文/江苏 高惠民
车载视觉感知预瞄下的主动悬架
随着家用汽车的普及率逐年提高，人们由最初的追求家用汽车较好的基本性能指标(动力性、安全性和经济性等)以及提供的方便与快捷，逐步上升到追求家用汽车自身优良的行驶性能和运动特性(舒适性、平顺性和操稳性)。与此同时，由国内外车辆研究机构的相关报告和汽车公司研发和生产的一些新型车辆可知，先进的车辆悬架系统(主动悬架、半主动悬架等)可以有效改善车辆各项行驶性能，是车辆底盘智能化发展的一个重要方向。
一、悬架系统的组成和功能
车辆悬架系统是车身(簧载质量m s )和车轮(非簧载质量m t )之间传递一切力和力矩的连接装置的总称，它用于连接车体与车轮，能够将路面对于车轮的垂向作用力、纵向作用力和侧向作用力以及这些作用力传递到车身，缓冲和衰减行驶中产生的车身振动与冲击，以保证车辆能平顺的行驶。虽然汽车悬架都拥有各种不完全相同的结构形式，但一般都由弹性元件、减振器和导向机构这三大部分构成。
弹性元件主要有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧、橡胶弹簧、油气弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代车辆悬架系统中采用较多的是螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车会应用空气弹簧。
车辆行驶中，悬架系统中的弹性元件受到冲击产生振动，为了衰减振动，在悬架系统中安装与弹性元
件并联的减振器。液力减振器是汽车悬架系统中采用较多的减振器类型，其工作原理是车轮(或车桥)与车身(或车架)间受振动出现相对运动时，减振器内的活塞相应的做上下移动，减振器腔内的液压油液不停的从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔中。此时孔壁与液压油液之间的摩擦和液压油液分子之间的内摩擦对振动形成阻尼力，使车辆振动产生的能量转换成油液热能，最后经减振器外壳吸收，随之散发到大气中。
高惠民(本刊编委会委员)
曾任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。
车轮相对于车身(或车架)跳动时，车轮(尤其指转向轮)的运动轨迹要符合一定的规律或要求，否则车辆的操作稳定性和其他行驶性能会受到影响。因此，为了防止身侧倾，保持车身平衡，悬架系统中装有一种传力机构被称为导向机构，使车轮按一定的轨迹相对于车身(或车架)跳动，保证车辆具有良好的操纵稳定性。综上所述，悬架系统的主要功能如下。
1.把路面作用于车轮上的力以及这些反作用力所造成的力矩传递到承载式车身上，保证汽车的正常行驶，即起传递力和力矩的作用。
2.利用弹性元件和减振器起缓冲、减振的作用，降低车身的振动，缓冲不平路面的冲击载荷。
3.使非簧载质量跟随车身运动，轮胎尽可能的附着在地面上运动，延长轮胎和其他零部件的使用寿命，保证良好的轮胎附着性，从而提供良好的操纵稳定性。
4.防止车身在转向等行驶情况下发生过大的侧向倾斜，提高车辆的操纵稳定性和行驶安全性。
汽车的行驶平顺性和操纵稳定性对车辆悬架的要求是相互冲突的、矛盾的，要提高行驶平顺性，车辆悬架必须匹配“软”的弹簧和小阻尼的减振器，但是这样悬架动行程会增加，抗俯仰和倾侧的能力降低，会极大影响操纵稳定性；而想要提高操纵稳定性，就得使用“硬”弹簧及与之相匹配的大阻尼减振器来限制车身姿态的变化，这又会使车身振动加剧，影响乘坐的舒适感，图1所示被动悬架的折中性能。因此只有综合考虑这两个矛盾的因素，才能提高汽车悬架的整体性能。
二、悬架的分类
按照现代车辆对悬架系统提出的各种不同性能要求，悬架的结构形式和控制理论方法同样在不断的更新和改善。悬架有多种
