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基于SMC的钢板弹簧悬架半主动控制
摘要：板簧悬架由于其承载能力大，操纵稳定性好，成本低的特点，是公路车辆中最常见的重型悬架。传统板簧悬挂的缺点包括了舒适性的不足和缺乏灵活性的悬架设计。本文采用常规叶弹簧悬架嵌入半主动控制。建立了两自由度主动悬架的动力学模型分析，并用半主动板簧悬架作为参考模型。并且使用虚拟样机，将全功能重型牵引半挂车牵引车在动力学仿真软件中进行建立与组装。半主动钢板弹簧悬架采用滑模控制控制，跟随车身动态性能悬浮。以一个颠簸的道路进行测试，从而验证所提出的半主动钢板弹簧的性能悬浮。结果表明，半主动钢板弹簧悬架可以提高重型牵引半挂车牵引车的乘坐舒适性。
关键词：钢板弹簧，重型汽车，半主动控制，滑模控制
1引言
板簧悬架由于其承载能力大，操纵稳定性好，成本低的特点，是公路车辆中最常见的重型悬架。
一般车辆悬架设计已折中道路操控性，承载和乘客舒适性这三种互相冲突的元素。
悬架必须为车辆提供支持，提供操纵过程中的方向控制，提供有效隔离乘客/载重与道路间的干扰。良好的乘坐舒适性要求柔软悬架，然而负载要求刚性悬挂。良好的设计处理需要在这两点中寻找一个平衡点。
悬架设计很大程度上取决于这种车辆被设计用来做什么。主动悬架被认为是增加设计自由性的一种方式，它在载重，操控和乘坐质量中有着很大的独立性。在最重车辆里，悬架是通过层压钢板弹簧制作而成，但某些特殊用途橡胶或空气可以使用作为悬浮介质。乘用车经常使用一些形式的空气悬架以提供额外的乘客舒适性，但导致了了成本的增加[ 1-3 ]。
汽车钢板弹簧是十分重要的。大家知道钢板弹簧是由许多具有弹性、宽厚一致，而且长短不一的钢片所组成的。其作用是把车架与车桥用悬挂的形式连接在一起，裸露在车架与车桥之间，承受车轮对车架的载荷冲击，消减车身的剧烈振动，保持车辆行驶的平稳性和对不同路况的适应性。
钢板弹簧在承受载荷冲击时形成伸展运动，钢片与钢片之间产生强烈摩擦，也就是产生挤压拉伸现象，两个摩擦表面又产生两个不同方向的运动摩擦力，造成钢板弹簧温度升度，出现表面拉伤，呈现出细小的烈纹，在载荷冲击频率增大的同时，伸展运动所产生的摩擦运动力也在增大，在应力集中点达到疲劳极限就会造成单片或整垛断裂。
根据运动力学的原理试验证明：一个做压伸运动的钢件，在运动频率增大时钢件的温度升高，强度下降，在应力集中点出现烈纹并逐渐扩大和加深，到了疲劳极限就会损坏。钢板弹簧也同样如此，只是它具有较高的弹性，比一般钢件耐久。钢板弹簧断裂除了其它原因之外，主要的原因就是润滑不良而造成的，应该引起驾驶员和技术管理人员的重视，及时做好钢板弹簧的润滑工作。以便减少摩擦分散应力，防止钢片表面拉伤；减少灰尘、泥土及水的侵入，防止锈蚀；还有散热降温，防止弹性强度下降
传统板簧悬挂的缺点包括了舒适性的不足和缺乏灵活性的悬架设计。更现代的设计是使用抛物线型钢板弹簧。这种设计的特点是使用更少的钢板弹簧片，并且这些钢板弹簧片的厚度从中心到两端依据抛物线曲线的变化而变化。
钢板弹簧用于吸收冲击能量，减少传递给身体的振动，但它只能部分耗散能量。为实现剩下那部分震动的吸收需要用到减震器。减震器还可以被称为阻尼器。没有减震器的弹簧将反弹吸收的能量，然后继续反弹、反弹，直到能量分散。这会导致乘坐时过于颠簸并且毫无舒适性可言。冲击吸收器通过阻尼来控制弹跳运动。
重型车辆，特别是半挂车的牵引车现在广泛用于长途运输，我国加入WTO后，港口运输量日益增大，为半挂牵引车的发展提供了机遇，近年来，该车型发展很快。在旧分类中，半挂牵引车是列入载货汽车统计的，没有单独列出，新分类是作为商用车的一大类单独列出的。据中国汽车工业协会统计，2007年，半挂牵引车延续了上年高速增长的发展态势，累计销售17.78万辆，同比增长91.86%，增幅高于商用车行业69.61个百分点。此外，与上年相比，半挂牵引车各品种均呈现明显增长。
如图1所示。有休息舱的牵引半挂车牵引车通常首选，因为事实上许多司机在路上花费大量的时间，休息舱的卧铺允许司机在半挂车牵引车内休息，而不必花费额外酒店的钱。休息舱有时包含许多有用的设施，如电视，电脑，甚至一个小厨房用具用于做饭或加热食物。
