关于主动式汽车空气悬架的控制技术研究

解福泉　（河南交通职业技术学院，河南郑州４５０００５）　摘要：主动式空气悬架作为汽车悬架的一门新技术，其应用越来越为广泛。从空气悬架的发展历史入手，介绍该系统的　组成及系统的功能和控制原理，并在此基础上引用目标状态及状态基准，提出基于反应式的状态映射控制方法，可为今后相　关方面的深入研究奠定基础。　关键词：主动式空气悬架：高度控制：刚度控制；映射　中图分类号：Ｕ４６３．３３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４７８６（２００６）０８—０１３８—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ａｃｔｉｖｅ　Ａｉｒ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ＸＩＥ　Ｆｕ——ｑｕａｎ　（Ｈｅｎａｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｔｉｖｅ　ａｉｒ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ．Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ａｉｒ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　表２　Ｃ（ｋＰａ）　（。）　２０　４０　６０　８０　ｌｏｏ　Ｐｕ　Ｏ　５　ｌＯ　ｌ５　２０　２５　３０　３５　８０．８　９８．８　ｌｌ５．２　ｌ４２．７　ｌ７０．１　２ｌ６．９　ｌ３２．２　ｌ８５．１　２６１．６　３７Ｏ－５　５５７．６　９２８．６　１．６　１．９　２ｌ３　２、６　３＿３　４－３　５．８　７．７　１４３．６　ｌ７１．Ｏ　１９８．６　２４１．０　２８３．３　２４６．４　３３１．５　４５３．２　６２８＿５　９０９．６　１．７　１．９　２＿３　２．６　３ｌ２　４．１　５．４　７．１　２０６．４　２４３．２　２８２．０　３３９．３　３６０．Ｏ　Ｋ　１．７　Ｐ　２６９．２　３ｌ５．４　３６５．４　４７４．８　６２４．３　８３６．４　１．８　２．Ｏ　２－３　２．６　３３２．０　３８７．６　５８９．０　７７０．７　１．８　２．Ｏ　２－３　２．６　３．２　３．９　５．Ｏ　４７７．９　６４４．８　８８６．５　２．Ｏ　２－３　２、６　３．２　４．Ｏ　５．２　６．７　４４８．８　ｌ　０２８．０　５３５．９　ｌ　４０２．５　６２２．９　ｌ　９６５．６　７６１．３　２　９３６．６　８９９．８　４　５ｌ７ｌ４　４３７．６　ｌ　１４４．５　５０９．７　ｌ　６ｌ３．６　６２５．２　２　４３４．６　７４０．８　３　７７３．４　９４１．６　６　ｌ７８．４　３９６．５　ｌ　２６１．６　４８９．１　ｌ　９３２．６　５８１．８　３　ｏ２９．４　７４４．８　５　０２４．４　３．２　３．９　５．１　６．６　３５３．０　ｌ　４３０．６　４２２．８　２　２８５．４　５４８．０　３　８７０．４　２６３．８　ｌ　５４１．４　３５１．２　２　７ｌ６．４　理式．安全系数Ｋ都不能选用一个常数．否则　当　直较大时，按公式【　】＝ｐ　／Ｋ确定的地基容许承　当ｑｂ＝＿１０ｏ￣２０。时，Ｋ＝２～３；　当ｑｂ－＿＝２０ｏ－３０。时，Ｋ＝３－－４；　当ｑｒ＞３０。时，Ｋ＞４。　作者简介：周东久（１９５９一），男，河南新安县人．大学本科　学历，高级讲师，研究方向为基础工程。　收稿日期：２０Ｏ６—０５—０９　载力将较大，这是偏于危险的；而当　值较小时，　按公式［￣Ｉ＝ｐｊＫ确定的容许承载力又将偏小．可能　偏于保守。综合表１和表２的分析结果．可以认为　安全系数按以下要求取值是比较合理的：　当　＜１０ｏ时，Ｋ＝２：　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＩＴＯＮ　ＩＳＳＵＥ　Ｎｏ．