第6章 汽车的平顺性6-

6.6.1悬架的类型6.6.2悬架的控制原理6.6半主动悬架和主动悬架的控制原理6.6.1悬架的类型

按悬架的控制结构和原理，悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。

被动悬架：它的性能是预先设定好的，在汽车行驶过程中不能根据实际路况对悬架的性能(刚度、阻尼、车身角度和高度等)进行调整，也无法调整，无法做到在多种工况下都实现最佳的行驶平顺性和操纵稳定性。半主动悬架：不考虑改变悬架的刚度,只考虑改变悬架阻尼来调节悬架的减振性能,其调节装置主要由无动力源的可控的阻尼元件组成。双向作用筒减振器的被动悬架电流变减振器的半主动悬架6.6.1悬架的类型

主动悬架：可以根据汽车的运动状态和路面状况,动态自适应、适时地调节悬架的刚度和阻尼,使其处于最佳减振、缓冲状态。主动悬架为有动力源悬架。主动悬架分为慢主动悬架和全主动悬架。慢主动悬架：通常用油气弹簧或称液气弹簧，或用空气弹簧，此系统在5Hz~6Hz（低频）以下可实现有限带宽的主动控制，高于此频率则控制阀不再响应，恢复为被动悬架，因为被动悬架在高频时隔振效果比较好。

全主动悬架：主动弹簧和主动减振器的带宽一般至少覆盖0~15Hz，能有效跟踪力控制信号。为了少能量消耗，一般主动弹簧和主动减振器与一个承受车身静载的弹簧并联，主动减振器为磁流变等减振器。主动悬架6.6.2悬架的控制原理

1悬架控制的模型悬架控制的模型为车身与车轮双质量系统，如图6-7所示，车身与车轮双质量系统的运动微分方程仍为式（6-48）和式（6-49），双质量系统车身垂直位移对路面不平度的幅频特性仍为式（6-57）。

悬架的控制是控制悬架的弹簧刚度和减振器的阻尼，控制的目标是降低车身振动的振幅,且要避免共振。图6-7车身—车轮双自由度振动模型6.6.2悬架的控制原理

2被动悬架的控制原理

设车身与车轮双质量系统的参数如下：，，和。根据式（6-57），得被动悬架和半主动悬的双质量系统车身垂直位移对路面不平度的幅频特性，如图6-17所示。图6-17被动悬架和半主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理

被动悬架的控制原理：当时，幅频特性按曲线、随频率比变化；频率比，固有频率是一定的，频率比随激振力频率变化，根据式（6-35），路面激振力频率与车速u成正比，进一步得频率比随车速u变化。被动悬架的刚度和阻尼是在设计时确定的，汽车行驶时，不能改变悬架的刚度和阻尼，相应的车身的幅频特性曲线不变。因此，被动悬架只有通过悬架设计，取较优的悬架的刚度和阻尼等设计参数，进一步得到较优的车身的幅频特性曲线，控制车身的振动，另在汽车行驶时，通车速u控制车身的振动。图6-17被动悬架和半主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理半主动悬架降低共区域幅频特性的控制原理：当采用阻尼系数分段有级或无级变化的减振器时，悬架为半动悬架，阻尼比分段有级变化。当汽车的频率比约为1时，汽车在第一个共振峰工作，如通过有级或无级阻尼可调式减振器，将阻尼比由调到，则幅频特性由的峰值（）调至的峰值（）附近，可有效降低车身的振幅比及振幅，提高汽车行驶的平顺性。图6-17被动悬架和半主动悬的双质量系统对的幅频特性3.半主动悬架的控制原理6.6.2悬架的控制原理半主动悬架几乎没有改变非共振区域幅频特性值的能力：当汽车的频率比为5时，汽车在第两个共振峰之间工作，如通过有级或无级阻尼可调式减振器，将阻尼比由调到，则幅频特性由降低到，降低了0.0108，的值几乎不变，半动悬架几乎没有改变幅频特性的值，在其他非共振区域亦如此。图6-17被动悬架和半主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理由上面分析可知，半主动悬架通过改变减振器的阻尼减振，主要降低共振区的幅频特性的值，在其他非共振区域，半动悬架几乎没有改变幅频特性值的能力；此外，半主动悬架不改变频率比及所在的共振区域或非共振区域；由于弹簧的刚度不变，半主动悬架不改变车身静态平衡点的位置。图6-17被动悬架和半主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理1）共振区主动悬架控制弹簧的刚度降低车身振幅的原理当悬架弹簧的刚度k没有降低时，根据的幅频特性，在频率比时，取得的幅频特性曲线的峰值，激振频率为。当悬架弹簧的刚度k降低时，根据的幅频特性，仍在频率比时，取得的幅频特性曲线的峰值；由于激振频率不变，车身的质量不变，车身系统的固有频率由于悬架弹簧的刚度k降低而减小，与激振频率对应的频率比增大，相应的的幅频特性值小于其峰值，离开共振峰，降低了车身振幅，提高了汽车行驶的平顺性。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理若取悬架弹簧的刚度为，悬架弹簧的刚度降低，弹簧的刚度比，再取，和，再取参数与绘制图6-17所用的参数相同，根据式（6-57），可绘得悬架弹簧的刚度k降低后的和的的幅频特性曲线，如图6-18所示。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理根据激振频率不变，，得悬架弹簧的刚度k降低后的频率比，为悬架弹簧的刚度k降低后的固有频率。在图6-18上作的直线，与和的的幅频特性曲线分别相交于a、b点，得a点的，b点的。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理当悬架弹簧的刚度k没有降低时，汽车的频率比约为1时，汽车在的幅频特性第一个峰值工作，