不同的分类方法，从控制力学的角度可以分成被动悬架系统、主动悬架系统、半主动悬架系统和馈能悬架系统。其中后3类悬架系统可统称为新型悬架系统或先进悬架系统。
1.被动悬架系统
被动悬架系统由普通弹簧和减振器构成，被动悬架系统简化原理如图2所示(其中m s 为表示簧载质量、m t 为非簧载质量、k t 为轮胎刚度、k s 为悬架刚度，c s 为悬架阻尼系数，x s 为车身垂向位移，x t 为非簧载质量位移，x r 为路面输入垂向位移)。
图2 被动悬架系统原理图
被动悬架系统因其结构简单、造价低廉，易于安装维护和保养等优点而获得了广泛的应用，但被动悬架系统没有外部能量输入，其刚度系数和阻尼系数一旦确定，悬架特性不会随着路面情况改变而改变，这造就了被动悬架适用于大多数的铺装路面，但是路面情况一旦不在其设计范围，悬架性能便大幅下降。此外，从控制层面来讲，被动悬架属于开环控制，不会反馈误差信息，对非结构路面的变化比较敏感。
一般来说，车辆被动悬架系统可分为非独立式被动悬架系统
和独立式被动悬架系统两类。以前半车为例，非独立式被动悬架系统的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一边车轮也相应跳动，会使整个车体振动并倾斜，如图3(a)所示。由于非独立式被动悬架系统车辆的运动特性和行驶性能均较差，在现代车辆中基本不再使用，已经逐渐被淘达。独立式被动悬架系统的车轴分成两段，每只车轮由各自悬架系统独立的安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，即两边的车轮可以独立运动，如图3(b)所示。与非独立式被动悬架系统相比，独立式被动悬架系统可有效提高车辆运动特性和行驶性能。独立式被动悬架系统又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式被动悬架系统等。
图3 两类被动悬架系统
2.主动悬架系统
主动悬架系统(Active Suspension System，简称ASS)是在原被动悬架系统的基础上，引入一个可以依据控制条件产生任意方向、任意大小的控制力的作动器，将其与原弹簧和阻尼器并联，或替换原悬架的阻尼器，由此构成的一种新型悬架系统。图4为2类主动悬架系统示意图，图中F a 为作动器。
减振器阻尼和弹簧刚度的控制主要保证车身在多种工况下的稳定性和舒适性，具体工况包括防侧倾控制、防点头控制、防下蹲控制、高车速控制和不平整路面控制等，如图5所示。车身高
图1 被动悬架的折中性能
图4 两类主动悬架系统
度的控制主要是控制车身在水平高度，包括静止状态控制、行驶工况控制及自动水平控制等。
静止状态控制：指车辆静止时，由于乘员和货物等因素会引起车载载荷的变化，主动悬架系统会自动改变车身高度，以减少悬架系统的负荷，改善汽车的外观形象。
行驶工况控制：指将车辆静态载荷和动态载荷综合考虑，当汽车在高速行驶时，主动悬系统能主动调节车身高度，以改善行车的操纵稳定性和空气动力学特性；当汽车行驶在起伏不平的路面时，主动升高车身，以避免车身与地面或悬架的磕碰，同时改变悬架系统的刚度，以适应驾驶舒适性的要求。
自动水平控制：指在道路平坦开阔的行驶工况下，车身高度不受动态载荷和静态载有的影响，保持基本恒定的姿态，以保证驾乘舒适性和前照灯光束方向不变，提高行车的安全性。
车辆主动悬架系统的核心部件是作动器，也称为力发生器，作动器的性能坏对整车振动控制的实施以及车辆行驶性能都有着至关重要的影响。目前，国内外研究人员研究并设计了多种不同类型的作动器，由此构成的主动悬架系统主要有4类；空气主动悬架系统、油气主动悬架系统、液压主动悬架系统和电磁主动悬架系统。(1)空气主动悬架系统
空气主动悬架系统是以空气弹簧为弹性组件，以气体为介
