1.4 懸掛系統的發展

懸掛系統的發展大致經過了三個發展階段：被動懸掛、主動懸掛和半主動懸掛。

1.4.1 被動懸掛

傳統的被動懸掛一般由參數固定的彈簧、減震器及導向機構組成，其中彈簧主要起緩沖和支撐作用，減震器用于衰減振動，導向機構起限位和導向作用。懸掛參數不能隨路面的變化和車輛行駛工況的變化進行調節，各部分元件在工作時不消耗外部能源，故稱為被動懸掛，其結構如圖1-1所示。

被動懸掛結構簡單、性能可靠、技術成熟，是當前在裝甲車輛中應用最為廣泛的懸掛形式。理想的懸掛要求在任何情況下，車輛都要有良好的行駛平穩性和操作穩定性，被動懸掛卻很難做到這一點，因為車輛在不同的速度和路面上行駛時對懸掛的參數要求不同。為了克服被動懸掛的缺點，人們嘗試了多種方法，如采用非線性剛度彈簧協調平順性和操作穩定性之間的矛盾來改善被動懸掛的性能，但即使如此，被動懸掛仍無法在任何形式工況下都處于參數最優狀態。

1.4.2 主動懸掛

主動懸掛主要有兩種形式：一種是利用力作動器（制動器）在懸掛質量和非懸掛質量之間提供外力，代替被動懸掛中的彈簧和減震器；另一種是將被動懸掛和作動器并聯，由被動懸掛承擔靜載，作動器提供增量力，從而降低了主動懸掛的體積和功率消耗。凡是依靠外界能源在懸掛質量和非懸掛質量之間提供力，并能對作用力的大小進行控制的懸掛系統都稱為主動懸掛系統。

主動懸掛的概念由通用汽車公司的Federspiel-Labrosse教授于1955年首次提出。

1.4.2.1 主動懸掛的分類

主動懸掛根據作動器響應帶寬的不同，分為全主動懸掛和慢主動懸掛。

（1）全主動懸掛采用可控的作動器組成一個閉環控制系統，作動器通常是一個具有較寬頻率范圍的伺服液動油缸，根據控制信號產生相應大小的作用力，其結構如圖1-2所示。作動器的響應帶寬一般至少包括車輛經常遇到的頻率范圍0～15Hz，有的作動器響應帶寬高達100Hz。為了減少能量消耗，一般保留一個與作動器并聯的彈簧，用來支持車身的靜載荷。

（2）慢主動懸掛通常由一個響應速度稍慢的作動器和一個普通彈簧相串聯，再與一個被動阻尼器并聯構成，其結構如圖1-3所示。慢主動懸掛僅在一個低頻范圍（頻帶寬0～8Hz）內進行主動控制。由于慢主動懸掛作動器僅需在一個窄帶頻率范圍內工作，所以降低了系統成本及復雜程度。慢主動懸掛降低了對車輪的振動限制，使系統的能量消耗大幅度降低，在低頻路面行駛時其控制性能接近全主動懸掛的控制水平，但當激勵超過上限頻率以后，其控制效果會惡化，需要采取其他輔助措施。

1.4.2.2 主動懸掛技術的控制策略

主動懸掛系統控制策略的理論發展歷程大體可劃分為兩個階段：第一階段從20世紀60年代初到20世紀90年代初，理論上主要為經典的PID控制和現代的LQR/LQG控制；第二階段從20世紀90年代初至今，理論上主要為非線性控制、預測控制、神經網絡控制、模糊控制、自適應控制、智能控制和魯棒控制等。

到目前為止，主動懸掛控制研究的第一階段在理論上已經取得了比較滿意的結果，第二階段的理論正處于研究和探討之中。車輛懸掛系統屬于復雜的非線性參數動力學系統，單一的控制手段難以滿足要求，需要兩種甚至多種控制策略協同控制。目前，各種不同結構、不同控制算法的主動懸掛系統已經應用到個別裝甲原型車輛上，其中被廣泛使用的有隨機線性二次型最優控制（LQG）、模糊控制、PID控制和神經網絡控制等。這些控制策略各有優缺點，所以需要將不同控制算法融合，集多種控制算法的優點于一身，使主動懸掛的控制系統能夠更加完善，以更好地改善車輛的平順性和操作穩定性。

模糊控制是最近幾十年來新興起的一種智能控制算法，它模仿人工控制活動中人腦的思維決策方式及其產生的模糊概念和模糊判斷，運用模糊數學的理論形成控制策略，把人工控制方法用計算機來實現。模糊控制系統如圖1-4所示。

