汽车悬挂系统机电一体化控制技术的优化与发展

引言

随着汽车工业的不断发展，车辆的行驶安全性、乘坐舒适性以及操控性成为衡量汽车性能的重要指标，而汽车悬挂系统在其中扮演着关键角色。传统的机械悬挂系统由于其固有的局限性，已难以满足现代汽车对多性能指标协同优化的需求。

一、机电一体化控制策略的优化设计

1.1 传统控制算法的改进

传统控制算法在汽车悬挂系统机电一体化控制中，需针对其固有局限进行针对性改进。PID 控制作为经典算法，在悬挂系统中应用广泛，但系统的非线性特性使固定参数难以适应复杂工况。模糊控制算法凭借对复杂系统的调控能力在悬挂系统中占据一席之地，但其控制规则的合理性直接影响精度。可通过对不同路况分类，构建路况分类矩阵，将各类路况下的经验数据转化为更精准的控制规则。

1.2 智能控制算法的创新应用

智能控制算法为悬挂系统控制带来新突破，其创新应用显著提升了系统性能。神经网络模型在处理复杂非线性系统上优势明显，将其应用于悬挂系统动态建模效果显著。LSTM 网络作为能处理时序数据的神经网络，可有效利用运行过程中的时序路况数据。强化学习在多目标优化中表现出色，应用于悬挂系统控制可实现舒适性、操控性和能耗的平衡。

1.3 多系统协同控制方案

汽车悬挂系统并非独立运行，与其他系统的协同控制对提升整车性能至关重要。悬挂系统与 EPS 存在横纵向动力学耦合关系，二者协同可提高操控稳定性。车辆转向时，EPS 改变转向助力影响横向动力学特性，悬挂系统则影响车身姿态和轮胎接地性能。协同控制中，制动系统工作时，悬挂系统及时调整前后轮阻尼和刚度，抑制车身前倾，保持轮胎良好接地状态，根据制动强度和车辆姿态调整响应速度，配合制动系统实现平稳制动，减少车身波动。

二、系统集成与性能测试

2.1 硬件集成方案

硬件集成是机电一体化实现的基础，合理方案可确保系统稳定运行。传感器布置需综合考虑监测精度和响应速度，通过动力学分析确定车身与车轮相对位移、车身加速度、轮胎受力等关键监测点。执行器与机械结构的匹配性设计对系统性能至关重要。执行器输出特性需与机械结构动力学特性匹配，如磁流变减震器的阻尼调节范围应适应悬挂系统刚度特性，以实现有效振动控制。安装空间上，根据车辆整体结构优化执行器尺寸和位置，避免与其他部件干涉，通过动力学仿真验证连接强度和稳定性，确保长期工作中不会因振动等因素导致连接松动或损坏。

2.2 软件架构实现

软件架构是系统功能实现的核心，良好架构能保证高效运行和功能扩展。实时操作系统的任务调度策略是控制算法快速响应的关键，需根据任务优先级和实时性要求合理分配资源。故障诊断与容错控制模块设计能提升系统可靠性。在软件中植入故障诊断算法，实时监测传感器、执行器和控制单元工作状态，分析数据是否异常。标定软件开发为系统参数快速适配提供支持。

2.3 测试与验证

测试与验证是检验系统性能的重要环节，多种测试手段可确保其可靠性和有效性。台架测试在实验室环境下对悬挂系统进行性能标定，利用六自由度振动台模拟不同频率和振幅的振动，模拟各类路况振动输入。测试中安装设备采集车身加速度、轮胎接地压力、悬挂系统工作参数等关键指标，分析数据评估实际行驶中的舒适性、操控性和稳定性，观察系统长时间运行状态，检验耐久性和可靠性。测试二者的车身振动衰减程度、操控响应速度等指标，清晰展现机电一体化控制技术的提升效果，验证系统设计的合理性和先进性，根据对比结果总结优缺点，为后续改进提供方向。

三、发展趋势与应用展望

3.1 技术演进方向

智能、轻量和联网是汽车悬架机电一体化控制技术的智能方向。智能方面，一方面人工智能算法与仿生学结合应用，通过学习研究人类关节减振原理，形成悬挂自适应的结构，实现悬挂系统类似人体关节，按外界冲击自动调节刚度和阻尼；另一方面是材料轻量化的应用，碳纤维复合材料等新型材料特性强度和轻量化有利于机械结构部分大幅减轻质量降低耗能，微型执行器的研发及使用，也能达到控制质量不降时缩小体积和重量、节约安装空间、方便系统集成等优势；联网化趋势下，5G-V2X 可以为悬架协同控制提供有效的环境信息服务，利用 5G 高速率低时延的应用可以给车辆提供实时与道路基础设施和其他车辆进行信息共享，提前得到前方道路的路况信息、交通状况等。

3.2 产业化应用挑战

传感器及控制器等行业技术限制悬挂系统成本较高、可靠性不足以及标准体系不健全。由于系统中含有传感器、执行器等多种高精度零部件和控制器、ECU 等多个高级部件，其制造成本较为高昂，势必会影响系统的综合成本；因为恶劣的路况、瞬时极冷极热以及湿度、剧烈震动等因素均会影响悬挂的稳定性，为此悬挂系统的工作可靠性仍然需要不断提高，需要针对这种影响因素提出相应的设计优化要求，选取耐冷耐热、防锈蚀材料，增强各电子元件的抗震性，做好各部件的防水密封以及系统整体的密封设计，通过悬挂系统较长周期的耐久测试以发现运行环境中出现的缺陷，针对性地进行完善优化，保证悬挂能够在各种工况下正常工作；悬挂系统标准尚未制定。

3.3 未来研究热点

将从能量回收、数字孪生应用、自动驾驶场景匹配 3 个方向展开未来工作。将主要从能量回收式减振器效率上进行研究，减振器工作时会产生大量振动能量，能够高效转换为电能进行储存，这将具有良好的节能性。从数字孪生出发全生命周期的性能优化将在未来大幅改变传统减振器的开发维护方式，建立与实物系统相对应的数字虚拟模型实时反映真实系统的工作情况。从主动安全控制策略上适配自动驾驶场景也将是下一步发展应用的方向，自动驾驶车辆要依靠高度智能化的系统才能实现车辆的安全行驶，通过对车身传感器数据以及轮胎传感器信号的实时采集，在控制算法的支持下，协同自动驾驶系统进行综合信息的实时融合，合理分析决策车辆的加速、减速、变道和制动等操作意图，并利用决策判断指令为前路途的路面质量、曲线角及最小安全速度进行相应减振器系统的实时响应控制，确保车辆在自动避让时快速调整车身姿态，保证车身在自动行驶状态中的稳定性和驾乘的操控性。

结语

汽车悬挂系统机电一体化控制技术的发展对提升车辆性能意义重大。通过优化控制策略，包括改进传统算法、创新应用智能算法和构建多系统协同方案，显著提升了悬挂系统的控制精度、适应性和综合性能。系统集成与性能测试工作，从硬件集成、软件架构到多场景测试，确保了技术的可行性和可靠性，为实际应用奠定基础。

参考文献

[1] 邵洪星. 汽车悬挂系统机电一体化控制技术的优化与发展[J]. 汽车画刊，2024，（10）：77-79.

[2] 甘 华 权 ， 李 海 艳 . 汽 车 悬 挂 系 统 动 力 学 建 模 与 分 析 [J]. 机 电 工 程 技术，2022，51（08）：69-73.