被动悬架发展新方向

1、创新性产品设计 第 页 1 汽车被动悬架发展创新技术 汽车被动悬架发展创新技术汽车被动悬架发展创新技术 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器） 悬架部件的发展悬架部件的发展 两基本元件被动悬架（弹簧和阻尼）两基本元件被动悬架（弹簧和阻尼） 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件）三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件） 创新性产品设计 第 页 2 汽车被动悬架发展创新技术 悬架悬架 导向机构导向机构 金属弹簧金属弹簧 气体弹簧气体弹簧 摩擦式减振器摩擦式减振器 液力减振液力减振 器器 钢板弹簧钢板弹簧 螺旋弹簧螺旋弹簧 扭杆弹簧扭杆弹簧 空气弹簧空

2、气弹簧 油气弹簧油气弹簧 摇臂式减振器摇臂式减振器 筒式减振器筒式减振器 1 悬架部件的发展悬架部件的发展 弹性元件弹性元件 阻尼元件阻尼元件 创新性产品设计 第 页 3 汽车被动悬架发展创新技术 18世纪，法国人在车轮上首先 使用钢质弹簧悬架，那是一种扁平 状的单片弹簧。 1763年，美国的特雷德韦尔取 得螺旋弹簧悬架的第一个专利。 1804年，英国伦敦的奥巴代 亚艾略特发明了叶片弹簧悬架，但 只是简单地把一块块钢板叠起来夹 紧，再在两端与车子用钩环连接。 1878年，法国勒芒的大阿米 迪博利发明了采用片簧做前轮独立 悬架的装置。 福特福特T型车上的板簧型车上的板簧 1 悬架部件的发展悬架部

3、件的发展 创新性产品设计 第 页 4 汽车被动悬架发展创新技术 1897年，世界上第一个有记录的简单的 减振器由美国的吉明发明。 1898年，第一个实用的减振器由法国人 特鲁芬特安装到摩托赛车上。 1899年，美国一个名叫哈德福特的人制 成了特鲁芬特摩擦阻尼件的变型结构，并将 其装到他的奥斯莫比尔汽车上。这是汽车上 的第一个减振器。 1906年，美国一个名叫威廉布鲁什的年 轻人，首次将前螺旋弹簧和车轮上的减振器 结合在一起，以便吸收车轮的振动。他的这 种螺旋弹簧独立悬架应用在他的布鲁什两座 轻便小汽车上。 1908年，法国的霍迪立设计出第一个实 用的液压减振器。 摇臂式减振器摇臂式减振器 福特

4、福特T型车上的摇臂式减振型车上的摇臂式减振 器器 1 悬架部件的发展悬架部件的发展 创新性产品设计 第 页 5 汽车被动悬架发展创新技术 1909年，英国考文汽车厂研究成功第一 个以压缩空气作为弹簧的减振器。一个圆柱 形的空气筒，用压缩空气经上部气阀充入空 气筒，空气筒的下半部则容纳一个橡胶膜片， 其工作原理就象充气轮胎似的。但由于容易 漏气而未能推广。 1921年，美国的利兰汽车公司生产出第 一个使用扭杆弹簧悬架的汽车。后来，德国 的波尔舍将扭杆弹簧规格化，并推广应用。 1933年，第一个实用的空气弹簧悬架由 美国的费尔斯通公司研制成功，用在一辆试 验车上，以四个经过橡胶液浸渍处理的给皮 膜

5、气囊来代替传统的钢板弹簧，小型压缩机 与气囊连接并供给压缩气体。 1933年，美国的孟洛埃为赫德森汽车制 成第一个原始的双作用筒式液压减振器。 油气弹簧油气弹簧 扭杆弹簧扭杆弹簧 1 悬架部件的发展悬架部件的发展 创新性产品设计 第 页 6 汽车被动悬架发展创新技术 1934年，通用汽车公司等厂家再次推广 前轮螺旋弹簧悬挂，使前轮的弹跳都成为各 自独立。 1938年，美国别克汽车第一次把螺旋弹 簧应用到汽车后悬挂上。 1960年，通用公司的麦克弗逊研制成功 麦克弗逊柱式减振器。它由螺旋弹簧、液压 减振器和上悬挂臂杆组成一个紧凑的部件。 1982年，西德的本茨汽车公司率先在轿 车上装用多杆式悬挂

