汽车悬架研究现状及发展趋势

- -35 2010 年第 22 期 （总第 157 期） NO.22.2010 （CumulativetyNO.157） 摘要： 文章通过回顾汽车悬架的发展历史和现状， 着重分析了 悬架的工作原理， 讨论了各种悬架的优缺点， 并对未来悬架的 发展做出了预测。 关键词： 汽车悬架； 汽车部件； 主动悬梁 中图分类号： U463 文献标识码： A 文章编号： 1009-2374 （2010） 22-0035-02 悬架是汽车上的重要总成之一， 它把车身和车弹性地连 接在一起。汽车悬架是车身和车轮之间的一切传力连接装置 的总称。一般由弹性元件、 减振器和导向元件组成。在汽车 行驶过程中， 悬架的作用是弹性地连接车桥和车架， 减缓行驶 中车辆受到由路面不平引起的冲击力， 保证乘坐舒适和货物 完好， 迅速衰减由于弹性系统引起的振动， 传递垂直、 纵向、 侧 向反力及其力矩， 并起导向作用， 使车轮按一定轨迹相对车身 运动。悬架决定着汽车的稳定性、 舒适性和安全性， 是现代汽 车十分重要的部件之一。 1 悬架的种类和工作原理 根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变 化， 可分为被动悬架、 半主动悬架和主动悬架 ( 三种悬架的模 型图如图 1 所示 )， 半主动悬架还可以按阻尼级分为有级式 和无级式两类。传统的悬架系统的刚度和阻尼系数， 是按经 验设计或优化设计方法选择的， 一经选定后， 在车辆行驶过程 中， 就无法进行调节， 因此其减振性能的进一步提高受到限 制， 这种悬架称为被动悬架。为了克服被动悬架的缺陷， 国外 在 20 世纪 60 年代就提出了主动悬架的概念， 主动悬架就是 由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一 个闭环控制系统， 根据车辆的运动状态和路面状况主动作出 反应， 以抑制车体的运动， 使悬架始终处于最优减振状态。所 以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变 化进行动态自适应调节。因此， 系统必须是有源的。半主动 悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成。 在车辆悬架中， 弹性元件除了吸收和存贮能量外， 还得承 受车身重量及载荷， 因此， 半主动悬架不考虑改变悬架的刚度 而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单， 在工 作时， 几乎不消耗车辆动力， 又能获得与主动悬架相近的性 能， 故应用较广。 由于路面输入的随机性， 车辆悬架阻尼的控制属于自适 应控制， 即所设计的系统在输入或干扰发生大范围的变化时， 能自适应环境， 调节系统参数， 使输出仍能被有效控制， 达到 设计要求。它不同于一般的反馈控制系统， 因为它处理的具 有 “不确定性” 的反馈信息。 自适应控制系统按其原理不同， 可分为校正调节器和模 型参考自适应控制系统两大类。由于要建立一个精确的 “车 辆地面” 系统模型还很困难， 故目前的主动悬架， 多采用自 校正调节器。 虽然现代汽车的悬架种类较多， 结构差异较大， 但一般由 弹性元件、 减振元件和导向构件组成。工作原理是： 当汽车轮 胎受到冲击时， 弹性元件对冲击进行缓冲， 防止对汽车构件和 人员造成损伤。但弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振 动， 容易使驾驶员疲劳。故减振元件应快速衰减振动。当车 轮受到冲击而跳动时， 应使其运动轨迹符合一定的要求， 否则 会降低汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。导向构件在传力的 同时， 必须对方向进行控制。 2 悬架的发展历史和现状 科技进步是人类永恒的追求。在马车出现的时候， 为了 乘坐更舒适， 人类就开始对马车的悬架叶片弹簧进行孜孜 不倦的探索。在 1776 年， 马车用的叶片弹簧取得了专利， 并 且一直使用到 20 世纪 30 年代， 叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧 代替。汽车诞生后， 随着对悬架研究的深入， 相继出现了扭杆 弹簧、 气体弹簧、 橡胶弹簧、 钢板弹簧等弹性件。1934 年世界 上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的 参数根据经验或优化设计的方法确定， 在行驶过程中保持不 汽车悬架研究现状及发展趋势 徐贵清 （山东省高密市交通运输局， 山东 高密 261500） 图 1 三种悬架的模型图 - -36 变。它是一系列路况的折中， 很难适应各种复杂路况， 减振的 效果较差。为了克服这种缺陷， 采用了非线性刚度弹簧和车 身高度调节的方法， 虽然有一定成效， 但无法根除被动悬架的 弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上， 现代轿车的前悬 架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架， 比如桑塔纳、 夏 利、 赛欧等车， 后悬架的选择较多， 主要有复合式纵摆臂悬架 和多连杆悬架等。 半主动悬架的研究工作开始于 1973 年， 由 D.A.Crosby 和 D.C.Karnopp 首先提出。半主动悬架以改变悬架的阻尼为 主， 一般较少考虑改变悬架的刚度。工作原理是： 根据簧上质 量相对车轮的速度响应、 加速度响应等反馈信号， 按照一定的 控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度。半主动悬架产生力的 方式与被动悬架相似， 但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调 整， 这和主动悬架极为相似。有级式半主动悬架是将阻尼分成 几级， 阻尼级由驾驶员根据 “路感” 选择或由传感器信号自动 选择； 无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状 态， 对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节。