于減小駕駛員背部損傷的電液式主動(dòng)式駕駛員座椅懸架系統(tǒng)。Shimogo等人開發(fā)了一種用于重型卡車的主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該座椅懸架上板加速度加權(quán)平均值降低接近50%，具有較好的隔振效果，但其需要消耗較大能量。

近年，國(guó)內(nèi)劉永田，郝雪玲等在主動(dòng)空氣座椅懸架的做了理論研究，分析論證了：與被動(dòng)空氣座椅懸架相比，主動(dòng)空氣座椅懸架能夠有效降低座椅加速度，并同時(shí)能夠抑制駕駛室俯仰角加速度。目前，主動(dòng)座椅懸架研究尚處在萌芽狀態(tài)，相關(guān)理論水平和技術(shù)狀況較薄弱，加上對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)速度有著嚴(yán)格要求，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高等因素影響，主動(dòng)座椅懸架仍未得到廣泛應(yīng)用。

2 常用的座椅懸架控制策略

被動(dòng)懸架的剛度和阻尼是確定的，在行車過車中始終保持不變。因此，控制策略主要是針對(duì)半主動(dòng)和主動(dòng)座椅懸架而言的。懸架系統(tǒng)控制策略的選擇對(duì)乘坐舒適性的優(yōu)化程度有著直接的關(guān)系?？刂评碚摪凑瞻l(fā)展過程可大致分為經(jīng)典控制策略，現(xiàn)代控制策略，智人控制三個(gè)階段。目前也出現(xiàn)在常規(guī)單一控制策略上進(jìn)行復(fù)合，用以彌補(bǔ)單一控制方法的不足。

2.1 PID控制

PID控制方法作為經(jīng)典控制算法中的典型代表，是一種傳統(tǒng)的控制方式，適用于建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。從1922年美國(guó)N.Minorsky提出PID控制方法，1942年美國(guó)Taylor儀器公司的J.g.ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法至今，在工業(yè)領(lǐng)域的控制中使用較為廣泛。PID控制是由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的，分別是比例、積分和微分環(huán)節(jié)，該控制方法是將需要的輸出量與理想值進(jìn)行比較，對(duì)該偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是參數(shù)的整定，PID控制具有魯棒性強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單、可靠性高，參數(shù)意義明確等特點(diǎn)。PID控制原理如圖3所示。

圖3 PID控制原理圖

目前，PID控制在懸架的應(yīng)用上較為成熟，文獻(xiàn)[1]采用湊試法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，按照“先比例、再積分、后微分”的順序調(diào)整PID參數(shù)，仿真結(jié)果表明，在比例、微分、積分三個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)座椅加速度具有一定程度的削弱作用，尤其是比例和積分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的作用較明顯。文獻(xiàn)[2]中，利用在Matlab / Simulink中搭建系統(tǒng)的仿真模型，分別輸入不同路面信號(hào)得到有無PID控制的平順性參數(shù)值，試驗(yàn)結(jié)果表明有PID控制器的主動(dòng)懸架可有效提高汽車行駛平順性。

2.2 天棚控制

1974年，美國(guó)學(xué)者Karnopp等人提出了天棚(Sky-hook)阻尼控制算法，它是一種早期廣泛應(yīng)用于主動(dòng)懸架的經(jīng)典控制算法，擁有形式簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì)。其原理是將可變阻尼器的一端和假想天空之間安裝了一個(gè)虛擬減震器，該減震器能夠提供一個(gè)控制力。

天棚阻尼控制模型如圖4所示。天棚控制關(guān)注重點(diǎn)是簧載質(zhì)量的性能，它可以同時(shí)滿足簧載質(zhì)量的諧振控制和簧載質(zhì)量的高頻減振，但是在保證這些性能的同時(shí)將會(huì)使簧下質(zhì)量產(chǎn)生較大的動(dòng)位移。