6、系统。这种悬挂能提高 汽车行驶的机动性能，在汽车起动及制动时 保持车体始终处于水平位置。多杆式悬挂系 统将成为轿车悬挂系统主流。 福特福特T型车上的螺旋弹型车上的螺旋弹 簧簧 麦克弗逊柱式减振器麦克弗逊柱式减振器 1 悬架部件的发展悬架部件的发展 创新性产品设计 第 页 7 汽车被动悬架发展创新技术 1906年，美国一个名叫威廉布鲁什的年轻 人，首次将前螺旋弹簧和车轮上的减振器结合 在一起，以便吸收车轮的振动。正是他的发明 奠定了现代车辆悬架系统的基础，引领悬架技 术走进了两基本元件（弹簧和阻尼）时代。 1 悬架部件的发展悬架部件的发展 创新性产品设计 第 页 8 汽车被动悬架发展创新技术 2

7、 两基本元件被动悬架（弹簧和阻尼）两基本元件被动悬架（弹簧和阻尼） (a) Voigt悬架悬架 (b) Maxwell悬架悬架(c) Maxwell悬架同弹簧并联悬架悬架同弹簧并联悬架(d) Voigt悬架同弹簧串联悬架悬架同弹簧串联悬架 (e) Voigt悬架同弹簧串联再与弹簧并联悬架悬架同弹簧串联再与弹簧并联悬架(f) Voigt悬架同弹簧串联再与悬架同弹簧串联再与Maxwell悬架并联悬架悬架并联悬架 为了挖掘传为了挖掘传 统被动悬架（统被动悬架（由由 弹簧和阻尼器并弹簧和阻尼器并 联组成）性能联组成）性能， 科研人员用各种科研人员用各种 方法对其参数进方法对其参数进 行优化，但进一行优

8、化，但进一 步提高其性能的步提高其性能的 潜力已接近极限。潜力已接近极限。 为了获得更好的乘坐舒适性和行驶安全性，为了获得更好的乘坐舒适性和行驶安全性， 人们曾尝试将弹簧和阻尼两基本元件进行不同的人们曾尝试将弹簧和阻尼两基本元件进行不同的 组合，形成新的悬架系统，并对这些不同形式的组合，形成新的悬架系统，并对这些不同形式的 悬架系统进行优化，但其性能提高有限。悬架系统进行优化，但其性能提高有限。 创新性产品设计 第 页 9 汽车被动悬架发展创新技术 3 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量质量元件元件） 雷诺车队雷诺车队2005年首次使年首次使 用了运动质量减振

9、器用了运动质量减振器(TMD), 在鼻锥处布置在鼻锥处布置9公斤的移动质公斤的移动质 量量 ，以抵消轮胎的自然振动，以抵消轮胎的自然振动 频率频率 。 2006年，国际汽车运动联合会年，国际汽车运动联合会 (FIA)决定因其空气动力效应而禁止决定因其空气动力效应而禁止 其使用，其实它同时还有存有安全其使用，其实它同时还有存有安全 性的问题。性的问题。 为了挖掘被动悬架的潜力，人们尝试将为了挖掘被动悬架的潜力，人们尝试将质量元件质量元件加入悬架系统，以改善悬架的性能。加入悬架系统，以改善悬架的性能。 创新性产品设计 第 页 10 汽车被动悬架发展创新技术 动力吸振器可以动力吸振器可以 改善轮胎和

