1.4 懸掛系統(tǒng)的發(fā)展

懸掛系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)過了三個發(fā)展階段：被動懸掛、主動懸掛和半主動懸掛。

1.4.1 被動懸掛

傳統(tǒng)的被動懸掛一般由參數(shù)固定的彈簧、減震器及導(dǎo)向機構(gòu)組成，其中彈簧主要起緩沖和支撐作用，減震器用于衰減振動，導(dǎo)向機構(gòu)起限位和導(dǎo)向作用。懸掛參數(shù)不能隨路面的變化和車輛行駛工況的變化進行調(diào)節(jié)，各部分元件在工作時不消耗外部能源，故稱為被動懸掛，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

被動懸掛結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、技術(shù)成熟，是當(dāng)前在裝甲車輛中應(yīng)用最為廣泛的懸掛形式。理想的懸掛要求在任何情況下，車輛都要有良好的行駛平穩(wěn)性和操作穩(wěn)定性，被動懸掛卻很難做到這一點，因為車輛在不同的速度和路面上行駛時對懸掛的參數(shù)要求不同。為了克服被動懸掛的缺點，人們嘗試了多種方法，如采用非線性剛度彈簧協(xié)調(diào)平順性和操作穩(wěn)定性之間的矛盾來改善被動懸掛的性能，但即使如此，被動懸掛仍無法在任何形式工況下都處于參數(shù)最優(yōu)狀態(tài)。

1.4.2 主動懸掛

主動懸掛主要有兩種形式：一種是利用力作動器（制動器）在懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量之間提供外力，代替被動懸掛中的彈簧和減震器；另一種是將被動懸掛和作動器并聯(lián)，由被動懸掛承擔(dān)靜載，作動器提供增量力，從而降低了主動懸掛的體積和功率消耗。凡是依靠外界能源在懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量之間提供力，并能對作用力的大小進行控制的懸掛系統(tǒng)都稱為主動懸掛系統(tǒng)。

主動懸掛的概念由通用汽車公司的Federspiel-Labrosse教授于1955年首次提出。

1.4.2.1 主動懸掛的分類

主動懸掛根據(jù)作動器響應(yīng)帶寬的不同，分為全主動懸掛和慢主動懸掛。

（1）全主動懸掛采用可控的作動器組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，作動器通常是一個具有較寬頻率范圍的伺服液動油缸，根據(jù)控制信號產(chǎn)生相應(yīng)大小的作用力，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。作動器的響應(yīng)帶寬一般至少包括車輛經(jīng)常遇到的頻率范圍0～15Hz，有的作動器響應(yīng)帶寬高達100Hz。為了減少能量消耗，一般保留一個與作動器并聯(lián)的彈簧，用來支持車身的靜載荷。

（2）慢主動懸掛通常由一個響應(yīng)速度稍慢的作動器和一個普通彈簧相串聯(lián)，再與一個被動阻尼器并聯(lián)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。慢主動懸掛僅在一個低頻范圍（頻帶寬0～8Hz）內(nèi)進行主動控制。由于慢主動懸掛作動器僅需在一個窄帶頻率范圍內(nèi)工作，所以降低了系統(tǒng)成本及復(fù)雜程度。慢主動懸掛降低了對車輪的振動限制，使系統(tǒng)的能量消耗大幅度降低，在低頻路面行駛時其控制性能接近全主動懸掛的控制水平，但當(dāng)激勵超過上限頻率以后，其控制效果會惡化，需要采取其他輔助措施。

1.4.2.2 主動懸掛技術(shù)的控制策略

主動懸掛系統(tǒng)控制策略的理論發(fā)展歷程大體可劃分為兩個階段：第一階段從20世紀60年代初到20世紀90年代初，理論上主要為經(jīng)典的PID控制和現(xiàn)代的LQR/LQG控制；第二階段從20世紀90年代初至今，理論上主要為非線性控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、智能控制和魯棒控制等。

