汽車懸架的發(fā)展歷程

1、汽車懸架的發(fā)展歷程汽車的懸架系統(tǒng)是指車身、 車架和車輪之間的一個(gè)連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 而這個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包含 了避震器、懸架彈簧、防傾桿、懸吊副梁、下控臂、縱向桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橡皮襯套和連桿等 部件。當(dāng)汽車行駛在路面上時(shí)因地面的變化而受到震動(dòng)及沖擊， 這些沖擊的力量其中一部份 會(huì)由輪胎吸收，但絕大部分是依靠輪胎與車身間的懸架裝置來(lái)吸收的。在汽車的行駛過(guò)程中， 懸架的作用是彈性的連接車橋和車架， 減緩行駛中車輛受到由路 面不平引起的沖擊力， 保證乘坐舒適和貨物完好， 迅速衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動(dòng)， 傳遞 垂直、縱向、側(cè)向反力及其力矩，并起導(dǎo)向作用，使車輪按照一定軌跡相對(duì)車身運(yùn)動(dòng)。懸架 決定著汽車的穩(wěn)定性、

2、舒適性和安全性，是現(xiàn)代汽車十分重要的部件之一。典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成， 個(gè)別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、 橫 向穩(wěn)定桿等。彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、 螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式， 而現(xiàn)代轎 車懸架多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，高檔豪華大客車則使用空氣彈簧。懸架的種類和工作原理根據(jù)懸架的阻尼和剛度是否隨行駛條件的變化而變化， 可分為被動(dòng)懸架、 半主動(dòng)懸架和 主動(dòng)懸架， 半主動(dòng)懸架還可以按阻尼分為有級(jí)式和無(wú)級(jí)式兩類。 傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)的剛度和阻 尼系數(shù)，是按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇的，一經(jīng)選定后， 在車輛行駛過(guò)程中， 就無(wú)法進(jìn) 行調(diào)節(jié)， 因此其減震性能的進(jìn)一步提高受到限制，

3、這種懸架成為被動(dòng)懸架。 為了克服被動(dòng)懸因此系統(tǒng)必須是有源的。 半主動(dòng)懸還得承受車身重量及載荷， 因此半主 由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 在工作架的缺陷， 20 世紀(jì) 60 年代提出了主動(dòng)懸架的概念，主動(dòng)懸架就是由在懸架系統(tǒng)中采用有源 或無(wú)源可控制的元件組成。 它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)， 根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路面狀況主動(dòng)作 出反應(yīng)， 以抑制車體的運(yùn)動(dòng)， 使懸架始終處于最優(yōu)減震狀態(tài)。 所以主動(dòng)懸架的特點(diǎn)就是能根 據(jù)外界輸入或車輛本身狀態(tài)的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。架則由無(wú)源但可控制的阻尼元件組成。在車輛懸架中， 彈性元件除了吸收和貯存能量外， 動(dòng)懸架不考慮改變懸架的剛度而只考慮改變懸架的阻尼。時(shí)，幾乎不消耗

4、車輛動(dòng)力，又能獲得與主動(dòng)懸架相近的性能，故應(yīng)用較廣。由于路面輸入的隨機(jī)性， 車輛懸架阻尼的控制屬于自適應(yīng)控制， 即所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在輸入 或干擾發(fā)生大范圍的變化時(shí)，能自適應(yīng)環(huán)境， 調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)， 使輸出仍能被有效控制， 達(dá)到 設(shè)計(jì)要求。它不同于一般的反饋控制系統(tǒng)，因?yàn)樗幚淼木哂小安淮_定性”的反饋信息。自適應(yīng)控制系統(tǒng)按其原理不同，可分為校正調(diào)節(jié)器和模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)兩大類， 由于要建立一個(gè)精確的“車輛 - 底面”系統(tǒng)模型還很困難，故目前的主動(dòng)懸架，多采用自校 正調(diào)節(jié)器。雖然現(xiàn)代汽車的種類較多， 結(jié)構(gòu)差異較大， 但一般由彈性元件、 減振元件和導(dǎo)向構(gòu)件組 成。工作原理是：當(dāng)汽車輪胎受到?jīng)_擊時(shí)，彈性

5、元件對(duì)沖擊進(jìn)行緩沖， 防止對(duì)汽車構(gòu)件和人 員造成損傷。 但彈性件受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的振動(dòng)， 容易使駕駛員疲勞。 故減振元 件應(yīng)快速衰減振動(dòng)。 當(dāng)車輪受到?jīng)_擊而跳動(dòng)時(shí)， 應(yīng)使其運(yùn)動(dòng)軌跡符合一定的要求， 否則會(huì)降 低汽車行駛時(shí)的平順性和操縱穩(wěn)定性。導(dǎo)向構(gòu)件在傳力的同時(shí)，必須對(duì)方向進(jìn)行控制。懸架的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀在馬車出現(xiàn)的時(shí)候， 為了乘坐更舒適， 人類就開(kāi)始對(duì)馬車的懸架一葉片彈簧進(jìn)行孜孜不 倦的探索。在 1776 年，馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到20 世紀(jì) 30 年代，葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替。 汽車誕生后， 隨著對(duì)懸架研究的深入， 相繼出現(xiàn)了扭桿彈 簧、氣體彈簧、橡膠彈簧

