棚阻尼半主动控制坦克振动响应控制策略研究(2)
1.1.1 悬架系统的概念
悬架减振系统是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称[1],其结构通常为弹性元件、减振器和导向机构。悬架的主要作用是衰减由于路面不平度引起的车身或车架的振动，并且传递作用在车架和车轮之间的力和力扭，以保证汽车能平稳顺利地行驶[2]。悬架系统对于现今的车辆来说是不可或缺的一部分，它可以有效的降低车辆的振动响应，提高车辆形式平顺性，还可以为操作人员营造更加舒适的操作环境。随着科技的迅猛发展，悬架的结构形式也在不断更新，出现了越来越多结构样式不同的悬架系统来满足现代汽车及军用车辆的要求。
1.1.2 悬架系统的分类
悬架的分类方式一般有两种。一种分类方法是按导向机构，分为非独立悬架和独立悬架两种。非独立悬架是一个整体装置，独立悬架是互不干扰是单独的装置。两种悬架各有利弊，但现代汽车上多采用后者，独立悬架质量更轻，对减小车身振动情况更有利。
另一种分类方法是按照是否需要外部能源输入进行分类，可以分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种。被动悬架简化模型如图1（a）所示，由弹簧和减振器组成，并利用这两个机械结构减弱冲击力从而改善所在系统的振动。由于这种悬架无需能源输入，所以称为被动悬架。但是这种悬架系统的阻尼和刚度参数是设计者设定后就固定不变的，因此对不同的输入激励没有适应性。有研究表明，增加被动悬架的阻尼系数可以提高乘坐舒适度，但是这种改善与道路保持能力产生了矛盾[3]，因此研究人员把目标转向了更高效悬架——半主动悬架和主动悬架的开发上。半主动悬架简化模型如图1（b）所示，由可变特性弹簧和减振器组成，靠改变弹簧刚度或减振器阻尼系数调节输出力的大小来减小冲击力。半主动装置既像主动装置一样具有多功能性和适应性，也像被动装置一样具有可靠性。它们可以在有能源输入时进行操作（与主动装置相同），同样也可以在没有能源输入的情况下进行操作（与被动装置相同）。半主动悬架结构上比较简单，系统动特性变化很小，仅消耗振动能量，故稳定性好[4]。图1（c）所示的是主动悬架的简化模型，由弹簧和力发生器构成，利用外部能源输入给力发生器配合传感器的使用来改变控制力的大小。总体来说，主动悬架有很多优点，Thompson已经提出主动悬架的减振效果要明显优于其他两种悬架系统，但是其结构复杂、能耗高、成本昂贵，给车辆增重、布局困难等缺点也限制了主动悬架的发展。
(a) 被动悬架 （b） 半主动悬架 （c） 主动悬架
1——传感器 2——可调减振器 3——力发生器
M——簧载质量 K——弹簧刚度 C——减振器阻尼系数
图1 三种悬架系统的简化模型
1.1.3 悬架系统发展状况
被动悬架的产生最早出现在马车上，随着汽车诞生，人们对悬架研究的不断深入。1934 年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架[5]。后来随着技术的不断更新，被动悬架无法满足人们的需求，开始了对半主动及主动悬架的探索。半主动悬架的概念首先在1973年由Crosby和Karnopp提出[6]，1986年，KimBrough在悬架系统中使用一个双向线性稳压器以及添加一个可调阻尼器，并在半主动控制方法中引入了一个Lyapunov函数，以保证悬架有更好的性能[7]。1988年，Hroval开发了用于针对随机路面激励的半主动悬架的最优开环控制和接近于非线性的闭环控制。1994年，Prinkos等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统[4]。最先提出主动悬架概念的是FederspielLacrosse教授。80年代以后，随着电子技术的发展，主动悬架系统得以真正实现。1982年, Lotus 公司就研制出有源主动悬架系统[8]，之后出现了阻尼可调的主动空气悬架系统。同时悬架在军用车辆上应用的研究也从很早就开始了。英国早在70年代就把主动悬架系统在运用坦克上进行试验，97年左右美国在布莱德利步兵战车上安装了半主动减振装置[1]，该减振装置是可控阀门式阻尼器。我国也于前些年在军用装甲车辆的悬架系统中应用了磁流变减振器。