到目前為止，主動懸掛控制研究的第一階段在理論上已經(jīng)取得了比較滿意的結(jié)果，第二階段的理論正處于研究和探討之中。車輛懸掛系統(tǒng)屬于復(fù)雜的非線性參數(shù)動力學(xué)系統(tǒng)，單一的控制手段難以滿足要求，需要兩種甚至多種控制策略協(xié)同控制。目前，各種不同結(jié)構(gòu)、不同控制算法的主動懸掛系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到個別裝甲原型車輛上，其中被廣泛使用的有隨機線性二次型最優(yōu)控制（LQG）、模糊控制、PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些控制策略各有優(yōu)缺點，所以需要將不同控制算法融合，集多種控制算法的優(yōu)點于一身，使主動懸掛的控制系統(tǒng)能夠更加完善，以更好地改善車輛的平順性和操作穩(wěn)定性。

模糊控制是最近幾十年來新興起的一種智能控制算法，它模仿人工控制活動中人腦的思維決策方式及其產(chǎn)生的模糊概念和模糊判斷，運用模糊數(shù)學(xué)的理論形成控制策略，把人工控制方法用計算機來實現(xiàn)。模糊控制系統(tǒng)如圖1-4所示。

模糊控制最大的優(yōu)點就是它不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，因而對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，魯棒性好。常規(guī)模糊控制器的缺點是模糊控制規(guī)則一旦制定就不能改動，當(dāng)被控對象的參數(shù)或者工況等發(fā)生變化時，將無法使控制達到最優(yōu)。為了更好地改善汽車的綜合性能，需要在此基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的改進。

自適應(yīng)模糊PID控制是將PID控制和模糊控制相結(jié)合，集二者的優(yōu)點而形成的一種綜合控制策略。自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

這些主動懸掛控制方面的理論以及控制器的設(shè)計方法，對于車輛主動控制技術(shù)的發(fā)展，甚至對整個工程領(lǐng)域控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，都具有十分重要的意義。

1.4.2.3 主動懸掛技術(shù)在裝甲車輛上的應(yīng)用實例

1982年，英國Lotus公司首次實現(xiàn)了理論到實踐的突破。1992年，美軍成立了國家汽車中心（NAC），專門研究裝甲車輛的主動懸掛技術(shù)，大大地促進了主動懸掛技術(shù)在裝甲車輛上的應(yīng)用。目前，以美國L-3電子通信公司為首的多家公司正在研制一種電控主動懸掛系統(tǒng)（ECASS），該系統(tǒng)已經(jīng)在“槍騎兵”20噸級混合電驅(qū)動履帶式車輛以及“悍馬”上進行了多項演示試驗。

美國L-3公司研制的電控主動懸掛系統(tǒng)（ECASS）用高能帶寬度的可控機電作動器（如圖1-6所示）取代了傳統(tǒng)的液壓減震器。作動器安裝在每個車輪站（輪式車輛）或負重輪位置（履帶式車輛），如圖1-7所示。

1.4.3 半主動懸掛

半主動懸掛介于主動懸掛和被動懸掛之間，其可以根據(jù)路況和行駛狀況的變化，在一定范圍內(nèi)對懸掛彈簧剛度系數(shù)或減震器的阻尼系數(shù)進行調(diào)節(jié)。其基本原理是，根據(jù)彈簧上質(zhì)量的加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈性元件及剛度阻尼元件的阻尼，以使目標函數(shù)值最優(yōu)。其結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。

1974年，美國加州大學(xué)戴維斯分校Karnopp提出半主動懸掛，與主動懸掛相比，半主動懸掛的結(jié)構(gòu)有以下特點：傳統(tǒng)的減震器被電控的可控阻尼減震器所取代，系統(tǒng)還保留傳統(tǒng)的懸掛彈簧，半主動懸掛沒有力發(fā)生器，僅通過輸入少量控制能量來調(diào)節(jié)減震器的阻尼，以改善懸掛的振動特性來提高懸掛性能。半主動懸掛控制系統(tǒng)所需要輸入的能量與主動懸掛系統(tǒng)所需要輸入的能量相比是微不足道的，但半主動懸掛較被動懸掛的性能有顯著提高，因此半主動懸掛系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢，受到了車輛工程界的廣泛重視。