圖4 天棚阻尼控制理想模型圖

天棚阻尼控制是一種理想模型在實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)。通常我們采用一些等效模型可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)天棚阻尼控制。在文獻(xiàn)[3]中，利用開/關(guān)控制策略來模仿理想天棚控制系統(tǒng)。純天棚控制，是僅對(duì)理想天棚控制的模擬，它可大幅減小簧載質(zhì)量在高頻隨機(jī)激勵(lì)下的加速度，如果懸架系統(tǒng)輸入的是低頻階躍激勵(lì)，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生較大的懸架動(dòng)行程。在文獻(xiàn)[4]中分別對(duì)簧載質(zhì)量絕對(duì)速度的線性和非線性濾波器進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)，旨在優(yōu)化簧載質(zhì)量與懸架動(dòng)行程之間的狀況。

2.3 最優(yōu)控制/LQG控制

最優(yōu)控制方法是將被控系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的基本方法，其內(nèi)容大致可表述為:對(duì)所要控制的系統(tǒng)或過程從眾多的控制方案中找到一個(gè)最優(yōu)的方案，使得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)由某一初始狀態(tài)變化到目標(biāo)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。利用數(shù)學(xué)語言可表述最優(yōu)化具體過程為:在運(yùn)動(dòng)方程的約束條件下，對(duì)由表征系統(tǒng)性能的參數(shù)構(gòu)成的函數(shù)進(jìn)行最小值求解。目前，在智能懸架中應(yīng)用的最優(yōu)控制方法中數(shù)LQG控制較為普遍。但即使是LQG控制的控制也必須要通過求解Riccati方程得到，事實(shí)上Riccati方程有時(shí)很難求解，并且在確定目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)矩陣上缺乏行之有效的理論指導(dǎo)，通常這只能憑借著設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，綜上因素在很大程度上限制了最優(yōu)控制的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[5]利用白噪聲和階躍輸入作為路面激勵(lì)，將最優(yōu)控制器分別應(yīng)用到主動(dòng)空氣座椅懸架系統(tǒng)模型中，通過仿真結(jié)果分析驗(yàn)證了應(yīng)用最優(yōu)控制的主動(dòng)空氣座椅懸架對(duì)車輛乘坐舒適性有較大的改善。文獻(xiàn)[6]將最優(yōu)控制分別應(yīng)用到四自由度、七自由度及十二自由度的主動(dòng)空氣座椅模型當(dāng)中，通過仿真，驗(yàn)證了配有最優(yōu)控制的座椅懸架能夠?qū)ψ渭铀俣群妥螒壹軇?dòng)行程進(jìn)行有效衰減。

2.4 魯棒控制

現(xiàn)代控制理論誕生于20世紀(jì)50年代末，在20世紀(jì)末60年代的航天領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。魯棒控制作為現(xiàn)代控制理論的杰出代表，將其引入到懸架系統(tǒng)的控制當(dāng)中，可有效處理懸架系統(tǒng)中出現(xiàn)的多目標(biāo)問題和參數(shù)攝動(dòng)問題。

文獻(xiàn)[7]中為解決在控制中出現(xiàn)的輸入信號(hào)遲滯和輸入飽和等相關(guān)因素影響，針對(duì)座椅懸架模型，專門設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)觀測(cè)器的魯棒r輸出反饋控制器，并且進(jìn)行了相應(yīng)的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的車輛座椅懸架魯棒擴(kuò)輸出反饋控制器具有可行性和有效性。文獻(xiàn)[8]針對(duì)主動(dòng)懸架控制中的輸入遲滯控制問題、控制器飽和問題、控制器容錯(cuò)三個(gè)熱點(diǎn)問題在魯棒控制設(shè)計(jì)中進(jìn)行詳細(xì)研究，給出了解決以上問題的具體方式，并通過最后仿真驗(yàn)證了方法的有效性。

2.5 模糊控制

模糊控制和模糊數(shù)學(xué)的概念由美國(guó)著名教授查德，在他的《Fuzzy Sets》；《Fuzzy Algorithm》和《A Retionnale for Fuzzy Control》等著名論著中首先提出。1974年英國(guó)倫敦大學(xué)E. H. Mamdani教授，他首次將具有模糊控制語句組的模糊控制器，應(yīng)用在鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行控制之中，并且在實(shí)驗(yàn)室中獲得了成功。模糊控制以處理非線性和非精確信息系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，除此之外，它還能夠處理那些傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。模糊控制基本原理見圖5。