由 于半主动悬架结构较简单， 工作时不需要消耗车辆的动力， 而 且可取得与主动悬架相近的性能， 具有广阔的发展空间。 随着道路交通的不断发展， 汽车车速有了很大的提高， 被 动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈， 为此人们开发 了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是 1954 年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的。它在 被动悬架的基础上， 增加可调节刚度和阻尼的控制装置， 使汽 车的悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。控制装置通常 由测量系统、 反馈控制系统、 能源系统等组成。20 世纪 80 年 代， 世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种 悬架。奔驰、 沃尔沃、 洛特斯、 丰田等在汽车上进行了较为成 功的试验。装备主动悬架的汽车， 在不良路面高速行驶时， 车 身非常平稳， 轮胎的噪音小， 转向和制动时车身保持水平。其 特点是乘坐非常舒服， 但不同程度存在着结构复杂、 能耗高、 成本昂贵、 可靠性问题。 由于种种原因， 我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在 半主动和主动悬架的研究方面起步晚， 与国外的差距大。在 西方发达国家， 半主动悬架在 20 世纪 80 年代后期趋于成熟， 福特公司和日产公司首先在轿车上应用， 取得了较好的效果。 主动悬架虽然提出早， 但由于控制复杂， 并且牵涉到许多学 科， 一直很难有大的突破。进入 20 世纪 90 年代， 仍仅应用 于排气量大的豪华汽车。未见国内汽车产品采用此技术的报 道， 只有北京理工大学和同济大学等少数几个研究机构对主 动悬架展开研究。 3 悬架的发展趋势 由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求， 具有安全、 智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。 (1)被动悬架是传统的机械结构， 刚度和阻尼都是不可调 的， 依照随机振动理论， 它只能保证在特定的路况下达到较好 效果。但它的理论成熟、 结构简单、 性能可靠、 成本相对低廉 且不需额外能量， 因而应用最为广泛。在我国现阶段， 仍然有 较高的研究价值。 被动悬架性能的研究主要集中在三个方面： 通过对汽车进行受力分析后， 建立数学模型， 然后再用计算机 仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数； 研究可变刚度弹 簧和可变阻尼的减振器， 使悬架在绝大部分路况上保持良好 的运行状态； 研究导向机构， 使汽车悬架在满足平顺性的前提 下， 稳定性有较大的提高。 (2) 半主动悬架的研究集中在两个方面： 执行策略的研 究； 执行器的研究。阻尼可调减振器主要有两种， 一种是通过 改变节流孔的大小调节阻尼； 一种是通过改变减振液的粘性 调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有 级或无级的调节， 这种方法成本较高， 结构复杂。通过改变减 振液的粘性来改变阻尼系数， 具有结构简单、 成本低、 无噪音 和冲击等特点， 因此是目前发展的主要方向。 (3) 主动悬架研究也集中在两个方面： 可靠性； 执行器。 由于主动悬架采用了大量的传感器、 单片机、 输出输入电路和 各种接口， 由于元器件较多， 降低了悬架的可靠性， 所以， 加大 元件的集成程度， 是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主 要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服 电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点， 今后将会取 代液压执行机构。运用电磁蓄能原理， 结合参数估计自校正 控制器， 可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动 悬架， 使主动悬架由理论研究转化为实际应用。 4 结论 总体来说， 主动悬架的减振效果好， 性能优越， 解决了 “平 顺性和操纵稳定性” 的矛盾。但元件成本较高， 工作时需要 较多的能量， 整车质量也有所增加， 因此主动悬架会大大增加 成本和能量消耗； 半主动悬架的减振性能接近主动悬架， 操纵 稳定性优于被动悬架。性能可靠， 调节方便的可调阻尼减振 器和算法简单有效的控制策略将是半主动悬架发展的必经之 路。被动悬架的性能相对最差， 但它的成本最低， 也不需消耗 能量。被动悬架在一定的时间内仍将是应用最广泛的悬架系 统， 通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。 悬架技术的技术创新和相关学科的发展密切相关。先进 的计算机技术、 自动控制技术、 模糊控制、 神经网络、 先进制造 技术、 运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。 同时， 悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求， 二 者相辅相成， 相互促进， 从而实现真正的可持续发展。 参考文献 1 肖生发， 罗永革， 陶健民， 等汽车工程学基础 M北京： 人民交通出版社， 2003. 2 陈家瑞汽车构造 M北京： 人民交通出版社， 2003. 3 王慧文， 孙晓娟， 张伟 汽车悬架控制技术的发展J 森林 工程， 1998，（1） . 4 孙建民， 孙凤英汽车悬架系统的发展及控制技术研究现 状 J黑龙江工程学院学报， 2001，（1） . 5 陈兵 车辆智能悬架系统发展趋势研究J 起重运输机械， 2005，（6） . 6 DEL J M.