1.4 悬挂系统的发展

悬挂系统的发展大致经过了三个发展阶段：被动悬挂、主动悬挂和半主动悬挂。

1.4.1 被动悬挂

传统的被动悬挂一般由参数固定的弹簧、减震器及导向机构组成，其中弹簧主要起缓冲和支撑作用，减震器用于衰减振动，导向机构起限位和导向作用。悬挂参数不能随路面的变化和车辆行驶工况的变化进行调节，各部分元件在工作时不消耗外部能源，故称为被动悬挂，其结构如图1-1所示。

被动悬挂结构简单、性能可靠、技术成熟，是当前在装甲车辆中应用最为广泛的悬挂形式。理想的悬挂要求在任何情况下，车辆都要有良好的行驶平稳性和操作稳定性，被动悬挂却很难做到这一点，因为车辆在不同的速度和路面上行驶时对悬挂的参数要求不同。为了克服被动悬挂的缺点，人们尝试了多种方法，如采用非线性刚度弹簧协调平顺性和操作稳定性之间的矛盾来改善被动悬挂的性能，但即使如此，被动悬挂仍无法在任何形式工况下都处于参数最优状态。

1.4.2 主动悬挂

主动悬挂主要有两种形式：一种是利用力作动器（制动器）在悬挂质量和非悬挂质量之间提供外力，代替被动悬挂中的弹簧和减震器；另一种是将被动悬挂和作动器并联，由被动悬挂承担静载，作动器提供增量力，从而降低了主动悬挂的体积和功率消耗。凡是依靠外界能源在悬挂质量和非悬挂质量之间提供力，并能对作用力的大小进行控制的悬挂系统都称为主动悬挂系统。

主动悬挂的概念由通用汽车公司的Federspiel-Labrosse教授于1955年首次提出。

1.4.2.1 主动悬挂的分类

主动悬挂根据作动器响应带宽的不同，分为全主动悬挂和慢主动悬挂。

（1）全主动悬挂采用可控的作动器组成一个闭环控制系统，作动器通常是一个具有较宽频率范围的伺服液动油缸，根据控制信号产生相应大小的作用力，其结构如图1-2所示。作动器的响应带宽一般至少包括车辆经常遇到的频率范围0～15Hz，有的作动器响应带宽高达100Hz。为了减少能量消耗，一般保留一个与作动器并联的弹簧，用来支持车身的静载荷。

（2）慢主动悬挂通常由一个响应速度稍慢的作动器和一个普通弹簧相串联，再与一个被动阻尼器并联构成，其结构如图1-3所示。慢主动悬挂仅在一个低频范围（频带宽0～8Hz）内进行主动控制。由于慢主动悬挂作动器仅需在一个窄带频率范围内工作，所以降低了系统成本及复杂程度。慢主动悬挂降低了对车轮的振动限制，使系统的能量消耗大幅度降低，在低频路面行驶时其控制性能接近全主动悬挂的控制水平，但当激励超过上限频率以后，其控制效果会恶化，需要采取其他辅助措施。

1.4.2.2 主动悬挂技术的控制策略

主动悬挂系统控制策略的理论发展历程大体可划分为两个阶段：第一阶段从20世纪60年代初到20世纪90年代初，理论上主要为经典的PID控制和现代的LQR/LQG控制；第二阶段从20世纪90年代初至今，理论上主要为非线性控制、预测控制、神经网络控制、模糊控制、自适应控制、智能控制和鲁棒控制等。

到目前为止，主动悬挂控制研究的第一阶段在理论上已经取得了比较满意的结果，第二阶段的理论正处于研究和探讨之中。车辆悬挂系统属于复杂的非线性参数动力学系统，单一的控制手段难以满足要求，需要两种甚至多种控制策略协同控制。目前，各种不同结构、不同控制算法的主动悬挂系统已经应用到个别装甲原型车辆上，其中被广泛使用的有随机线性二次型最优控制（LQG）、模糊控制、PID控制和神经网络控制等。这些控制策略各有优缺点，所以需要将不同控制算法融合，集多种控制算法的优点于一身，使主动悬挂的控制系统能够更加完善，以更好地改善车辆的平顺性和操作稳定性。

模糊控制是最近几十年来新兴起的一种智能控制算法，它模仿人工控制活动中人脑的思维决策方式及其产生的模糊概念和模糊判断，运用模糊数学的理论形成控制策略，把人工控制方法用计算机来实现。模糊控制系统如图1-4所示。