质，利用气体的可压缩性使弹簧压缩或伸长，调节车体姿态，从而起到减振的效果，基本原理如图6所示。
可以看出，空气主动悬架系统的空气弹簧等价于弹簧、阻尼和汽缸3部分。传感器实时采集车辆状态量，采用一定的主动控制算法，经过电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)计算处理，得到各电磁阀相应的控制电压，电磁阀据此确定阀的开闭大小并执行动作，由此改变空气弹簧气室内的压强，从而调节车体的振动特性，使悬架系统性能达到最优。如图7给出了在奥迪A8车辆中采用的自适应空气主动悬架系统(Adaptive Air
Suspension，AAS)。空气主动悬架系统具有质量轻、噪声低、寿命长等优点，但空气主动悬架系统具有非线性和时变性，难以
对其建立精确的数学模型。
图7 奥迪A8空气主动悬架系统
(2)油气主动悬架系统
油气主动悬架系统的核心部件之一是油气弹簧，主要构件
包括了气体弹簧(储能器)、阻尼阀系、液压缸组成，结构如图所示。油气弹簧是在膜式空气弹簧的基础上发展起来的，可以看作
是空气弹簧的一种改进。油气主动悬架系统原理图如图8所示。
图8 油气主动悬架系统原理图
油气弹簧以惰性气体作为弹性介质，将液压油密封于活塞和储能器橡胶隔膜之间，以油液传递压力，油缸内部的节流孔、单向阀(阻尼阀系)等结构代替了原被动悬架系统的阻尼器。控制器根据传感器采集到的车辆状态数据控制电磁比例阀来调节油缸充放油流量，从而对车体状态进行控制，油气弹簧结构
如图9所示。
图5 典型主动悬架系统功能示意图
图6 空气主动悬架系统原理图
图9 油气弹簧结构图
例如被称为“魔毯”的雪铁龙C6油气主动悬架系统它能连续地、实时地自适应于驾驶员的要求及路面状况，通过“舒适性悬架”及“动态悬架”两种模式设置，使阻尼和刚度处于适合状态。每一车轴上均装有第三个油气室(即所谓的刚度调节器)和阻尼调整器，在动态模式下将第三油气室隔离，而在舒适模式下使其都参与悬架系统工作。通过实时管理两种工作模式，悬架系统可以实现对侧倾、俯仰以及横摆运动进行控制。
由此可知，油气主动悬架集
弹性元件、阻尼元件和力发生器于一体，形成了独立的悬架系统。油气主动悬架系统具有单位储能比大、结构紧凑和刚性闭锁等优点，但其制造成本高、维护相对困难，且很难在-40℃的温度下正常工作。
(3)液压主动悬架系统
液压主动悬架系统采用液压元件作为作动器，通过电控系统控制液压悬架系统内液压油的流动方向及
流量大小进行车身姿态的控制及调整，从而改善车辆的行驶性能。液压主动悬架系统依据其所采用的控制执行系统的不同，可分为2类，如图10所示。
图10 液压主动悬架系统原理图
图10(a)给出的液压主动悬架系统由液压缸、液压源和电液伺服阀等组成。通过电子
家用汽车
控制单元直接控制高精度、高灵敏度的比例阀或伺服阀，伺服阀调节液压缸内液压油的流
向和流量，液压油推动液压缸活塞做功使其输出作用力。如图11是奔驰主动车身控制系统(Active Body Control简称ABC)系统上安装了液压主动式车身电子控制系统。
该系统主要由电子控制系统和液压控制回路组成。车身载荷由悬架支柱承载，在每个悬架支柱中有一个可动态调节的柱塞(液压作动器)，它与一个螺旋弹簧串联，并与减振器并联。在车辆行驶时，高频振动由减振器吸收，5Hz以下的低频振动则由主动车身控制系统的悬架支柱液压柱塞吸收，通过悬架支柱柱塞的主动充放油控制，还可以显著降低因转向或路面横向倾斜所造成的车身侧倾。
图10(b)给出的另一种液压主动悬架系统，由液压缸、齿轮泵和直流电机等组成。通过悬架系统控制器直接控制直流电机，从而控制液压泵或齿轮泵的转矩，调节液压缸活塞两侧的压力差，使液压缸产生可控的作用力。如奔驰的E-ABC系统。(未完待续)
图11 奔驰主动车身控制系统液压回路图