主動變結構懸架研究現狀綜述

章新杰 徐仁輝 賀冠杰

（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

主題詞：可控懸架 主動變結構懸架 主動車輪外傾角 主動車輪前束角 主動彈簧減振器組位置

懸架關系到汽車的所有動力學性能，而這些性能對懸架的要求往往是互相矛盾的。根據懸架的作用原理，可以分為被動懸架和可控懸架。被動懸架具有成本低、可靠性高和結構簡單等優點，目前仍主導市場[1]，但其難以依據行駛工況進行實時調節?？煽貞壹?，也被稱為“智能懸架”，可依據行駛工況動態調節懸架性能，改善了汽車的動力學性能，成為目前汽車懸架研究的重點[2]?？煽貞壹馨雌涔ぷ髟砜煞譃槿鲃討壹?、半主動懸架和主動變結構懸架。

全主動懸架(Full Active Suspension，FAS,簡稱主動懸架)通常是利用高帶寬執行元件取代被動懸架的彈簧和減振器，系統還包括各種傳感器、信號處理器和控制單元。主動懸架最早出現在上世紀六十年代[3-4]。Hrovat[5]總結了最優控制技術在主動懸架設計中的應用。主動懸架執行元件帶寬越高，實現越困難，成本和能耗也越高。為了降低所需功率及成本，一些主動懸架通常選用低帶寬系統和響應較慢的作動器，也被稱為“慢主動懸架”[2]。慢主動懸架作動器與彈簧并聯，拓展懸架系統工作帶寬，減小能耗和作動器成本，應用于豐田Celica[6]等車型。相比被動懸架，主動懸架的平順性和車輪接地性能都顯著提高，但受限于成本高、能耗大、系統復雜、可靠性差等因素，目前尚未大范圍推廣。

半主動懸架(Semi-Active Suspension,SAS)按其工作原理可分為剛度可調和阻尼可調?，F有半主動懸架多為阻尼可調，其采用阻尼可調減振器代替傳統的被動減振器，根據車輛狀態實時調節減振器阻尼來改善車輛動力學性能。半主動懸架按阻尼調節方式分為有級式和無級式兩種：有級式通過控制減振器控制閥的閥口開度，在幾個離散阻尼值之間快速切換，有級式的結構和控制簡單，但難以適應各種行駛工況和道路條件；無級式一般通過節流效應或改變工作流體的黏度系數等方式實現阻尼的連續可調。無級式半主動懸架能適應一定的行駛工況變化，但結構和控制更加復雜。半主動懸架相對于主動懸架，消耗功率低、結構簡單、易于實現，目前已經有較多應用，但相對于傳統被動懸架，其成本依然偏高。

主動變結構懸架(Active Geometry Suspension，AGS)是通過控制懸架幾何結構來優化懸架性能。相比常見主動和半主動懸架，主動變結構懸架結構簡單，能有效兼顧性能和能耗；相對傳統被動懸架，主動變結構懸架能顯著改善懸架性能。本文重點討論主動變結構懸架的特點和研究現狀，并闡述其發展趨勢。

2 主動變結構懸架的原理和特點

2.1 主動變結構懸架的工作原理

主動變結構懸架通過控制車輛的懸架幾何結構，進而實時控制車輪定位參數，如外傾角和前束角，來動態調節懸架性能。其主動變結構裝置一般由作動器，執行機構及控制單元組成。以圖1所示的雙橫臂式獨立懸架為例，控制單元根據汽車行駛工況調節作動器行程，通過執行機構的運動傳遞，改變懸架上控制臂1(或其他連桿)的等效桿長，調整車輪外傾角γ以改善輪胎的接地性，從而提高汽車的操縱穩定性。

2.2 主動變結構懸架的特點

主動變結構懸架目標主要是為了更好地實現懸架的性能，并進一步降低成本和能耗[7]。主動變結構懸架主要具有以下特點：

(1)動態調整懸架的運動學特性，可實現側-縱-垂向動力學解耦控制?，F有主動、半主動懸架一般是通過調整懸架的剛度、阻尼特性或者控制垂向運動來調節車輛的動力學性能，即通過直接控制垂向運動來達到調整側、縱向動力學性能，存在一定程度的耦合。主動變結構懸架直接調整懸架的導向機構實現懸架運動學特性的動態調整，進而調整車輛側向動力學或縱向動力學，可以與垂向動力學解耦。

(2)主動變結構懸架便于與現有懸架技術集成，結構簡單、可移植性強，成本和能耗較低。

(3)主動變結構懸架系統故障安全性好，失效時可蛻變為傳統懸架。

3 主動變結構懸架的研究現狀

主動變結構懸架最早出現在一款摩托車的后懸架，通過控制摩托車后彈簧減振器組上連接點位置實現[8]。Sharp[9]提出一種用于乘用車的可變結構被動懸架。Lee[10]等人研究了改變懸架安裝點對側傾中心的影響。本文根據主動變結構懸架的執行方式將其分為三類：主動車輪外傾角、主動車輪前束角和主動彈簧減振器組位置。

3.1 主動車輪外傾角

圖1 雙橫臂主動車輪外傾角懸架示意圖[13]