1.4.3.1 半主動懸掛的分類

車輛懸掛彈性元件需要承載車身的靜載荷，在半主動懸掛中實施剛度控制比阻尼控制困難得多，目前多數(shù)半主動懸掛僅進行阻尼調(diào)節(jié)，即將阻尼可調(diào)減震器作為執(zhí)行機構(gòu)，通過傳感器檢測到的汽車行駛狀況和道路條件的變化以及車身的加速度數(shù)值，由ECU（電子控制單元）根據(jù)控制策略發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對減震器阻尼系數(shù)的有級或無級可調(diào)。

半主動懸掛分為分級可調(diào)半主動懸掛和連續(xù)可調(diào)半主動懸掛。

分級可調(diào)半主動懸掛的阻尼系數(shù)只能在幾個離散的阻尼值之間進行切換，系統(tǒng)一般具有2～3個預(yù)設(shè)阻尼值，切換的時間通常為10～20ms。

連續(xù)可調(diào)半主動懸掛的阻尼系數(shù)在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)調(diào)節(jié)，阻尼調(diào)節(jié)一般有以下兩種方式：

1）節(jié)流孔等效面積調(diào)節(jié)

一般將步進電動機或比例電磁鐵作為動力元件，通過連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼器節(jié)流閥的通流面積來改變其阻尼特性。該系統(tǒng)需要復(fù)雜的液壓結(jié)構(gòu)，對閥的加工精度要求高，整體成本較高。

2）電/磁流變液黏性調(diào)節(jié)

另一種實現(xiàn)阻尼調(diào)節(jié)的方式是使用電流變或磁流變液作為減振液，來實現(xiàn)阻尼無級可調(diào)。在外加電場的作用下，電流變液的黏度、剪切強度會隨外部施加的電場強度增大而增大，從而提高減震器的阻尼系數(shù)。由于電流變液需要高壓（2000V），存在安全性問題，且電流變液在高速剪切下，剪切強度會迅速降低，因此應(yīng)用較少。在磁流變液的母液中懸浮著微小的鐵磁性顆粒（通常為羰基鐵粉），在外加磁場的作用下，磁性小顆粒會形成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而使整個液體的宏觀黏度特性增加，且黏度隨外加磁場強度的增大而增大；由于磁流變減震器無須高壓，故汽車用磁流變減震器使用額定車載12V電源，電流不超過2A，響應(yīng)速度快，可達到毫秒級，是目前應(yīng)用最廣的流變式阻尼可調(diào)減震器。

相對于全主動懸掛，半主動懸掛具有耗能小、成本低、控制簡單、易于實現(xiàn)以及可靠性較高等優(yōu)點，從而使得懸掛性能提升明顯，故其日益受到人們的重視，成為研究的熱點。性能可靠、阻尼可調(diào)范圍寬的減震器和簡單有效的控制策略是半主動懸掛實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前提。

1.4.3.2 半主動懸掛技術(shù)的控制策略

半主動懸掛控制策略主要包括天棚阻尼控制、最優(yōu)控制、非線性自適應(yīng)控制和預(yù)測控制等。

天棚阻尼控制半主動懸掛是由Karnopp教授等提出的一種較為簡單且易于實現(xiàn)的控制方式，目前已成為半主動懸掛系統(tǒng)設(shè)計中最為普遍采用的一種控制策略。

車輛半主動懸掛系統(tǒng)本質(zhì)上是雙線性系統(tǒng)，很難獲得一定意義下的最優(yōu)控制，并且連續(xù)型控制規(guī)律要通過解Ricatti方程才能得到，不利于實時控制。研究較多的最優(yōu)控制策略有狀態(tài)反饋最優(yōu)控制、H∞最優(yōu)控制和統(tǒng)計最優(yōu)控制。狀態(tài)反饋最優(yōu)控制的優(yōu)點是阻尼力可以反映某些狀態(tài)參數(shù)，達到特定的控制效果；其缺點是需要對涉及的狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測或在線進行參數(shù)估計。H∞最優(yōu)控制可使半主動懸掛系統(tǒng)的振動控制具有較強的魯棒性，但控制器的設(shè)計相對來說較為復(fù)雜。統(tǒng)計最優(yōu)控制不對系統(tǒng)瞬間振動特性做出反應(yīng)，而是根據(jù)一段時間內(nèi)控制目標的統(tǒng)計值，采用逐步尋優(yōu)的迭代式控制方法或基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制方法，對阻尼力加以控制。