１５６・汔车与舶舶　ｏｂｊｅｃｔ　ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　ｓｔａｔｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ－ｂａｓｅｄ　ｓｔａｔｅ　ｍａｐｐｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ　ａｉｒ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｈｅｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍａｐｐｉｎｇ　１　引言　点：ａ）负载能力可调；ｂ）弹性系数随负载可变；Ｃ）　空气悬架诞生于ｌ９世纪中期，￣１１２０世纪３０年代　负载变化时，振动固有频率几乎不变：ｄ）固有频率　初，美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽　较低。空气弹簧的这些运动特性决定了空气悬架具　车工业，于１９３４年研制出柱式空气弹簧悬架系　有以下优点：ａ）提高了乘坐的舒适性：ｂ）改善了行　统——ＡＩＲＥＤＥ空气弹簧．并在１９４４年与通用汽车　驶的平顺性；Ｃ）可保持负载变化时车身高度的恒　公司合作，进行了首次客车试验．试验结果显示出　定；ｄ）提高行驶安全性和轮胎接地的能力；ｅ）延长　了空气悬架强大的内在优越性。１９５３年．美开始正　车辆使用寿命。主动式空气悬架系统主要由三部分　式生产装有空气悬架的客车，这也是商用汽车采用　构成：信号传感单元，微处理控制器及执行机构。　空气悬架的开端，同时．空气系统控制技术的发展　其中信号传感单元也被称为系统的输入部分．而执　也极大地促进了空气悬架的广泛应用。　行机构是指系统的输出部分。　纵观国外汽车空气悬架的发展历程．大致经历　２．１　系统的构成　了“钢板弹簧一气囊复合式悬架一被动式空气悬架一　主动式空气悬架系统主要由三部分构成：输入　主动式空气悬架”的变化模式。主动式空气悬架采　部分、输出部分和控制模块。　用微电脑控制技术，不仅能实现各个悬架的气压主　２．１．１　系统的输入　动控制，还增加了许多辅助功能（如故障诊断等），　系统输入是指可反映车辆行驶工况以及路面状　使传统空气悬架的性能得到了很大改善。　况信息，且能够由悬架控制模块自动检测到的传感　目前，我国拥有空气悬架项目的公司为数众　器输入，通常包括以下部分（参见图１）：　多，但真正拥有空气悬架设计开发技术的却寥寥无　ａ）高度传感器，用来测量车身与车桥的相对高　几，规模也十分有限。长春汽车研究所早在１９５７年　度，信号变化频率和幅度可反映车身的平顺性信　就开始了空气悬架技术的研究．不少高校与研究机　息，同时用于车高的自动调节：　构也做过大量工作．并取得了许多重要的研究成　ｂ）转向盘转角传感器，间接地传送汽车转向程　果。但是，与欧美等发达国家相比．我国在此方面　度的信息（包括转速快慢和转角大小）：　的技术研究还处于明显的落后地位．基本上属于导　Ｃ）车速传感器，结合转向盘转角信号．可用来　入阶段。可以预见．随着人们对汽车安全性和舒适　衡量车身的侧倾程度：　性要求的不断提高．主动式空气悬架在汽车上的应　ｄ）制动器压力开关，制动时发出阶跃信号．以　用在不久的将来将会得到普及。本文针对此方面的　便控制模块产生抑制点头的指令：　控制技术及理论分析展开讨论。　ｅ）节气门位置传感器，传送加速动作信号．以　２主动式空气悬架系统构成及工作原理　空气悬架系统是以空气弹簧为弹性元件．利用　《，‘便模块输出抑制抬头的指令：　ｆ）点火开关，检测点火开关的闭合情况．以确　售　噼　　气体的可压缩性来实现弹性减振作用的。通过感知　定车辆的行驶或停止状态：　载荷、驾驶工况和道路条件的变化．微电脑装置自　ｇ）车门开关，检测车门开闭信号．自动调节车　动控制压缩机和充放气阀的工作状态，从而改变气　身高度：　体的压力以调整悬架刚度及整车高度．这不仅可以　ｈ）模式选择开关，用于手动选择“软”或“硬”两　保证整车高度的相对恒定．还可以用来减轻加速或　种模式。　制动时汽车的点头抬头现象，并对转向时车身的侧　２．１．２系统的输出　倾趋势起到抑制作用，从而大大改善汽车的行驶稳　系统输出是指控制模块输出信息处理结果以控　定性和舒适性。　制悬架刚度阻尼参数以及车身高度的所有直接或间　同一般的汽车悬架相比，空气悬架具有以下特　接执行机构，主要是一些电磁阀和继电器（参见图　１　蛋口Ｓ维普资讯 http://www.cqvip.com

