1252243 康宇宸 悬架的发展历程与发展趋势

1、 汽车悬架系统的发展历程与发展趋势康宇宸（同济大学车辆工程专业）【摘要】介绍了汽车悬架的种类，对汽车悬架的历史和现状进行了阐述，着重分析了悬架的工作原理，讨论了各种悬架的优缺点。对当架的发展做出了预测展望。 悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。悬架系统是汽车的重要组成部分，也是衡量汽车质量的重要指标之一。它把车身和车轮弹性地连接在一起，传递路面作用于车轮的支撑力、牵引力、制动力和侧向反力以及这些力所产生的力矩，并缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动，从而保证汽车行驶的平顺性、舒适性和操纵稳定性。 最早的汽车悬架是马车的叶片弹簧，到20 世纪3

2、0年代，叶片弹簧被螺旋弹簧替代，汽 车诞生后，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性元件。1934年世界上第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架诞 生， 随后独立悬架开始出现，并得到很大发 展，减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。这些发展进步在一定程度上提高了悬架的 性能， 但仍然在很多方面存在缺陷。 一、 悬架的种类和工作原理行悬架技术进行分析阐述，并对未来悬悬架按导向机构分为独立悬架和非独 立悬架两大类, 独立悬架由于减小了非悬置质量、保证了较大的距地高度和理想的车轮 轮距, 以及在很多情况下可使用刚度较低的弹簧, 因而减振性能优于非独立悬架。非独立悬架的结构特点：是两侧的车轮由一

3、根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架于车架或车身连接。当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内摆动。 独立悬架的结构特点：是车桥做成断开 的，每一侧的车轮都可以单独的通过弹性悬架与车架或车身连接，两则车轮可以单独跳动互不影响，故称为独立悬架。 1.2主动悬架与被动悬架 汽车悬架从控制力的角度可分为被动、半主动和主动悬架三大类( 或细分为被动、半被动、半主动、慢全主动和全主动悬架五类)。目前汽车上普遍采用被动悬架被动悬架主要有纵臂式、横臂式和车轮沿主销移动式独立悬架等, 常用液力双向作用筒式 主动悬架由悬架系统中有源或无源控制的元件组成，是一个闭环控制系统，

4、特点是能根据外界输入（路面状况）或车辆本身 1. 悬架的组成与分类 汽车悬架通常由弹性元件、减震器和导 向机构三部分组成。隔振弹簧是悬架的主要部件, 其作用是支承悬置质量, 缓和路面传给车身的冲击载荷, 主要有螺旋、钢板、扭杆、空气、油气和橡胶弹簧等。减振装置 起衰减振动的阻尼作用, 主要有液力、摩擦、气体、电磁、动力和惯性减振器等。 1.1 独立悬架与非独立悬架 状态（运动状态）的变化进行动态自适应调节，抑制车体的运动，使悬架始终处于最优减振状态；半主动悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成，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。半主动悬架不考 虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架

5、的阻 尼，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。 二、 被动悬架架。非独立悬架结构简单、工作稳定， 主要用于客、货车上（有时用于轿车后悬 架）。为提高行驶平顺性， 有的把非独立悬架的弹性元件做成刚度可变的， 如南京依维柯的渐变刚度钢板弹簧， 奥迪后悬架的渐变螺旋弹簧。此外空气弹簧非独立悬架由于平顺性较好， 且能调节车身高度而被用于一些重型车和中高档轿车上。独立悬架采用断开式车桥， 每侧车轮可相对独立运动， 平顺性较好。但它结构较复杂， 成本较高。现代轿车及一些轻型货车上广泛采用独立悬架。 独立悬架的结构类型较多， 不同悬架的主要差别在于导向机构的变化。麦弗逊式

6、独立悬挂广泛应用在发动机前置前轮驱动的前悬挂中， 如国产的桑塔纳、夏利、奥迪、富康、捷达等。它的主要特点是将螺旋弹簧和减振器装于一体， 减振器引导车轮跳动， 同时有转向主销的作用。它可用减振器的行程长短及松紧来设定悬挂的软硬及性能。麦弗逊式悬挂行车舒适性较好， 结构体积小， 能有效扩大车内乘坐空间， 但由于其构造为直筒式， 对左右方向的冲击缺乏阻力， 抗刹车点头作用较差。此外， 独立悬架中的多连杆悬挂能最大限度地发挥轮胎抓地力， 从而提高整车的操控极限。 2.3被动悬架研究方向被动悬架即传统式悬架，主要由弹簧、减振器和导向机构等组成，其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器起衰减振动的作 用。传