模糊控制最大的優點就是它不依賴于精確的數學模型，因而對系統參數的變化不敏感，魯棒性好。常規模糊控制器的缺點是模糊控制規則一旦制定就不能改動，當被控對象的參數或者工況等發生變化時，將無法使控制達到最優。為了更好地改善汽車的綜合性能，需要在此基礎上進行相應的改進。

自適應模糊PID控制是將PID控制和模糊控制相結合，集二者的優點而形成的一種綜合控制策略。自適應模糊PID控制器結構如圖1-5所示。

這些主動懸掛控制方面的理論以及控制器的設計方法，對于車輛主動控制技術的發展，甚至對整個工程領域控制理論的發展和應用，都具有十分重要的意義。

1.4.2.3 主動懸掛技術在裝甲車輛上的應用實例

1982年，英國Lotus公司首次實現了理論到實踐的突破。1992年，美軍成立了國家汽車中心（NAC），專門研究裝甲車輛的主動懸掛技術，大大地促進了主動懸掛技術在裝甲車輛上的應用。目前，以美國L-3電子通信公司為首的多家公司正在研制一種電控主動懸掛系統（ECASS），該系統已經在“槍騎兵”20噸級混合電驅動履帶式車輛以及“悍馬”上進行了多項演示試驗。

美國L-3公司研制的電控主動懸掛系統（ECASS）用高能帶寬度的可控機電作動器（如圖1-6所示）取代了傳統的液壓減震器。作動器安裝在每個車輪站（輪式車輛）或負重輪位置（履帶式車輛），如圖1-7所示。

1.4.3 半主動懸掛

半主動懸掛介于主動懸掛和被動懸掛之間，其可以根據路況和行駛狀況的變化，在一定范圍內對懸掛彈簧剛度系數或減震器的阻尼系數進行調節。其基本原理是，根據彈簧上質量的加速度響應等反饋信號，按照一定的控制規律調節彈性元件及剛度阻尼元件的阻尼，以使目標函數值最優。其結構如圖1-8所示。

1974年，美國加州大學戴維斯分校Karnopp提出半主動懸掛，與主動懸掛相比，半主動懸掛的結構有以下特點：傳統的減震器被電控的可控阻尼減震器所取代，系統還保留傳統的懸掛彈簧，半主動懸掛沒有力發生器，僅通過輸入少量控制能量來調節減震器的阻尼，以改善懸掛的振動特性來提高懸掛性能。半主動懸掛控制系統所需要輸入的能量與主動懸掛系統所需要輸入的能量相比是微不足道的，但半主動懸掛較被動懸掛的性能有顯著提高，因此半主動懸掛系統有著巨大的優勢，受到了車輛工程界的廣泛重視。

1.4.3.1 半主動懸掛的分類

車輛懸掛彈性元件需要承載車身的靜載荷，在半主動懸掛中實施剛度控制比阻尼控制困難得多，目前多數半主動懸掛僅進行阻尼調節，即將阻尼可調減震器作為執行機構，通過傳感器檢測到的汽車行駛狀況和道路條件的變化以及車身的加速度數值，由ECU（電子控制單元）根據控制策略發出控制信號，實現對減震器阻尼系數的有級或無級可調。

半主動懸掛分為分級可調半主動懸掛和連續可調半主動懸掛。

分級可調半主動懸掛的阻尼系數只能在幾個離散的阻尼值之間進行切換，系統一般具有2～3個預設阻尼值，切換的時間通常為10～20ms。

連續可調半主動懸掛的阻尼系數在一定范圍內可以連續調節，阻尼調節一般有以下兩種方式：

1）節流孔等效面積調節

一般將步進電動機或比例電磁鐵作為動力元件，通過連續調節阻尼器節流閥的通流面積來改變其阻尼特性。該系統需要復雜的液壓結構，對閥的加工精度要求高，整體成本較高。

2）電/磁流變液黏性調節

另一種實現阻尼調節的方式是使用電流變或磁流變液作為減振液，來實現阻尼無級可調。在外加電場的作用下，電流變液的黏度、剪切強度會隨外部施加的電場強度增大而增大，從而提高減震器的阻尼系數。由于電流變液需要高壓（2000V），存在安全性問題，且電流變液在高速剪切下，剪切強度會迅速降低，因此應用較少。在磁流變液的母液中懸浮著微小的鐵磁性顆粒（通常為羰基鐵粉），在外加磁場的作用下，磁性小顆粒會形成鏈狀結構，從而使整個液體的宏觀黏度特性增加，且黏度隨外加磁場強度的增大而增大；由于磁流變減震器無須高壓，故汽車用磁流變減震器使用額定車載12V電源，電流不超過2A，響應速度快，可達到毫秒級，是目前應用最廣的流變式阻尼可調減震器。