模糊控制最大的优点就是它不依赖于精确的数学模型，因而对系统参数的变化不敏感，鲁棒性好。常规模糊控制器的缺点是模糊控制规则一旦制定就不能改动，当被控对象的参数或者工况等发生变化时，将无法使控制达到最优。为了更好地改善汽车的综合性能，需要在此基础上进行相应的改进。

自适应模糊PID控制是将PID控制和模糊控制相结合，集二者的优点而形成的一种综合控制策略。自适应模糊PID控制器结构如图1-5所示。

这些主动悬挂控制方面的理论以及控制器的设计方法，对于车辆主动控制技术的发展，甚至对整个工程领域控制理论的发展和应用，都具有十分重要的意义。

1.4.2.3 主动悬挂技术在装甲车辆上的应用实例

1982年，英国Lotus公司首次实现了理论到实践的突破。1992年，美军成立了国家汽车中心（NAC），专门研究装甲车辆的主动悬挂技术，大大地促进了主动悬挂技术在装甲车辆上的应用。目前，以美国L-3电子通信公司为首的多家公司正在研制一种电控主动悬挂系统（ECASS），该系统已经在“枪骑兵”20吨级混合电驱动履带式车辆以及“悍马”上进行了多项演示试验。

美国L-3公司研制的电控主动悬挂系统（ECASS）用高能带宽度的可控机电作动器（如图1-6所示）取代了传统的液压减震器。作动器安装在每个车轮站（轮式车辆）或负重轮位置（履带式车辆），如图1-7所示。

1.4.3 半主动悬挂

半主动悬挂介于主动悬挂和被动悬挂之间，其可以根据路况和行驶状况的变化，在一定范围内对悬挂弹簧刚度系数或减震器的阻尼系数进行调节。其基本原理是，根据弹簧上质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹性元件及刚度阻尼元件的阻尼，以使目标函数值最优。其结构如图1-8所示。

1974年，美国加州大学戴维斯分校Karnopp提出半主动悬挂，与主动悬挂相比，半主动悬挂的结构有以下特点：传统的减震器被电控的可控阻尼减震器所取代，系统还保留传统的悬挂弹簧，半主动悬挂没有力发生器，仅通过输入少量控制能量来调节减震器的阻尼，以改善悬挂的振动特性来提高悬挂性能。半主动悬挂控制系统所需要输入的能量与主动悬挂系统所需要输入的能量相比是微不足道的，但半主动悬挂较被动悬挂的性能有显著提高，因此半主动悬挂系统有着巨大的优势，受到了车辆工程界的广泛重视。

1.4.3.1 半主动悬挂的分类

车辆悬挂弹性元件需要承载车身的静载荷，在半主动悬挂中实施刚度控制比阻尼控制困难得多，目前多数半主动悬挂仅进行阻尼调节，即将阻尼可调减震器作为执行机构，通过传感器检测到的汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度数值，由ECU（电子控制单元）根据控制策略发出控制信号，实现对减震器阻尼系数的有级或无级可调。

半主动悬挂分为分级可调半主动悬挂和连续可调半主动悬挂。

分级可调半主动悬挂的阻尼系数只能在几个离散的阻尼值之间进行切换，系统一般具有2～3个预设阻尼值，切换的时间通常为10～20ms。

连续可调半主动悬挂的阻尼系数在一定范围内可以连续调节，阻尼调节一般有以下两种方式：

1）节流孔等效面积调节

一般将步进电动机或比例电磁铁作为动力元件，通过连续调节阻尼器节流阀的通流面积来改变其阻尼特性。该系统需要复杂的液压结构，对阀的加工精度要求高，整体成本较高。

2）电/磁流变液黏性调节

另一种实现阻尼调节的方式是使用电流变或磁流变液作为减振液，来实现阻尼无级可调。在外加电场的作用下，电流变液的黏度、剪切强度会随外部施加的电场强度增大而增大，从而提高减震器的阻尼系数。由于电流变液需要高压（2000V），存在安全性问题，且电流变液在高速剪切下，剪切强度会迅速降低，因此应用较少。在磁流变液的母液中悬浮着微小的铁磁性颗粒（通常为羰基铁粉），在外加磁场的作用下，磁性小颗粒会形成链状结构，从而使整个液体的宏观黏度特性增加，且黏度随外加磁场强度的增大而增大；由于磁流变减震器无须高压，故汽车用磁流变减震器使用额定车载12V电源，电流不超过2A，响应速度快，可达到毫秒级，是目前应用最广的流变式阻尼可调减震器。