圖5 模糊控制基本原理圖

文獻(xiàn)[9]利用模糊控制的基本原理，設(shè)計(jì)了主動(dòng)懸架模糊控制器，并在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，將所得的仿真結(jié)果與被動(dòng)懸架仿真結(jié)果進(jìn)行比較。證實(shí)了具有模糊控制器的主動(dòng)控制能有效地提高汽車行駛平順性。

文獻(xiàn)[10]中擬采用了兩輸入、單輸出二維模糊控制機(jī)構(gòu)，并且針對(duì)選用不同種類的阻尼器，相應(yīng)采取了特定的模糊語言變量。采用工具箱與命令程序結(jié)合的方法，利用Matlab中的模糊控制工具箱中的GUI編輯生成一個(gè)模糊推理系統(tǒng)，利用Matlab命令程序分別生成實(shí)時(shí)控制所須的模糊控制表。通過仿真分析證明隨著白噪聲路面激勵(lì)頻率的增大，模糊控制下的半主動(dòng)座椅懸架比常規(guī)座椅懸架在行駛平順性和乘坐動(dòng)態(tài)舒適性上均有顯著改善。

3 座椅懸架發(fā)展趨勢(shì)

隨著近年來我國(guó)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，汽車生產(chǎn)水平和生產(chǎn)質(zhì)量顯著提升，汽車國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。人們對(duì)汽車研究重點(diǎn)從傳統(tǒng)的安全性，動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性逐漸轉(zhuǎn)移到節(jié)能性和舒適性上，特別是之前對(duì)以運(yùn)送貨物為主的工程車輛的設(shè)計(jì)，沒有對(duì)駕駛員的乘坐舒適性足夠重視。未來相當(dāng)一段時(shí)間里被動(dòng)座椅懸架優(yōu)勢(shì)仍然明顯，將繼續(xù)在商用車市場(chǎng)中占有較大份額；半主動(dòng)座椅懸架擴(kuò)大非公路車輛中使用比重，最終超過被動(dòng)座椅懸架；主動(dòng)座椅懸架技術(shù)尚未十分成熟和使用成本相對(duì)過高，主動(dòng)座椅懸架市場(chǎng)相對(duì)狹小；座椅懸架的控制策略也將從目前的單一控制為主逐步轉(zhuǎn)向?yàn)閺?fù)合控制，使得控制效能更加理想。總之，我國(guó)商業(yè)車座椅懸架技術(shù)相對(duì)于汽車研發(fā)較早的發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距，商用車座椅懸架的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

[1] 杜宇.工程車輛半主動(dòng)座椅懸架磁流變阻尼器控制的建模與仿真 [D].東北林業(yè)大學(xué),2011.

[2] 杜常.PID控制策略下主動(dòng)懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真[J]武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版) , 2015 (6) :680-683.

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[4] Li H,Goodall R M. Linear and non-linear skyhook damping control laws for active railway suspensions.Control Engineering Practice, 1999, 7 (7):843-850.

[5] 張麗萍,鄭逢美.農(nóng)用車輛座椅懸架的魯棒H∞控制仿真研究[J]沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015 (6) :706-712.

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[9] 楊斌.基于Matlab仿真的車輛主動(dòng)懸架研究[D].長(zhǎng)安大學(xué), 2015.

[10] 李三妞.基于磁流變液拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架減振系統(tǒng)研究[D].河南科技大學(xué),2015.

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Analysis on the research status of commercial vehicle seat suspension

Li Zhengpeng, Li Yongkai, Liu Meng, Yang Xin

（School of automobile and traffic engineering,Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

Automobile seat is an important part of vehicle vibration damping system. This paper gives a brief introduction to the main types of seat suspension and the common control strategy of seat suspension, and looks forward to the development trend of the seat suspension in the future.

Suspension type; control strategy; development trend

B

1671-7988(2018)16-154-04

U461.99

B

1671-7988(2018)16-154-04

CLC NO.: U461.99

李爭(zhēng)鵬，碩士，就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)。研究方向：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.054