10.16638/jki.1671-7988.2018.16.054
李争鹏，李勇凯，刘猛，杨鑫
（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州121001）
关键词：悬架类型；控制策略；发展趋势
中图分类号：U461.99 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)16-154-04
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）
Abstract: 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.
Keywords: Suspension type; control strategy; development trend
CLC NO.: U461.99 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)16-154-04
前言
汽车行驶时的舒适性与汽车减振系统有关。座椅悬架可以极大地缓冲路面不平引起振动，有效避开人体敏感频率，从而提高驾驶员的行车安全性和乘坐舒适性。因此，加强座椅悬架的研究对提升我国商用车的竞争力及保障驾驶人员行车安全具有重要意义。
1 车辆座椅悬架的类型
座椅悬架相对于车辆悬架发展起步较晚，座椅悬架与车辆悬架在组成和原理上有很大相似性，安照装置
布置形式主要分为悬置式和剪式两种，如图1中的(a)和(b)所示，悬置式座椅悬架多用于装载车、叉车等工程车辆，剪式座椅悬架则更多的适用于旅游车，卡车等大型车辆。就目前而言，国内大都是对剪式座椅悬架进行研究。通常，座椅悬架按照隔振效果可划分为被动座椅悬架，半主动座椅悬架，主动座椅悬架三种。
(a) 悬置式座椅悬架图(b) 剪式座椅悬架图
图1 座椅悬架图
1.1 被座椅悬架
被动座椅悬架是目前为止使用最为普遍的也是最为基础的座椅悬架，它主要有弹簧和阻尼器两部分组成，刚度和阻尼是设定了的，因此，其调节不能随着车辆在运行过程遇到的实际路面状况而变化。
图2中(a)是德国Grammer公司研制的凸轮控制的非线性
作者简介：李争鹏，硕士，就读于辽宁工业大学。研究方向：车辆系统动力学及控制。
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李争鹏 等：浅析商用车座椅悬架的研究现状
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特性座椅悬架，但该结构的滚轮承受两方向的挤压，有很大的摩擦力，不仅增加驾驶室内噪音，而且缩短其正常使用寿命。
(a) 由凸轮控制的非线性弹性特性座椅悬架示意图
(b) 由曲面板与拉簧控制的非线性弹性特性座椅悬架示意图
图2 被动悬架示意图
(b)图是我国河南科技大学研制的由曲面版和拉簧控制的座椅悬架，该座椅悬架在结构上加以改进，可有效避免滚轮的挤压和摩擦问题。 1.2 半主动座椅悬架
半主动悬架的概念最早是由D.A.Crosby 和D.C.Karnopp 在1973年中提出。1984年国外又研制出一种声纳式半主动悬架，它可以通过声纳装置预测前方路面信息，并且能够实时调整悬架减振器的三种状态。D.A.Crosby 等人提出了阻尼连续可调的半主动悬架系统。I.Hostens, K.Deprez, H.Ramon 更是在行走式农用机械的座椅上应用了带辅助气室的空气弹簧和变阻尼空气阻尼器，通过理论分析与实验研究，表明这种座椅悬架振动衰减性能良好。
国内对半主动座椅悬架研究尚处于起步阶段。吉林大学的孙明,，长安大学的张猛，江苏大学的刘永田，东北林业大学的杨亚珣、杜宇、孙子尧等其他高校人才在磁流变阻尼器在半主动座椅悬架的应用上进行了理论和实际的研究。半主动座椅悬架概念比主动座椅悬架提出要晚，但它发展速度快 。总体而言，半主动座椅悬架在我国仍处于起步阶段，与国外领域发达国家相比仍有较大差距。 1.3 主动座椅悬架
主动座椅悬架主要由一个作动器，执行机构和传感器组成。它的刚度和阻尼能根据路面状况进行实施调控，比半主动式座椅悬架反应更加灵敏，调控范围更加宽泛，能始终保持驾驶员理想的舒适性。
早期的主动座椅悬架是由意大利的Francesco Braghin 和Federico Cheli 等人在传统被动座椅的基础上利用减振器和主动可控空气弹簧组成的，该类型座椅应用于农业车辆。国外的Johnson 建立了一种用于减小驾驶员背部损伤的电液式
主动式驾驶员座椅悬架系统。Shimogo 等人开发了一种用于重型卡车的主动座椅悬架系统。实验结果表明该座椅悬架上板加速度加权平均值降低接近50%，具有较好的隔振效果，但其需要消耗较大能量。