10、车身改善轮胎和车身 在高频段的剧烈在高频段的剧烈 振动振动。 在惯容器出现之前，想要把在惯容器出现之前，想要把质量元件质量元件加入悬架来改善其性能，只能以加入悬架来改善其性能，只能以动力吸振器动力吸振器的的 形式，即把质量元件当作形式，即把质量元件当作吸振子吸振子应用到悬架中。应用到悬架中。 3 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量质量元件元件） 创新性产品设计 第 页 11 汽车被动悬架发展创新技术 质量元件质量元件 （吸振子）（吸振子） 吸收车吸收车 轮振动轮振动 能量能量 吸收车吸收车 身振动身振动 能量能量 DaimlerChrysler 专利专利 20

11、00年年 这里展示的是著名汽车公司戴姆勒这里展示的是著名汽车公司戴姆勒克莱克莱 斯勒的一种悬架专利技术，该种悬架采用级联斯勒的一种悬架专利技术，该种悬架采用级联 的方式将吸收车轮振动的一级和吸收车身振动的方式将吸收车轮振动的一级和吸收车身振动 的另一级串联起来，来改善车辆的行驶平顺性。的另一级串联起来，来改善车辆的行驶平顺性。 可以看到，可以看到，质量元件质量元件以以吸振子吸振子的形式存在。的形式存在。 3 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件质量元件） 创新性产品设计 第 页 12 汽车被动悬架发展创新技术 由弹簧、阻尼和质量元件构成被动悬架存在以下不足由

12、弹簧、阻尼和质量元件构成被动悬架存在以下不足： 1.质量元件只以吸振子的形式存在于在悬架中，布置不便； 2.如果所需的质量元件质量较大，会导致悬架过重； 3.性能改善有限。 人们期望找到一种类似于质量的元件具有下列优点：人们期望找到一种类似于质量的元件具有下列优点： 1.像弹簧和减振器那样布置方便； 2.轻巧，不会导致悬架过重； 3.能大幅改善悬架性能。 3 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件质量元件） 创新性产品设计 第 页 13 汽车被动悬架发展创新技术 4 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器惯容器） 4.1 惯容器

13、惯容器(Inerter)出现背景出现背景 4.1.1 “力力电流电流”对应相似关系对应相似关系 创新性产品设计 第 页 14 汽车被动悬架发展创新技术 4 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器惯容器） 4.1 惯容器惯容器(Inerter)出现背景出现背景 4.1.1 “力力电流电流”对应相似关系对应相似关系 电子网络中各基本量之间的关系电子网络中各基本量之间的关系 机械网络中各基本量之间的关系机械网络中各基本量之间的关系 创新性产品设计 第 页 15 汽车被动悬架发展创新技术 传统的传统的“力力电流电流”机电对应相似关系存在着机电对应相似关系存在着 弊端。在

14、这种对应关系中，力和电流是弊端。在这种对应关系中，力和电流是“流变流变 量量”(Through-variables)，速度和电压是，速度和电压是“跨变跨变 量量”(Across-variables)，质量、阻尼和弹簧分别与，质量、阻尼和弹簧分别与 电感、电阻和电容对应。机械元件中的阻尼和弹簧电感、电阻和电容对应。机械元件中的阻尼和弹簧 都具有两个独立、自由的端点，而质量元件的一个都具有两个独立、自由的端点，而质量元件的一个 端点是它的质心，另一个端点却是惯性参考系中的端点是它的质心，另一个端点却是惯性参考系中的 固定点，这使得质量元件只能和接地的电容相对应。固定点，这使得质量元件只能和接地的电

15、容相对应。 因此，这种对应关系是不严格的。因此，这种对应关系是不严格的。 质量元件与质量元件与 接地的电容对接地的电容对 应才是真实的。应才是真实的。 这种不严格的对这种不严格的对 应关系导致机械与电应关系导致机械与电 子网络之间不能严格子网络之间不能严格 地对应起来，使得机地对应起来，使得机 械网络不能像无源电械网络不能像无源电 子网络那样进行综合，子网络那样进行综合， 更谈不上网络的物理更谈不上网络的物理 实现了。实现了。这是机械网这是机械网 络发展严重滞后于电络发展严重滞后于电 子网络的客观因素之子网络的客观因素之 一。一。 4 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、