汔车与船舶・ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ　ＩＳＳＵＥ　Ｎｏ．１５６　１），包括：　ａ）压缩机排气阀，用于释放悬架气室内的空　气，降低车身高度；　断情况：　ｂ）高度控制阀，用于控制通往气室气路的通　ｃ）调压步进电机，用来调节主气路的空气压力。　空气悬架控制模一转一左一：右一后～＝一车　一被一触一塑　触一　　一块　续一段时间，然后恢复到最初的减振力和弹簧刚度。　２．２．１．２防制动栽头控制　根据汽车行驶速度，制　动开关信号和汽车高度的变化。将前悬架的减振力　和弹簧刚度转换为“坚硬”状态，而将后悬架转换为　“柔软”状态，从而抑制制动期间的栽头现象。　２．２．１．３防后坐控制　与防制动栽头控制相反，根　据汽车速度，节气门开启角度和速度的变化，将后　悬架的减振力和弹簧刚度转换为“坚硬”状态，而将　前悬架转换为“柔软”状态，用来抑制汽车起步和急　加速时的后坐现象，并在２ｓ后或当汽车速度达到一　定水平时，恢复到最初状态。　压缩机排气阀１　．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　．．．．＿】　右前高度电磁阀　左前高度电磁阀　皇　卜一　互　垂困！　右后高度电磁阀　左后高度电磁阀　２．２．１．４高速控制　当汽车行驶速度超过一定限度　时。所有悬架的减振力和弹簧刚度分别转换为“中　等”和“坚硬”状态。以提高直线行驶的稳定性和操　纵性能。　　垦堕壁塑　图１系统输入输出不葸图　２．２．１．５　不平道路的颤动或跳动控制　按照道路的　２．１．３控制模块　控制模块是主动式空气悬架系统的核心部分．　主要负责处理来自系统传感器的所有信息，并根据　不平整性和高度传感器的变化频率，减振力转换为　“中等”和“坚硬”状态，弹簧刚度转换为“坚硬”状　态，用来在不平整路面上抑制汽车底盘的颤动和跳　预先编制的逻辑程序规则。发送指令到系统的执行　机构，以实现系统的主动控制。另外，控制模块还　设置有自诊断功能，在运行过程中能够自动检测系　统部件的工作情况，并将故障信息以代码的形式保　存在存储器内。以供诊断时输出并进行故障解码分　析。　２．２　系统的工作原理和控制功能　动，以提高乘坐的舒适性，并在汽车行驶速度低于　ｌＯｋｍ／ｈ时，不进行该项控制。这是为了保证低速时　低频振动的舒适性。　２．２．２汽车高度控制　２．２．２．１　自动水平控制　当高度传感器检测到由于　载荷变化而引起的车身高度变化时。根据变化量的　大小。控制模块控制各悬架排气阀与高度控制阀的　主动式空气悬架控制模块根据各个传感器送来　开闭，以保持车身在预置的水平高度位置。保证了　合适的离地间隙和良好的视野。　２．２．２．２高速控制　当汽车在良好路面上高速行驶　时。为了提高汽车的行驶稳定性和减小空气阻力。　控制模块会输出适当降低车身高度的指令，当车速　的信号。经过运算分析后向悬架执行机构发出指　令。一方面控制高度电磁阀与排气阀的开闭。进而　改变空气悬架主室内的空气量。以调整车身的高　度；另一方面控制调压步进电机的转动．从而改变　通往气室的空气压力．以调节悬架的刚度和阻尼系　数，使车辆在行驶过程中保持良好的操作稳定性。　并将车身的振动响应控制在适当的范围之内。可　下降到某一设定值时。再恢复到先前高度。　２．２．２．３连续坏路面行驶控制　连续坏路面行驶　时。控制模块根据高度传感器的大幅度连续变化信　号。自动发出提升车身高度的指令。以免悬架弹簧　被压死。同时可以提高悬架的减震性和车辆的通过　性。　见。整个系统的控制包括减振力和弹簧刚度的控制　以及车身的高度控制两个方面。　２．２．１减振力和弹簧刚度的控制　２．２．１．１　防侧倾控制侧倾主要发生在汽车在横向　坡道上高速行驶或高速转弯时．根据汽车行驶速度　和转向角度．应使相应外侧悬架的减振力和弹簧刚　度转换为“坚硬”状态。而将内侧悬架转换为“柔软”　状态。以减轻侧倾程度。并根据侧倾程度的大小持　２．２．２．４驻车时车高控制　控制模块接收点火开关　和车门开关信号。对车身高度进行控制。当点火开　关关断一定时间，且各车门均处于关闭状态时。控　制模块即发出降低车身高度的指令，保持驻车时车　身常规模式的低状态。以减少占据空间。提高驻车　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＥＡ￣ＯＮ　ＩＳＳＵＥ　Ｎｏ．