，见图6-17。如果可通过泄油将油气弹簧的刚度降低，或通过泄气将空气弹簧的刚度降低，使悬架弹簧的刚度变为，相应的车身固有频率发生了变化，频率比由约为1调到，则幅频特性由图6-17中的的幅频特性第一个峰值调至图6-18中a点的

，幅频特性的值降低了1.5475，可有效地降低车身的振幅，提高汽车行驶的平顺性。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理

2）共振区主动悬架控制弹簧的刚度和减振器的阻尼降低车身振幅的原理如在悬架弹簧的刚度k降低到的基础上，再通过有级或无级阻尼可调式减振器，将阻尼比由调到，增大阻尼，则幅频特性值由图6-18中a点的调至b点的，幅频特性的值又降低了0.4701，进一步降低车身的振幅，提高汽车行驶的平顺性。

通过降低悬架弹簧的刚度k和增大阻尼，幅频特性的值共降低了2.0176，因此，同时降低悬架弹簧的刚度k和增大阻尼，比单独降低悬架弹簧的刚度k或单独增大阻尼，更能有效地提高汽车行驶的平顺性。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理

3）高频非共振区主动悬架控制弹簧的刚度和减振器的阻尼降低车身振幅的原理

当汽车的频率比为4.7时，汽车在第两个共振峰之间工作，如通过油气弹簧或空气弹簧降低弹簧的刚度，先使频率比变为4.7，则幅频特性由

降低到，降低0.0110；再通过阻尼可调式减振器，将阻尼比由调到，则幅频特性再由降低到，降低0.0133；主动悬架使幅频特性共降低0.0243，有较小地减小幅频特性值的效果，在其他高频非共振区域亦如此。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理

4）低频非共振区主动悬架控制车身高度的原理在低频非共振区，且稍大于1，车身随地面不平度产生高度变化，悬架弹簧和减振器的两端基本没有相对运动，基本没起作用，悬架近似为刚体，在这种情况下，为了提高汽车行驶的平顺性，可通过油气弹簧或空气弹簧压力的变化，改变弹簧的刚度，使悬架高度变化，减小车身的振幅，提高汽车行驶的平顺性。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.6.2悬架的控制原理

5）主动悬架的智能控制原理

根据式（6-58），是的倍，可通过车身上的加速度传感器获得时域信号，再经傅氏变换得及其变化；再通过车身上的加速度传感器获得激振频率，用除以得，再根据的值及其变化，判别车身的振动是在共振区还是在非共振区，再自适应智能控制车身的振动，使汽车有良好的平顺性。图6-18主动悬的双质量系统对的幅频特性6.7.1“人体—座椅”系统对路面不平度的幅频特性6.7.2“人体—座椅”系统的振动参数选择及控制6.7“人体—座椅”系统的振动分析“人体—座椅”系统6.7.1“人体—座椅”系统对路面不平度的幅频特性