16、阻尼和惯容器惯容器） 4.1 惯容器惯容器(Inerter)出现背景出现背景 4.1.1 “力力电流电流”对应相似关系对应相似关系 创新性产品设计 第 页 16 汽车被动悬架发展创新技术 惯容器又称惯容器又称 为为惯性质量蓄能惯性质量蓄能 器或惯性蓄能器器或惯性蓄能器。 惯容器的出现，惯容器的出现， 在机械与电子网在机械与电子网 络之间建立起了络之间建立起了 严格的对应，使严格的对应，使 得机械网络可以得机械网络可以 像无源电子网络像无源电子网络 那样进行综合，那样进行综合， 可以用弹簧、阻可以用弹簧、阻 尼和惯容器来物尼和惯容器来物 理实现网络。理实现网络。 修正后的机械与电子元件对应关系修

17、正后的机械与电子元件对应关系 4 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器惯容器） 4.2 惯容器惯容器(Inerter)的创新思想的创新思想 创新性产品设计 第 页 17 汽车被动悬架发展创新技术 惯容器的优点和作用：惯容器的优点和作用： 惯容器的最大作用在于：惯容器的最大作用在于：它带来了机械网络研究方法的变革，以前机 械网络只能分析，不能综合，现在可以综合了。因为，所有的被动机 械阻抗都可以用弹簧、阻尼和惯容器这三个基本元件来实现了。 1.像弹簧和减振器那样布置方便； 2.质量较小； 3.解决低频振动与悬架动行程不能大这一矛盾。 4 三基本元件被动悬架（弹簧

18、、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器惯容器） 4.2 惯容器惯容器(Inerter)的创新思想的创新思想 创新性产品设计 第 页 18 汽车被动悬架发展创新技术 齿轮齿条惯容器工作原理图齿轮齿条惯容器工作原理图 12 齿轮齿条惯容器实体图齿轮齿条惯容器实体图 当等大反向的力当等大反向的力 沿齿条方向施加于两沿齿条方向施加于两 端点时，端点端点时，端点1相对相对 于端点于端点2做直线运动，做直线运动， 产生相对位移，由齿产生相对位移，由齿 条驱动小齿轮和大齿条驱动小齿轮和大齿 轮旋转，从而驱动飞轮旋转，从而驱动飞 轮旋转。轮旋转。 4 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架

19、（弹簧、阻尼和惯容器惯容器） 4.2 惯容器惯容器(Inerter)的的创新思想创新思想 4.2.1 齿轮齿条惯容器齿轮齿条惯容器 惯容器惯惯容器惯 容的单位为容的单位为kg， 惯容通常是飞惯容通常是飞 轮质量的几百轮质量的几百 倍，因此惯容倍，因此惯容 器的质量很小器的质量很小 却能表现出巨却能表现出巨 大的惯性。大的惯性。 创新性产品设计 第 页 19 汽车被动悬架发展创新技术 滚珠丝杠惯容器工作原理图滚珠丝杠惯容器工作原理图 12 滚珠丝杠惯容器实体图滚珠丝杠惯容器实体图 当等大反向的力沿当等大反向的力沿 轴向施加于端点时，端轴向施加于端点时，端 点点1相对于端点相对于端点2做直线做直线 运动，产生相对位移，运动，产生相对位移， 螺母和丝杠将直线运动螺母和丝杠将直线运动 转化螺母的旋转运动，转化螺母的旋转运动， 由螺母驱动飞轮旋转。由螺母驱动飞轮旋转。 4 三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器惯容器） 4.2 惯容器惯容器(Inerter)的的创新思想创新思想 4.2.2 滚珠丝杠惯容器滚珠丝杠惯容器 创新性产品设计 第 页 20 汽车被动悬架发展创新技术 液力惯容器工作原理图液力惯容器工作原理图 液力惯容器实体图液力惯容器实体图 4 三基本元件被动悬架（弹簧