7、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，在车辆行驶过程中无法进行调节，因此其减振性能受到一定的限制，这种悬架称为被动悬架。 2.1 被动悬架的优缺点被动悬架的优点是成本低、可靠性较高。缺点是无法解决同时满足平顺性和操纵稳 定性之间相矛盾的要求。刚性较大的螺旋弹簧可以使车轮保持着与路面接触的倾向，提 高轮胎的抓地能力，但这样的弊病是乘坐时 有较强烈的颠簸感觉。采用较软的螺旋弹簧， 以适应崎岖不平的路面，可以提高乘坐时的 平稳性及舒适性，但同时汽车的操纵性较差。被动悬架主要应用于中低档轿车上，如桑塔 纳、夏利、赛欧等车型的前悬架一般采用带 有横向稳定杆的麦弗逊

8、式悬架。 2.2 被动悬架的应用和发展被动悬架性能的研究主要有三方面： 一是通过建模仿真来寻找最优的悬架参 数； 二是研究渐变刚度弹簧和机械可变阻尼减振器， 使悬架参数能在一定范围内适应不同的工况； 三是带有横向稳定杆的多 连杆悬架导向机构的研究。 被动悬架是指汽车的状态只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性原件、导向装置以及减震器这些机械零件。它结构简单、性能可靠， 成本低且不需额外能量， 因而应用最为广泛。被动悬架主要应用于中低档轿车上， 根据导向装置的不 同， 被动悬架分为非独立悬架和独立悬 根据阻尼系数的连续或离散可调，半主动悬架可以分为连续可调式和变换阻尼式。它们的区别在于：连续可

9、调式半主动悬架中的阻尼系数在一定的变化范围内可以连续 地变化，而可切换阻尼式半主动悬架中的阻尼系数只能在几个离散的阻尼值之间进行 变换。目前半主动悬架已经实现了商品化， 可以进行悬架刚度与减振器阻尼系数的有 级调节和车高的自动调节控制，主要应用在 高级轿车和面包车上，且应用范围还在不断 扩大。丰田汽车公司生产的能调节悬架刚度、车高和减振器阻尼“软中硬”有级转换 控制的半主动悬架系统，可以对四个车轮进 行单独控制。 3.4半主动悬架发展趋势三、 半主动悬架半阻尼悬架不考虑改变悬架的刚度，而是只考虑改变悬架阻尼的悬架系统。半主动悬架用可控阻尼的减震器取代了执行器，由无动力源且只有可控的阻尼原件（减

10、震器） 和支持悬架质量与减震器并联的弹簧组成。所不同的是执行器需做工，而减震器则是通过调节阻尼力来控制所耗散能量的多少。 3.1 半主动悬架发展历程半主动悬架的研究始于1973年，直到20 世纪80 年代初期才有试验性的产品问世。半主动悬架主要以改变悬架的阻尼为主，一般较少考虑改变悬架的刚度。半主动悬架, 即根据汽车行驶状态的动力学要求, 通过输入少量控制能量来连续调节液力减振器的阻尼, 以改善悬架的振动特性。该系统的微处理器从传感器接收速度、位移和加速度等信号, 按事先存储的各种行驶条件下最佳弹簧和减振器参数指令来计算出相应的阻尼值, 给出控制信号到步进电机, 经阀杆调节阀门, 使节流孔阻尼

11、变化。 3.2 半主动悬架工作原理 随着电子计算机控制技术、新型功能材料和高效微处理器技术的发展, 使得研究开发与推广实用性更强、适合于普通中低档车应用的半主动悬架振动控制系统, 成为可能。本领域今后发展将涉及如下几 个方面。 1)基于新型功能材料的可控减振环节的开发 智能控制器的研究与开发 汽车刚体动力学性能仿真研究传感器的研制与开发 另外, 从今后发展趋势看, 半主动悬2)3)4)架技术必然与四轮转向(4WS)、防抱死系统(ABS)、四轮驱动(4WD)、超低压子午线轮胎以及新近推出的交叉式动态控制(VDC/FDR), 结合在一起全局考虑, 从而使汽车舒适性、主动安全性与操纵稳定性, 大幅度