近年，国内刘永田，郝雪玲等在主动空气座椅悬架的做了理论研究，分析论证了：与被动空气座椅悬架相比，主动空气座椅悬架能够有效降低座椅加速度，并同时能够抑制驾
驶室俯仰角加速度。目前，主动座椅悬架研究尚处在萌芽状态，相关理论水平和技术状况较薄弱，加上对系统反应速度有着严格要求，且系统结构复杂，成本高等因素影响，主动座椅悬架仍未得到广泛应用。
2 常用的座椅悬架控制策略
被动悬架的刚度和阻尼是确定的，在行车过车中始终保持不变。因此，控制策略主要是针对半主动和主
动座椅悬架而言的。悬架系统控制策略的选择对乘坐舒适性的优化程度有着直接的关系。控制理论按照发展过程可大致分为经典控制策略，现代控制策略，智人控制三个阶段。目前也出现在常规单一控制策略上进行复合，用以弥补单一控制方法的不足。 2.1 PID 控制
PID 控制方法作为经典控制算法中的典型代表，是一种传统的控制方式，适用于建立精确数学模型的确定性系统。从1922年美国N.Minorsky 提出PID 控制方法，1942年美国Taylor 仪器公司的J.g.ziegler 和N.B.Nichols 提出PID 参数的最佳调整法至今，在工业领域的控制中使用较为广泛。PID 控制是由三个环节构成的，分别是比例、积分和微分环节，该控制方法是将需要的输出量与理想值进行比较，对该偏差进行调节。PID 控制设计的核心内容是参数的整定，PID 控制具有鲁棒性强、算法简单、可靠性高，参数意义明确等特点。PID 控制原理如图3所示。
图3 PID 控制原理图
目前，PID 控制在悬架的应用上较为成熟，文献[1]采用凑试法对PID 参数进行整定，按照“先比例、再积分、后微分”的顺序调整PID 参数，仿真结果表明，在比例、微分、积分三个环节中对座椅加速度具有一定程度的削弱作用，尤其是比例和积分环节对系统的作用较明显。文献[2]中，利用在Matlab / Simulink 中搭建系统的仿真模型，分别输入不同路面信号得到有无PID 控制的平顺性参数值，试验结果表明
有PID控制器的主动悬架可有效提高汽车行驶平顺性。
2.2 天棚控制
1974年，美国学者Karnopp等人提出了天棚(Sky-hook)阻尼控制算法，它是一种早期广泛应用于主动悬架的经典控制算法，拥有形式简单和造价低廉的优势。其原理是将可变阻尼器的一端和假想天空之间安装了一个虚拟减震器，该减震器能够提供一个控制力。
天棚阻尼控制模型如图4所示。天棚控制关注重点是簧载质量的性能，它可以同时满足簧载质量的谐振控制和簧载质量的高频减振，但是在保证这些性能的同时将会使簧下质量产生较大的动位移。
图4 天棚阻尼控制理想模型图
天棚阻尼控制是一种理想模型在实际中无法实现。通常我们采用一些等效模型可在一定范围内实现天棚阻尼控制。在文献[3]中，利用开/关控制策略来模仿理想天棚控制系统。纯天棚控制，是仅对理想天棚控制的模拟，它可大幅减小簧载质量在高频随机激励下的加速度，如果悬架系统输入的是低频阶跃激励，此时将会产生较大的悬架动行程。在文献[4]中分别对簧载质量绝对速度的线性和非线性滤波器进行了单独设计，旨在优化簧载质量与悬架动行程之间的状况。
2.3 最优控制/LQG控制
最优控制方法是将被控系统的性能指标达到最优的基本方法，其内容大致可表述为：对所要控制的系统或过程从众多的控制方案中到一个最优的方案，使得系统的运动由某一初始状态变化到目标状态，实现系统性能的最优化。利用数学语言可表述最优化具体过程为：在运动方程的约束条件下，对由表征系统性能的参数构成的函数进行最小值求解。目前，在智能悬架中应用的最优控制方法中数LQG控制较为普遍。但即使是LQG控制的控制也必须要通过求解Riccati方程得到，事实上Riccati方程有时很难求解，并且在确定目标函数的加权矩阵上缺乏行之有效的理论指导，通常这只能凭借着设计者的经验调整，综上因素在很大程度上限制了最优控制的应用。
文献[5]利用白噪声和阶跃输入作为路面激励，将最优控制器分别应用到主动空气座椅悬架系统模型中，通过仿真结果分析验证了应用最优控制的主动空气座椅悬架对车辆乘坐舒适性有较大的改善。文献[6]将
汽车座椅最优控制分别应用到四自由度、七自由度及十二自由度的主动空气座椅模型当中，通过仿真，验证了配有最优控制的座椅悬架能够对座椅加速度和座椅悬架动行程进行有效衰减。
2.4 鲁棒控制
现代控制理论诞生于20世纪50年代末，在20世纪末60年代的航天领域得到成功的应用。鲁棒控制作为现代控制理论的杰出代表，将其引入到悬架系统的控制当中，可有效处理悬架系统中出现的多目标问题和参数摄动问题。