将人体简化为一个质量系统ms，它与座椅的弹簧、阻尼元件构成人体—座椅的单自由度振动子系统，简称“人体—座椅”系统。座椅在车身上，“人体—座椅”系统与车身、车轮及其弹簧、阻尼元件共同构成人体—车身—车轮的三自由度的振动系统，也即在图6-7车身—车轮双自由度（双质量系统）振动模型的基础上增加“人体—座椅”系统模型，如图6-19所示。图6-19人体—车身—车轮的三自由度的振动系统图6-7车身—车轮双自由度振动模型6.7.1“人体—座椅”系统对路面不平度的幅频特性根据牛顿第二定律和图6-18，得人体—车身—车轮的三自由度的振动系统的运动微分方程：图6-19人体—车身—车轮的三自由度的振动系统（6-66）（6-67）（6-68）由于人体的质量比车身质量小得多，故可以忽略人体运动对车身运动的影响，即不考虑式（6-67）中这一项，这样，式（6-67）变为：（6-69）简化后，“人体—座椅”系统与车身—车轮系统构成串联系统。6.7.1“人体—座椅”系统对路面不平度的幅频特性考虑及，得“人体—座椅”系统的人体加速度对路面不平度的幅频特性为图6-19人体—车身—车轮的三自由度的振动系统（6-70）式中，双质量系统车身加速度对路面不平度的幅频特性见式（6-58）。6.7.1“人体—座椅”系统对路面不平度的幅频特性“人体—座椅”系统是单自由度系统，也是单质量系统，式（6-66）与式（6-8）的形式相同，它的幅频特性与式（6-30）的形式相同，即座椅的位移p对车身垂直位移的幅频特性为：图6-19人体—车身—车轮的三自由度的振动系统（6-71）式中，为“人体—座椅”系统的频率比，；为“人体—座椅”系统的阻尼比，，为“人体—座椅”系统的阻尼。6.7.1“人体—座椅”系统对路面不平度的幅频特性根据式（6-58）、式（6-71）和式（6-70），分别绘得“人体—座椅”系统的人体加速度对路面不平度的幅频特性图6-20(a)、图6-20(b)和图6-20(c)。根据式（6-70），根据式（6-70），图6-20(c)的幅频特性是图6-20(a)和图6-20(b)的幅频特性的乘积。图6-20“人体—座椅”系统的人体加速度对路面不平度的幅频特性6.7.2“人体—座椅”系统的振动参数选择及控制“人体—座椅”系统的频率比后，振幅比都小于1，进入减振区，“人体—座椅”系统起减振作用，衰减了振幅。根据人体对振动的反应，人体对垂直方向的4～12.5Hz的振动频率最敏感，“人体—座椅”系统应使4Hz以上的振动处于减振区，由得，进一步得

，，取，得

，可取“人体—座椅”系统的共振频率小于3Hz；此外，在确定“人体—座椅”系统的振动参数时，要避开车身共振的频率1.2～1.5Hz，这样，可取“人体—座椅”系统的频率约为2Hz～3Hz和“人体—座椅”系统的共振频率，避开共振峰，这在图6-20(b)中的减振区左侧的区域。若将人体的减振效果考虑进去，“人体—座椅”系统的频率会高一些。6.7.2“人体—座椅”系统的振动参数选择及控制为了减小共振振幅，一般认为座椅的阻尼比左右比较合适，如图6-20(b)所示，这样在共振区共振振幅不会太大，而大于3Hz区域及大于3Hz的高频区又能保持良好的减振效果。图6-20“人体—座椅”系统的人体加速度对路面不平度的幅频特性6.7.2“人体—座椅”系统的振动参数选择及控制为了提高减振效果，除了在座椅上用海绵等减振座椅垫外，还可在座椅上设置由弹簧和液力减振器构成的减振机构，改变图6-19中的和，还右通过座椅上的加速度等传感器，反馈座椅的振幅等，智能控制变刚度弹簧的刚度和电流变、磁流变等变阻尼减振器的阻尼，成为主动或半主动座椅，主动或半主动减振，提高座椅的减振、缓冲能力，提高人体的平顺性。

根据上述“人体—座椅”系统构成与车身位移及其变化的单自由度系统的理论，可将每个座椅单独控制其振动的平顺性。图6-20“人体—座椅”系统的人体加速度对路面不平度的幅频特性6.7.2“人体—座椅”系统的振动参数选择及控制根据上述“人体—座椅”系统构成与车身位移及其变化的单自由度系统的理论，可在振动试验台上，单独对“人体—座椅”系统进行振动的平顺性试验，并将车身的垂直位移作为激励，测试“人体—座椅”系统固有频率、阻尼、幅频特性等，不一定要在汽车上进行试验。进一步说，车上的一些质量远小于车身的物体，如仪表、大灯、单体电池（电池包可分为多个单体电池的组合）、显示屏等，为单质量的振动系统，可在振动试验台上单独进行振动试验，输入为车身的垂直位移，此时，振动试验台的工作台为车身。图6-20“人体—座椅”系统的人体加速度对路面不平度的幅频特性6.8影响汽车平顺性的主要因素