12、提高 四、 主动悬架其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度。半主动悬架由可调弹簧和减振器构成，与全主动悬架相比，最大优点是工作几乎不消耗发动机的功率，结构简单，造价较低，因此受到广泛重视。在半主动悬架中，一个阻尼系数能在较大的范围内调节的阻尼器取代了被动悬架中的阻尼器。它的性能介于被动悬架与主动悬架之间，除了驱动电磁阀需要能量外，不消耗其他能量。 3.3 连续可调式和变换阻尼式半主动悬架主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状况，适时的调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减震状态。它是在被动悬架系统 （弹性元件减震器/导向装置）中附加

13、一个 可控制作用力的装置。它通常是由执行系统、 测量系统、反馈控制系统、能源系部分组成。目前主动悬架主要有主动油气悬架、主动空气悬架和主动液力悬架等3种类型。 主动悬架是近十几年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架。主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。 4.1 电控主动液压悬架架系统， 通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。 五、研究和开发工作展望5.1 注重刚度可调半主动悬架的研究刚度可调半主动悬架在汽车的应用中有其不可替代的作用, 特别是在重型载货车和大客车上, 我国对其研究较少, 与汽

14、车发达国家差距较大。刚度和阻尼均连续可调的智能型半主动悬架具有很好的应用前景。 5.2 阻尼可调减振器的研究电控主动液压悬架能利用液压部件主动控制汽车的振动。它在汽车中心附近有纵、横向加速度和横摆陀螺仪传感器用以把车身振动、车身高度、倾斜状态等信号传递给ECU。ECU 根据输入信号和预先设定的程序发出指令， 控制伺服电动机操纵前后执行油缸工作3。通过ECU 根据行车条件和车辆承载情况自动调整车身高度， 通过ECU 及手动开关能对悬架弹簧的弹性系数及减振器阻尼力进行控制。 4.2 电控主动空气悬架传统可调减振器的研究开发仍有较大的潜力,特别是在原有汽车的改造上。新型可调减振器, 特别是磁流变应是

15、研究的重点, 5.3 控制理论的研究5.3.1 研究复合控制策略 从目前的研究文献来看, 单独利用某一种控制方法进行研究的很少。汽车工业发达国家大多基于天棚阻尼控制理论、最优控制理论、预见控制理论、模糊控制理论和自适应控制理论为主干的复合控制策略。 5.3.2 寻找实用、稳定的控制方法 如何针对实际汽车寻找一种实用、可靠、可降低成本的控制策略是今后研究的重点。天棚阻尼控制及其改进方法是一个主要研究开发方向。 5.3.3 重视非线性控制问题的研究和解决。 5.4 半主动悬架控制系统的研究和开发在电子控制的主动式空气悬架系统 中， 微机根据传感器送来的信号和驾驶员给予的控制式经过运算分析后， 向悬

16、架发出指令， 悬架可以根据微机给出的指令改变悬架刚度和阻尼系数， 使车身在行驶过程中保持良好稳定性能， 并且将车身的振动响应控制在允许的范围内。 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 首先, 通过建立汽车悬架系统动力模型, 集成设计传感控制及执行元件、控制电源和

17、电路, 设计控制算法, 整合形成半主动悬架智能控制系统。最后, 对汽车半 主动悬架系统进行道路测试, 综合评价悬 架系统的减振性能, 经反复完善而开发出成品。更进一步, 对汽车上半主动悬架系统和其他电控系统, 如转向、驱动、防抱死等系统进行联合控制, 对各控制元件和功能进行整合, 形成一体化电控底盘。 5.5主动悬架技术的发展近年来具有越野功能汽车的流行(如多功能运动车SUV, 多功能商务车MPV), 半主动悬架系统的商业化进程必将进一步加快, 必将在轿车、多功能车、重型汽车和车上得到普及。 汽总之, 随着现代汽车电子领域的成熟与机械液压等领域的结合，半主动与主动悬架技术必将在汽车工程领域得到推广和应用, 是未来汽车悬架技术发展的必然。 参考文献：主动控制律应根据汽车行驶工况来选择, 设计出的控制策略应