图一、带休息仓的半挂车半挂车牵引车
显然，传统的钢板弹簧的平顺性甚至抛物线钢板弹簧都很难满足不断增长的重型卡车需求。因此，在成本不会大幅增加的前提下设计出可以提高乘坐性能的弹簧悬架的重型车辆是迫在眉睫的。
在本文中，钢板弹簧悬架半主动控制被设计出设计以改善重型车辆的乘坐性能.引入主动悬架从而为半主动悬架提供最佳参考信号和车身速度。滑模控制设计用于控制半主动悬架跟随主动悬架性能。利用多体方法：在ADAMS/车内建立半挂车牵引车模型。这个悬架由钢板弹簧和可变激波组成吸收剂。仿真结果表明，半主动本文提出的钢板弹簧悬架有着良好的性能。
2.主动悬架模型
车辆悬架系统通常分为三种：被动，半主动和主动悬架系统。被动悬架包括储能元件（即弹簧）和耗能元件（即阻尼器）。由于这两个元件不能给系统增加能量，这种悬架系统称为无源系统。在主动悬架系统中，原被动系统中的阻尼器被替换为力致动器，由ECU控制。
传感器连续监测车身和车轮的运行状况。基于传感器获得的信号和规定的控制策略，在执行器中的力被调制，以实现改进的平顺性和处理。应当指出的是，主动悬架系统需要外部电源的功能，其复杂性，可靠性，成本和重量也需被考量。
主动悬架，首先要引入的是它使用单独的力致动器，可以给悬架施加一个独立的力，以改善乘坐特性。这种设计的缺点是高成本（至少在今天），增加设备的复杂性/质量，且其操作的实现需要相当频繁的维护和维修。维护也是可能是有问题的，因为只有工厂授权的经销商才有工具和器械并知道如何操作这个系统，有些问题将很难可靠地诊断。
因此，该系统在许多驾驶情况下几乎消除了车身侧倾和俯仰变化，包括转弯，加速和制动。这项技术允许汽车制造商实现更高程度的乘坐质量和汽车的处理，保持轮胎的角度垂直于道路，允许更高水平的抓地力和控制。车载计算机检测来自整个车辆的传感器的身体运动，并使用定时控制技术计算的数据，控制悬架的动作。
主动悬架通常简化为两自由度悬架模型（如图2所示），并在方程（1）状态空间模型描述【4-5】。
（1）
其中
在方程（1），X是二自由度主动悬架系统的状态矩阵，包括悬架簧载质量的速度，轮胎变形，和簧下质量速度。A、B是系数矩阵。力u是由车轮和身体之间的力致动器。力可以通过ECU来调节。u可以用最优算法计算，如LQR（线性二次型调节器）。
由于悬架必须在舒适性和车辆操控性二者间折中处理，标准可以表示为下式：
(2)
其中
如果所有的状态变量是可以测量的，那么可控最优输入为：
(3)
其中P是Riccati方程的解，可以从下面的方程中求解，
(4)
因此，反馈增益矩阵K根据上述方程可解出。
主动悬架是作为参考模型，然后采用滑模控制的半主动钢板弹簧悬架。
3半主动悬架模型
车辆行驶本质上是与车辆的垂直动力学（反弹，俯仰，侧倾）相联系，而操控性关乎横向动力学（侧滑，偏航，侧倾）。乘坐模型通常是由相互连接的弹簧-质量-阻尼器系统和一组常微分方程定义，这就是车辆悬架系统。
钢板弹簧的结构是吸收冲击能量，减少传递给人体的振动，部分耗散能量。因此，钢板弹簧可以简化为弹簧和阻尼器，如图3所示。
图三、简化为弹簧和阻尼器的板簧悬架
为了降低复杂性和成本，同时提高了平顺性和操控性的半主动悬架的概念已经出现。在这种悬架系统中，被动悬架弹簧被保留，而阻尼器的阻尼力可以根据操作条件调节。图4是一个半主动悬架系统的示意图。
当装有半主动悬架系统的车辆行驶在不平路面上时，轮胎和路面的接触面上的垂直载荷保持在适当的水平，这样车辆的稳定性就可以在转向、制动和行驶中得到保证。此外，当车辆行驶时，从路面产生的不规则冲击被有效吸收，从而使乘客和驾驶员能够获得乘坐舒适性和驾驶操控性。
4滑模控制
滑模控制是一种变结构控制，其中通过高频开关控制的应用来达成非线性系统的动态改变。在本文中，滑模控制被用来驱动并且限制半主动悬架及安装在附近的主动悬架以控制车身速度性能。这种方法有两个主要优点。首先，系统的动态行为，可以根据选择特定的开关以达成不同的功能。其次，闭环响应会让特定的不确定性变得完全对系统无影响。此外，直接指定性能的能力，使滑模控制有吸引力的设计角度。这种设计方法由两部分组成。首先，涉及的开关功能的设计，使滑动运动满足设计规范。第二个是保守的控制律的选择，这将使开关功能有吸引力的系统状态。