Nemeth[11-13]提出一種根據駕駛員方向盤轉角改變車輪外傾角的主動變結構懸架，用于提高車輛行駛穩定性(如圖1)，給出結構設計及魯棒控制方法，并建立了懸架結構參數和控制參數的優化準則。Park[14]等人建立了控制前懸架外傾角的自行車模型及其控制策略，能減少轉彎時產生的外傾角和外傾推力。Nemeth[15]對麥弗遜變結構懸架進行了分析和控制設計，通過控制麥弗遜后懸架下控制臂改變外傾角，提高汽車的轉向能力和車輛穩定性，減少前輪所需的轉向角。Gaspar[16]通過控制系統產生差動力矩和輔助前輪轉向角，改變車輪外傾角，提高道路軌道跟蹤能力，并提出了分層控制框架，能實現局部控制器的獨立設計。

3.2 主動車輪前束角

Lee[17]等人開發了一種主動車輪前束角的變結構懸架(Active Geometry Control Suspension，AGCS)，通過作動器調整后輪連桿安裝點的位置，使車輪產生最佳前束角，改善抓地力，提高汽車轉向性能。由于控制方向垂直于調節車輪前束的作用載荷，系統所需的作用力小，AGCS系統與作用方向相同的變結構懸架系統相比能耗更低[17]。Lee[18]介紹了AGCS系統控制邏輯的開發，通過對駕駛員輸入做出及時可靠的響應，能在緊急情況下避免過度轉向或甩尾。Goodarzi[19]完善了AGCS系統的分析和控制，研究了懸架幾何結構變化對側傾中心高度和前束角的影響，并利用模糊控制理論設計了一種自校正比例積分控制器。

3.3 主動彈簧減振器組位置

Sharp[8]提出一種彈簧減振器組下連接點位置主動調節的變結構懸架(Variable Geometry Active Suspension，VGAS)，并設計了比例差分(PD)和神經網絡控制器，通過控制彈簧阻尼器組的下連接點沿導桿移動來改變彈簧/阻尼器元件和車輪組件之間的杠桿比，減小車身側傾，如圖2。由于其作動力基本上垂直于懸架垂向作用力，主要用以克服運動的摩擦阻力，因此VGAS系統對力和功率需求較低。Watanabe[20]進一步對VGAS進行了闡述，討論了涉及比例/微分元件或神經網絡的機械設計和控制系統設計，并解決了彈簧剛度和預緊力變化的沖突。

圖2 彈簧減振器組下連接點可調懸架示意圖[8]

Arana[7]提出了一種彈簧減振器組上連接點主動調節的變結構懸架(Series Active Variable Geometry Suspension，SAVGS)，以傳統的被動懸架或半主動懸架為基礎，通過機電執行機構主動控制懸架的幾何結構來改善懸架性能，如圖3所示，通過改變連桿GF的角度，可以改變彈簧減振器組與懸架的相對位置，從而改善舒適性和懸架的姿態控制等性能。Arana[21]建立了SAVGS聯合設計方法，在設計同時兼顧車輛和執行器性能，以提高SAVGS性能。Yu[22]對SAVGS系統進行了“四分之一車”實驗研究，實驗表明，與傳統被動懸架相比，在不降低懸架撓度的情況下，舒適性提高了41%，且SAVGS執行機構的功率低于500 W。實驗進一步驗證了SAVGS控制算法的實際可行性、建模精度和魯棒性[22]。

4 主動變結構懸架的發展趨勢

主動變結構懸架相對于傳統懸架有很多優勢，但目前主動變結構懸架仍有一些問題尚待解決，以下從構型設計、控制系統及其智能網聯化下的機遇與挑戰三方面分析主動變結構懸架的發展趨勢：

(1)在構型設計方面，可以綜合考慮車型和應用場景，探索主動變結構懸架的新構型，并研究各種主動變結構懸架構型的優化設計方法，進一步提高性能并降低成本和能耗；需要剖析變結構懸架對汽車動力學性能的影響規律，研究其綜合優化設計和參數匹配方法。

(2)在控制系統方面，需要考慮執行器的動態特性，并需要引入參數不確定性的解決方法，提高主動變結構懸架性能；需要明確主動變結構懸架系統與汽車各子系統之間的協調機制，建立其多目標協調控制策略；研究控制系統的在線故障診斷方法及控制技術；建立并完善主動變結構懸架測評及調校方法。

(3)主動變結構懸架可以直接調節車輛的動力學性能，使車輛響應更為敏捷；也能通過控制車身及輪胎姿態擴大車輛的穩定域。在智能網聯背景下，如何有效利用V2X技術獲取的行駛中的各種信息，提高主動變結構懸架性能，促進懸架、汽車以及載運系統的人性化與個性化發展是需要深入探索的問題。

圖3 彈簧減振器組上連接點可調懸架示意圖[7]

5 總結

本文首先闡述了主動變結構懸架的原理及特點；然后按其工作方式將主動變結構懸架分為主動車輪外傾角、主動車輪前束角及主動彈簧減振器組位置三種類型，分別總結了各自的發展現狀；最后從構型設計、控制系統及其在智能網聯化下的機遇與挑戰三方面剖析了主動變結構懸架的發展趨勢。

主動變結構懸架通過控制懸架幾何結構參數動態調整懸架的運動學特性，可以實現側-縱-垂向動力學解耦控制，還具有結構簡單、能耗低和故障安全性好等優點。未來主動變結構懸架的發展方向主要有：

（1）通過構型設計和優化提高主動變結構懸架的潛能；

（2）通過與整車的協同設計和協調控制策略的研究，充分發揮主動變結構懸架的性能；

（3）建立并完善主動變結構懸架的測評及調校技術，為主動變結構懸架的發展及推廣提供依據；

（4）在智能網聯的背景下，通過其與自動駕駛系統的集成，提高主動變結構懸架性能，促進懸架、汽車以及載運系統的人性化與個性化發展。