1.悬架的结构对汽车平顺性的影响（1）弹簧的结构对汽车平顺性的影响

弹簧通过弹簧的刚度k影响汽车的平顺性。弹簧的刚度k决定了车身的固有频率，对平顺性影响最大；根据图6-11，降低可以明显减小车身加速度；改变固有频率，可改变频率比，进一步改变车身幅频特性的值，改变车身的振动及汽车的平顺性，这是改善及控制平顺性的一个基本措施；但随着降低，频率比变大，动挠度增大，限位行程也就必须相应增大，否则撞击限位块，影响汽车的平顺性，但受结构布置限制，不能太大，这使固有频率只能有限度的降低。汽车悬架6.8影响汽车平顺性的主要因素弹簧的刚度k与弹性的结构有关，弹性有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧等结构形式，每一种结构中又有不同的形式，另还有弹簧与减振器相结合的油气弹簧，它们有不同的悬架的刚度，对汽车平顺性的影响不同。弹簧的刚度k有常数、线性和非线性的特性。螺旋弹簧和扭杆弹簧的刚度k多为常数，有的钢板弹簧和橡胶弹簧的刚度k可近似为随压缩变形线性变化，气体弹簧和油气弹簧的刚度k随压缩变形非线性变化，弹簧的安装结构也可能使悬架呈现非线性的刚度，如螺旋弹簧偏置、斜置。弹簧的刚度特性不同，对汽车平顺性的影响不同。前、后悬架系统刚度的匹配对汽车平顺性也有较大影响。一般希望前、后悬架系统的固有频率接近相等，或将前悬架的固有频率选得略低于后悬架的固有频率，这样，可减小车身纵向角振动。汽车悬架6.8影响汽车平顺性的主要因素（2）减振器的结构对汽车平顺性的影响

减振器通过减振器的阻尼系数c影响汽车的平顺性。减振器的阻尼系数c大，阻尼比ζ大，可减小车身在共振区的振幅；可吸收两个共振峰之间及第二个共振峰之后的振动能量。减振器的阻尼系数c与减振器的结构有关。减振器有双筒式、单筒式等阻力不可调式减振器，还有三级阻尼可调式、阀控式、电流变式和磁流变式等阻力可调式减振器，它们有不同的阻尼系数c，阻尼系数c的特性多为非线性，对汽车的平顺性的影响不同。减振器的压缩行程和伸张行程的阻尼有时不同。为使减振的阻尼效果好，又不传递较大的冲击力，常把减振器的压缩行程的阻尼和伸张行程的阻尼设计得不同。压缩行程中，为减少传递的路面冲击力，阻尼系数c较小；而伸张行程中，为迅速衰减振动，阻尼系数c较大。6.8影响汽车平顺性的主要因素

2.车轮的结构对汽车平顺性的影响

车轮不平衡产生激振力，同路面不平产生的路面激振力一起，共同影响汽车的平顺性，这在汽车高速时尤为突出，因为，高速时车轮不平衡的力大，所以必须对每一车轮进行动平衡，以保证汽车高速行驶时的舒适性。轮胎是一个复合橡胶材料外壳的空气弹簧，轮胎本身的弹性在很大程度上吸收了因路面不平所产生的振动，缓和路面不平的冲击，它和悬架共同保证了汽车的平顺性。增大轮胎的断面，使空气容量增加；降低轮胎气压，提高帘线和橡胶的弹性，采用子午线轮胎，使轮胎的刚度降低；加大轮胎的宽度，使更多橡胶面与不平的路面接触，减小路面不平度和缓和路面冲击；这些，有利于提高汽车的平顺性，但轮胎气压降低及轮胎高度较大，会影响车轮的侧偏特性，影响汽车曲线行驶的稳定性。汽车悬架6.8影响汽车平顺性的主要因素

3.悬挂质量对汽车平顺性的影响

悬挂质量大，车身的质量大，车身的固有频率小，产生车身与车轮双质量系统的幅频特性的第一个共振峰激振频率小，低频共振的频率小，汽车空载、半载和满载的车身质量依次增大，产生低频共振的频率依次减小。

智能汽车没有驾驶员系统，改变了车身的质量

及其分布，对汽车的平顺性有影响。货车悬挂质量对汽车平顺性的影响智能车悬挂质量对汽车平顺性的影响6.8影响汽车平顺性的主要因素

4.非悬挂质量对汽车平顺性的影响

非悬挂质量大，车轮的质量大，质量比小，车身与车轮双质量系统的幅频特性的第二个共振峰左移，共振峰的峰值增大，不利于改善汽车高速时的平顺性。在进行汽车平顺性的分析时，悬挂质量是计入在车轮的质量中的。轮毂电机与非悬挂的质量6.8影响汽车平顺性的主要因素

5.动力装置的振动对汽车平顺性的影响

发动机和电动机是车身振动激振源，主要影响发动机和电动机所安装位置附近的车身振动；

发动机的振动主要来自曲柄滑块机构、进排气门机构和发动机的燃烧，并通过发动机的支承传递给车身；

电动机的振动主要来自转子，并通过电动机的支承传递给车身；

因此，要减小发动机的曲柄滑块机构、进排气门机构和发动机的燃烧、电动机的转子产生的振动，对曲柄机构进行动平衡，提高发动机和电动机的支承的减振能力。电动机轮毂电机6.8影响汽车平顺性的主要因素

6.传动系统的振动对汽车平顺性的影响

传动系统的振动主要来自传动轴，传动轴的弯曲振动是车身振动激振源，主