在本文中，设计控制器u 用的是比例开关法[6]。
（5）
式中S是开关函数，E是测量体速度X2与期望体速度之间的误差，alpha;和beta;为常数且大于零。SGN是符号函数，所以有
5虚拟样机技术
为了测试半主动悬架系统的性能，我们在ADAMS/CAR和Simulink中进行了动态分析。完整的车辆在ADAMS/CAR中组装，如图5所示。虚拟样机模型由梁板簧、动力总成、刚性驾驶室、制动和转向等十六个子系统组成。
图5、重载半挂车牵引车
图6、滑动模式控制方案
半主动控制系统的设计仿真，如图6所示。有从虚拟样机模型输入的八个变量（输出在ADAMS中可调）。它们是四个阻尼器的位移和四个轮子的加速度。有四个输出变量，即控制系统中的四个阻尼器的力量，这也是可以在ADAMS中可调节的变量。
最好的选择之一是使用正弦扫描构建的道路测试半主动悬架的性能。测试虚拟样机模型的正弦扫描路径如图7所示。图8是试验路的地面标高。
路面标高（m）
图8、路面标高
本文仅就车辆平顺性。进行测试，其中重型半挂车牵引车行驶时速为60公里/小时。正弦扫描道路是由虚拟样机模型的输入信号。
6仿真结果
在半主动悬架实验进行实地测试之前进行了一个虚拟仿真以验证半主动悬架的有效性。为了澄清建议的控制器的影响，车辆动态在有控制器与没有控制器的情况下都做了记录。
图9、车辆离地高度
图10、车辆垂直加速度（g）
图11、左后悬架减震力
图12、左后悬架钢板弹簧力
有着四片板簧悬架重型半挂车牵引车被加速到60公里/小时，并开始执行正弦扫描道路试验。图9，图10，图11，图12显示正弦扫描道路试验的模拟结果，速度为60公里/小时。
图9给出了传统的悬架和半主动悬架速度为60公里/小时的车辆俯仰的时间响应。可以明确看出，车辆离地间隙显着降低。车辆半主动悬架的垂直加速度响应也可以在图10中发现衰减。
图11和图12所示的阻尼力和钢板弹簧力增加后的正弦扫路的影响。
显然，半主动叶悬架可以提高车辆平顺性。由于半主动悬架可以消除掉大部分的冲击能量，车辆可以有着更加优秀的乘坐舒适性。
7结论
板簧悬架由于其承载能力大，操纵稳定性好，成本低的特点，是公路车辆中最常见的重型悬架。传统板簧悬挂的缺点包括了舒适性的不足和缺乏灵活性的悬架设计。本文采用常规叶弹簧悬架嵌入半主动控制。建立了两自由度主动悬架的动力学模型分析，并用半主动板簧悬架作为参考模型。并且使用虚拟样机，将全功能重型牵引半挂车牵引车在动力学仿真软件中进行建立与组装。半主动钢板弹簧悬架采用滑模控制控制，跟随车身动态性能悬浮。以一个颠簸的道路进行测试，从而验证所提出的半主动钢板弹簧的性能悬浮。结果表明，半主动钢板弹簧悬架可以提高重型牵引半挂车牵引车的乘坐舒适性。
本文提出了一种基于半主动控制方法的重型汽车板簧，以获得更好的乘坐舒适性。一二自由度主动悬架的设计和研究，作为参考模型的半主动控制的钢板弹簧悬架。结果表明，该系统清楚地提高了重型卡车的乘坐性能。
板簧悬架由于其承载能力大，操纵稳定性好，成本低的特点，是公路车辆中最常见的重型悬架。
一般车辆悬架设计已折中道路操控性，承载和乘客舒适性这三种互相冲突的元素。
悬架必须为车辆提供支持，提供操纵过程中的方向控制，提供有效隔离乘客/载重与道路间的干扰。良好的乘坐舒适性要求柔软悬架，然而负载要求刚性悬挂。良好的设计处理需要在这两点中寻找一个平衡点。
对半主动钢板弹簧悬架系统的滑模控制方法进行了深入的研究，提高了叶片悬架在时域和频域的平顺性。
参考文献
- D. J. Leeming and R. Hartley, Heavy Vehicle Technology, Nelson Thornes Ltd, Cheltenham, United Kingdom, 1981.
- G Tsampardoukas, C W Stammers and E Guglielmino,
Semi-active control of a passen
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