１５６・汔车与舶舶　安全．且在此时不接受任何抬高车身的命令。当车　门打开时，控制模块立刻发出抬高车身的指令，以　这些数据信息进行分析后，通过映射方式决定系统　的当前状态．并根据内设的预置值设定目标状态基　准．同时输出相应的动作指令，控制高度阀、排气　阀以及步进电机的动作．并将动作结果反馈回来与　状态基准相比较，实现系统的闭环控制。例如，当　避免车门与路基等障碍的碰撞。　３主动式空气悬架控制技术分析　由系统工作原理和控制功能不难看出，整个系　统可以采用基于反应式的状态映射控制方式，即控　制模块事先根据不同的传感器数值或数值范围，定　义不同的车身状态及与其相对应的目标状态基准与　系统检测到行驶时速超过６０ｋｍ／ｈ，且制动压力开关　信号处于接通状态时．系统控制模块会将目前状态　定义为紧急刹车状态．通过状态映射将目标状态设　控制输出方式，然后由实际的传感器输入值映射出　置为抑制制动时车身点头状态．同时根据车速的高　车身的当前状态，并通过映射状态决定系统的实时　低与车速变化速率设定目标状态的基准．－即前后悬　状态基准及输出指令，最后再结合传感器的反馈信　架各自气路的空气压力以及各悬架气阀的动作情　息进行输出校正，形成闭环控制。可见，整个控制　况，并将执行机构的动作效果（此处可理解为前后　过程大致可以分为两步，即状态定义与状态映射。　悬架高度的变化值）作为闭环反馈控制信号。而当　在状态定义过程中，首先要依据控制模块所需　车速降至６０ｋｍ／ｈ以下或制动踏板松开时．系统会立　实现的控制功能来定义汽车的行驶状态。如前所　即退出此目标状态．并根据新的输入信息重新确定　述．该模块所实现的主要功能有减振力与弹簧刚度　目标状态，这样就可以完成整个系统依据路面状况　控制及车身高度控制，而在这两个控制方面又分别　与行驶工况的实时动作切换控制。　列举了不同的控制功能，如防侧倾、防栽头、防后　４结语　坐及高速控制等。所以必须根据具体的控制要求分　主动式空气悬架作为汽车悬架的一门新技术．　析传感器的输入特点．然后根据各传感器的输入组　已经开始展示出许多优良的控制功能．随着该项技　合定义控制状态及控制规律．而目标状态的基准通　术的进一步完善．主动式空气悬架的应用一定会越　常是采用气路压力和车身高度来衡量的。一般来　来越广泛。本文从空气悬架的系统构成、控制功能　说．高速行驶状态的定义比较简单．只需考虑车速　以及控制技术等三个方面进行分析．提出了状态映　传感器的输入．当车速超过某一设定值时．即认为　射控制方法，并进行了举例说明．为以后相关方面　进入该状态．然而目标状态基准的确定还需要考虑　的深入研究打下了一定的基础。　具体的传感器数值，在这里可以认为是线性关系。　参考文献　同理．也可以定义用于防栽头控制的紧急刹车状　【１】秦学芳．浅谈现代汽车电控空气悬架系统的控　态．即当制动压力开关接通．且车速超过某一限定　制功能及其检查方法［Ｊ］．黑龙江交通科技，２００４，７　值时．就可以认为是急减速状态．相应的目标状态　（１２５）：５．　基准是前后悬架各自气路的压力。至于在状态定义　【２］喻凡，黄宏成，管西强．汽车空气悬架的现状　过程中所需的各传感器数值范围及目标状态基准　及反展趋势『Ｊ１．汽车技术，２００１，（４）：８．　值．均可以通过试验得到实际优化。然后针对每种　【３】汪卫东．汽车空气悬架的发展及我国研发对策　状态的目标基准值确定系统对应的输出指令．这样　思考『Ｊ］．公路运输文摘．，２００４，（９）：３２—３５．　就完成了整个系统的状态定义过程。另外，基于系　【４】寇国瑗，徐正飞．现代汽车主动悬架的微机控　统的闭环控制特性，模糊控制及系统的自学习等理　制系统［Ｊ１．汽车研究与开发，１９９８，（５）：３．　论都是有可能在此得到实现的。　【５】简晓春，杜仕武．现代汽车技术及应用．高等学　对状态映射的控制过程大致描述如下（见图２）。　校教材【Ｍ１．２００４，（７）：１２５．　作者简介：解福泉（１９６２一），男，河南台前人。交通部专业　反馈校ｉＥ　带头人，副教授，毕业于长沙理工大学。现从事汽车运用技　图２状态映射控制过程示意图　术的教学与研究工作，曾在有关杂志上发表学术论文多篇．　其中系统输入部分是指传感器的输入，包括一　主编了《电控发动机维修》等多部教材和科技书籍。　些连续电压信号和开关信号等，微处理控制模块对　收稿日期：２００６—０４—１９