相对于全主动悬挂，半主动悬挂具有耗能小、成本低、控制简单、易于实现以及可靠性较高等优点，从而使得悬挂性能提升明显，故其日益受到人们的重视，成为研究的热点。性能可靠、阻尼可调范围宽的减震器和简单有效的控制策略是半主动悬挂实现产业化的前提。

1.4.3.2 半主动悬挂技术的控制策略

半主动悬挂控制策略主要包括天棚阻尼控制、最优控制、非线性自适应控制和预测控制等。

天棚阻尼控制半主动悬挂是由Karnopp教授等提出的一种较为简单且易于实现的控制方式，目前已成为半主动悬挂系统设计中最为普遍采用的一种控制策略。

车辆半主动悬挂系统本质上是双线性系统，很难获得一定意义下的最优控制，并且连续型控制规律要通过解Ricatti方程才能得到，不利于实时控制。研究较多的最优控制策略有状态反馈最优控制、H∞最优控制和统计最优控制。状态反馈最优控制的优点是阻尼力可以反映某些状态参数，达到特定的控制效果；其缺点是需要对涉及的状态参数进行实时监测或在线进行参数估计。H∞最优控制可使半主动悬挂系统的振动控制具有较强的鲁棒性，但控制器的设计相对来说较为复杂。统计最优控制不对系统瞬间振动特性做出反应，而是根据一段时间内控制目标的统计值，采用逐步寻优的迭代式控制方法或基于神经网络的自适应控制方法，对阻尼力加以控制。

1.4.3.3 半主动悬挂在装甲车辆上的发展

1994年，Prinkos等人使用电流变液和磁流变液作为工作介质，研究出了新型半主动悬挂系统。20世纪90年代，装甲轮式车辆半主动悬挂系统的研究取得了突破。美国陆军坦克车辆装备司令部在1997年前后将由液压可调减震器构成的半主动悬挂系统安装在布莱德利步兵战车上进行了场地试验，结果表明车辆的机动性能得到了大幅度提高。2003年前后，美军又在重型“悍马”吉普车上安装了基于磁流变液减震器的半主动悬挂系统，并取得了越野速度提高30%～40%的良好试验效果。

从上面的分析不难看出，无论是在公路车辆上，还是在装甲车辆上，采用半主动悬挂系统都能极大地改善车辆悬挂系统的性能。我国半主动悬挂系统的研发率先在装甲车辆领域展开并取得了重大进展，主要有以下原因：

（1）对于公路车辆，行驶路况比较简单，目前的被动悬挂系统能够基本满足舒适性和操作稳定性的要求，采用半主动悬挂系统必然会增加成本，而民用车辆又对成本比较敏感。同时，半主动悬挂系统的先期研发需要大量的经费并具有一定风险，一般的企业也不愿意承担这笔费用和风险。

（2）对于装甲车辆，特别是装甲履带式车辆，情况则大不相同。履带式车辆行驶的路况复杂恶劣，行驶速度和装备质量变化大，各种行驶工况对悬挂系统阻尼的要求也不同，而且变化范围大。当装有被动式悬挂装置的履带车辆在硬的卵石路面以较高速度行驶时，由于目前被动式悬挂系统阻尼比大于该种工况下的最佳阻尼比，因此会过多地将路面振动传给车体，从而降低减振效果，也易使减震器过热烧毁；而在大起伏路面上低速行驶时，悬挂系统阻尼比又小于该种工况下的最佳阻尼比，无法有效地消除车体的俯仰振动，使乘员乘坐舒适性变差，甚至造成平衡肘频繁撞击限位器，使车辆不得不降速行驶。

因此，如果仍然采用被动悬挂，要全面提高主战坦克行驶的舒适性和极限车速。虽通过提高悬挂系统的许用动行程能减少在起伏地行驶时的悬挂击穿，但解决不了卵石路行驶时的减震器过热问题，何况根据我国现在主战坦克悬挂系统的结构形式，要进一步提高悬挂系统的动行程，发展余地不大。

国内从事装甲车辆半主动悬挂研究的装甲兵工程学院院长进秋教授完成了磁流变式阻尼可调减震器，北京理工大学机械与车辆学院振动和噪声控制研究所从“九五”开始进行装甲履带式车辆半主动悬挂的研制，目前研制的基于叶片式减震器阻尼连续可调的半主动悬挂已随某型主战坦克定型，图1-9所示为可控式叶片减震器及其原理。