相對于全主動懸掛，半主動懸掛具有耗能小、成本低、控制簡單、易于實現以及可靠性較高等優點，從而使得懸掛性能提升明顯，故其日益受到人們的重視，成為研究的熱點。性能可靠、阻尼可調范圍寬的減震器和簡單有效的控制策略是半主動懸掛實現產業化的前提。

1.4.3.2 半主動懸掛技術的控制策略

半主動懸掛控制策略主要包括天棚阻尼控制、最優控制、非線性自適應控制和預測控制等。

天棚阻尼控制半主動懸掛是由Karnopp教授等提出的一種較為簡單且易于實現的控制方式，目前已成為半主動懸掛系統設計中最為普遍采用的一種控制策略。

車輛半主動懸掛系統本質上是雙線性系統，很難獲得一定意義下的最優控制，并且連續型控制規律要通過解Ricatti方程才能得到，不利于實時控制。研究較多的最優控制策略有狀態反饋最優控制、H∞最優控制和統計最優控制。狀態反饋最優控制的優點是阻尼力可以反映某些狀態參數，達到特定的控制效果；其缺點是需要對涉及的狀態參數進行實時監測或在線進行參數估計。H∞最優控制可使半主動懸掛系統的振動控制具有較強的魯棒性，但控制器的設計相對來說較為復雜。統計最優控制不對系統瞬間振動特性做出反應，而是根據一段時間內控制目標的統計值，采用逐步尋優的迭代式控制方法或基于神經網絡的自適應控制方法，對阻尼力加以控制。

1.4.3.3 半主動懸掛在裝甲車輛上的發展

1994年，Prinkos等人使用電流變液和磁流變液作為工作介質，研究出了新型半主動懸掛系統。20世紀90年代，裝甲輪式車輛半主動懸掛系統的研究取得了突破。美國陸軍坦克車輛裝備司令部在1997年前后將由液壓可調減震器構成的半主動懸掛系統安裝在布萊德利步兵戰車上進行了場地試驗，結果表明車輛的機動性能得到了大幅度提高。2003年前后，美軍又在重型“悍馬”吉普車上安裝了基于磁流變液減震器的半主動懸掛系統，并取得了越野速度提高30%～40%的良好試驗效果。

從上面的分析不難看出，無論是在公路車輛上，還是在裝甲車輛上，采用半主動懸掛系統都能極大地改善車輛懸掛系統的性能。我國半主動懸掛系統的研發率先在裝甲車輛領域展開并取得了重大進展，主要有以下原因：

（1）對于公路車輛，行駛路況比較簡單，目前的被動懸掛系統能夠基本滿足舒適性和操作穩定性的要求，采用半主動懸掛系統必然會增加成本，而民用車輛又對成本比較敏感。同時，半主動懸掛系統的先期研發需要大量的經費并具有一定風險，一般的企業也不愿意承擔這筆費用和風險。

（2）對于裝甲車輛，特別是裝甲履帶式車輛，情況則大不相同。履帶式車輛行駛的路況復雜惡劣，行駛速度和裝備質量變化大，各種行駛工況對懸掛系統阻尼的要求也不同，而且變化范圍大。當裝有被動式懸掛裝置的履帶車輛在硬的卵石路面以較高速度行駛時，由于目前被動式懸掛系統阻尼比大于該種工況下的最佳阻尼比，因此會過多地將路面振動傳給車體，從而降低減振效果，也易使減震器過熱燒毀；而在大起伏路面上低速行駛時，懸掛系統阻尼比又小于該種工況下的最佳阻尼比，無法有效地消除車體的俯仰振動，使乘員乘坐舒適性變差，甚至造成平衡肘頻繁撞擊限位器，使車輛不得不降速行駛。

因此，如果仍然采用被動懸掛，要全面提高主戰坦克行駛的舒適性和極限車速。雖通過提高懸掛系統的許用動行程能減少在起伏地行駛時的懸掛擊穿，但解決不了卵石路行駛時的減震器過熱問題，何況根據我國現在主戰坦克懸掛系統的結構形式，要進一步提高懸掛系統的動行程，發展余地不大。

國內從事裝甲車輛半主動懸掛研究的裝甲兵工程學院院長進秋教授完成了磁流變式阻尼可調減震器，北京理工大學機械與車輛學院振動和噪聲控制研究所從“九五”開始進行裝甲履帶式車輛半主動懸掛的研制，目前研制的基于葉片式減震器阻尼連續可調的半主動懸掛已隨某型主戰坦克定型，圖1-9所示為可控式葉片減震器及其原理。