1.4.3.3 半主動懸掛在裝甲車輛上的發(fā)展

1994年，Prinkos等人使用電流變液和磁流變液作為工作介質(zhì)，研究出了新型半主動懸掛系統(tǒng)。20世紀90年代，裝甲輪式車輛半主動懸掛系統(tǒng)的研究取得了突破。美國陸軍坦克車輛裝備司令部在1997年前后將由液壓可調(diào)減震器構(gòu)成的半主動懸掛系統(tǒng)安裝在布萊德利步兵戰(zhàn)車上進行了場地試驗，結(jié)果表明車輛的機動性能得到了大幅度提高。2003年前后，美軍又在重型“悍馬”吉普車上安裝了基于磁流變液減震器的半主動懸掛系統(tǒng)，并取得了越野速度提高30%～40%的良好試驗效果。

從上面的分析不難看出，無論是在公路車輛上，還是在裝甲車輛上，采用半主動懸掛系統(tǒng)都能極大地改善車輛懸掛系統(tǒng)的性能。我國半主動懸掛系統(tǒng)的研發(fā)率先在裝甲車輛領(lǐng)域展開并取得了重大進展，主要有以下原因：

（1）對于公路車輛，行駛路況比較簡單，目前的被動懸掛系統(tǒng)能夠基本滿足舒適性和操作穩(wěn)定性的要求，采用半主動懸掛系統(tǒng)必然會增加成本，而民用車輛又對成本比較敏感。同時，半主動懸掛系統(tǒng)的先期研發(fā)需要大量的經(jīng)費并具有一定風(fēng)險，一般的企業(yè)也不愿意承擔(dān)這筆費用和風(fēng)險。

（2）對于裝甲車輛，特別是裝甲履帶式車輛，情況則大不相同。履帶式車輛行駛的路況復(fù)雜惡劣，行駛速度和裝備質(zhì)量變化大，各種行駛工況對懸掛系統(tǒng)阻尼的要求也不同，而且變化范圍大。當(dāng)裝有被動式懸掛裝置的履帶車輛在硬的卵石路面以較高速度行駛時，由于目前被動式懸掛系統(tǒng)阻尼比大于該種工況下的最佳阻尼比，因此會過多地將路面振動傳給車體，從而降低減振效果，也易使減震器過熱燒毀；而在大起伏路面上低速行駛時，懸掛系統(tǒng)阻尼比又小于該種工況下的最佳阻尼比，無法有效地消除車體的俯仰振動，使乘員乘坐舒適性變差，甚至造成平衡肘頻繁撞擊限位器，使車輛不得不降速行駛。

因此，如果仍然采用被動懸掛，要全面提高主戰(zhàn)坦克行駛的舒適性和極限車速。雖通過提高懸掛系統(tǒng)的許用動行程能減少在起伏地行駛時的懸掛擊穿，但解決不了卵石路行駛時的減震器過熱問題，何況根據(jù)我國現(xiàn)在主戰(zhàn)坦克懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，要進一步提高懸掛系統(tǒng)的動行程，發(fā)展余地不大。

國內(nèi)從事裝甲車輛半主動懸掛研究的裝甲兵工程學(xué)院院長進秋教授完成了磁流變式阻尼可調(diào)減震器，北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院振動和噪聲控制研究所從“九五”開始進行裝甲履帶式車輛半主動懸掛的研制，目前研制的基于葉片式減震器阻尼連續(xù)可調(diào)的半主動懸掛已隨某型主戰(zhàn)坦克定型，圖1-9所示為可控式葉片減震器及其原理。