文献[7]中为解决在控制中出现的输入信号迟滞和输入饱和等相关因素影响，针对座椅悬架模型，专门设计了基于状态观测器的鲁棒r输出反馈控制器，并且进行了相应的仿真试验验证，仿真结果表明，该文设计的车辆座椅悬架鲁棒扩输出反馈控制器具有可行性和有效性。文献[8]针对主动悬架控制中的输入迟滞控制问题、控制器饱和问题、控制器容错三个热点问题在鲁棒控制设计中进行详细研究，给出了解决以上问题的具体方式，并通过最后仿真验证了方法的有效性。
2.5 模糊控制
模糊控制和模糊数学的概念由美国著名教授查德，在他的《Fuzzy Sets》；《Fuzzy Algorithm》和《A Retionnale for Fuzzy Control》等著名论著中首先提出。1974年英国伦敦大学E. H. Mamdani教授，他
首次将具有模糊控制语句组的模糊控制器，应用在锅炉和汽轮机的运行控制之中，并且在实验室中获得了成功。模糊控制以处理非线性和非精确信息系统为主要研究对象，除此之外，它还能够处理那些传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。模糊控制基本原理见图5。
图5 模糊控制基本原理图
文献[9]利用模糊控制的基本原理，设计了主动悬架模糊控制器，并在Simulink环境下进行了仿真，将所得的仿真结果与被动悬架仿真结果进行比较。证实了具有模糊控制器的主动控制能有效地提高汽车行驶平顺性。
文献[10]中拟采用了两输入、单输出二维模糊控制机构，并且针对选用不同种类的阻尼器，相应采取了特定的模糊语言变量。采用工具箱与命令程序结合的方法，利用Matlab中的模糊控制工具箱中的GUI编辑生成一个模糊推理系统，利用Matlab命令程序分别生成实时控制所须的模糊控制表。通过仿真分析证明随着白噪声路面激励频率的增大，模糊控制下的半主动座椅悬架比常规座椅悬架在行驶平顺性和乘坐动态舒适性上均有显著改善。（下转第158页）
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水泵与曲轴的转速比为2，根据“水泵水流量-转速”数据与“散热器水阻-水流量”可求得“系统水流量-转速”数据。
当水泵转速为3100rpm时即发动机最大扭矩转速1550 rpm时，通过散热器的水流量为65L/min；
当水泵转速为5200rpm时即发动机最大功率转速2600 rpm时，通过散热器的水流量为170L/min。
2.2.4 根据“散热器的散热量参数”以及以上确定的“风量”、“水流量”数据可确定
发动机最大扭矩1550rpm时，通过散热器的水流量为65L/min，则散热器在发动机最大扭矩时的散热量为46KW＞36kw，
发动机最大功率2600rpm时，通过散热器的水流量为170L/min，则散热器在发动机最大扭矩时的散热量为76KW ＞55kw。
根据结论：散热器在整个冷却系统匹配满足要求。
3 架验证结果
扭矩点转速、功率点转速爬坡工况：分别计算车辆最大扭矩点和额定功率点对应转速下，车辆在100%超载时能够爬上8.7%的长坡的最高档位。根据实验结论：扭矩点的许用环境温度为35.8℃，功率点的许用环境温度44℃，都满足≥33℃，满足设计要求。
4 总结
随着排放升级，整车冷却系统需要带走的散热量越来越大，这对冷却系统的精确匹配设计提出更高要求，参数化的计算推定过程，确保经济的选择散热器和发动机风扇，使相关参数选择最佳，保证冷却系统能满足整车散热要求，使发动机处在最适宜的温度状态下工作。
参考文献
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[2] 朱成辉，王桂，张欣.新型轻型柴油汽车冷去系统的匹配开发[J].
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（上接第156页）
3 座椅悬架发展趋势
随着近年来我国科学技术和经济实力的增强，汽车生产水平和生产质量显著提升，汽车国际竞争力不断增强。人们对汽车研究重点从传统的安全性，动力性，经济性逐渐转移到节能性和舒适性上，特别是之前对以运送货物为主的工程车辆的设计，没有对驾驶员的乘坐舒适性足够重视。未来相当一段时间里被动座椅悬架优势仍然明显，将继续在商用车市场中占有较大份额；半主动座椅悬架扩大非公路车辆中使用比重，最终超过被动座椅悬架；主动座椅悬架技术尚未十分成熟和使用成本相对过高，主动座椅悬架市场相对狭小；座椅悬架的控制策略也将从目前的单一控制为主逐步转向为复合控制，使得控制效能更加理想。总之，我国商业车座椅悬架技术相对于汽车研发较早的发达国家仍有较大差距，商用车座椅悬架的发展任重而道远。
参考文献
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