6、、鋼板彈簧等彈性件。 1934 年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)由螺旋彈簧組 成的被動(dòng)懸架。被動(dòng)懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定，在行駛過(guò)程中保持不變。 它是一系列路況的折中， 很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況， 減震的效果較差。為了克服這種缺陷，采 用了非線性剛度彈簧和車身高度的調(diào)節(jié)的方法， 雖然有一定成效， 但無(wú)法根除被動(dòng)懸架的弊 端。被動(dòng)懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上， 現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗 遜式懸架，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。半主動(dòng)懸架的研究工作開(kāi)始于 1973年，由 和 首先提出。半主 動(dòng)懸架以改變懸架的阻尼為主， 一般較少考慮改變懸架的剛度。 工作原理

7、是： 根據(jù)簧上質(zhì)量 相對(duì)車輪的速度響應(yīng)、 加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)， 按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者 剛度。半主動(dòng)懸架產(chǎn)生力的方式與被動(dòng)懸架相似， 但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整， 這和主動(dòng)懸架極為相似。 有級(jí)式半主動(dòng)懸架是將阻尼分成幾級(jí)， 阻尼級(jí)由駕駛員根據(jù) “路感” 選擇或由傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇； 無(wú)級(jí)式半主動(dòng)懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)， 對(duì) 懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。 由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單， 工作時(shí)不 需要消耗車輛的動(dòng)力，而且可取得與主動(dòng)懸架相近的性能，具有廣闊的發(fā)展空間。隨著道路交通的不斷發(fā)展， 汽車車速有了很大的提高， 被動(dòng)懸架的缺陷逐漸成為

8、提高汽 車性能的瓶頸， 為此人們開(kāi)發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架。 主動(dòng)懸架的概念是 1954 年美國(guó)通用汽車公司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出來(lái)的。 它在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上， 增加可調(diào)節(jié)剛度 和阻尼的控制裝置， 使汽車的懸架在任何路面上保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)。 控制裝置通常由測(cè)量 系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)組成。 20 世紀(jì) 80 年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠 家競(jìng)相研制和開(kāi)發(fā)這種懸架。奔馳、 沃爾沃、洛特斯、豐田等在汽車上進(jìn)行了較為成功的試 驗(yàn)。裝備主動(dòng)懸架的汽車，在不良路面高速行駛時(shí)，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和 制動(dòng)時(shí)車身保持水平。其特點(diǎn)是乘坐非常舒適，但不同程度上存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、

9、能耗高、成 本昂貴、可靠性問(wèn)題。由于種種原因， 我國(guó)的汽車絕大部分采用被動(dòng)懸架。 在半主動(dòng)和主動(dòng)懸架的研究起步晚， 與國(guó)外的差距大。 在西方發(fā)達(dá)國(guó)家， 半主動(dòng)懸架在 20 世紀(jì) 80 年代后期趨于成熟， 福特公司 和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用， 取得了較好的效果。 主動(dòng)懸架雖然提出較早， 但由于控制復(fù) 雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，扔僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車。 未見(jiàn)國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報(bào)道， 只有北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù) 幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)主動(dòng)懸架展開(kāi)研究。懸架的發(fā)展趨勢(shì)由于汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求， 具有安全、 智能和清潔的綠色智能懸

10、架將 是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢(shì)。被動(dòng)懸架是傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)， 剛度和阻尼都是不可調(diào)的， 依照隨機(jī)振動(dòng)理論， 它只能保 證在特定的路況下達(dá)到較好的效果。 但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 性能可靠、 成本相對(duì)較低 廉且不需要額外能量，因而應(yīng)用最為廣泛。在我國(guó)現(xiàn)階段，仍然有較高的研究?jī)r(jià)值。被動(dòng)懸 架性能的研究主要集中在三個(gè)方面： 通過(guò)對(duì)汽車進(jìn)行受力分析后， 建立數(shù)學(xué)模型， 然后再用 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或有限元方法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)； 研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器， 使懸架在絕大部分路況上保持良好的運(yùn)行狀態(tài)； 研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)， 使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有較大的提高。半主動(dòng)懸架的研究集中在兩個(gè)方

11、面： 執(zhí)行策略的研究； 執(zhí)行器的研究。 阻尼可調(diào)減振器 主要有兩種， 一種是通過(guò)改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼； 一種是通過(guò)改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻 尼。節(jié)流孔的大小一般通過(guò)電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié)，這種方法成本較高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 通過(guò)改變減振液的粘性來(lái)改變阻尼系數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、 無(wú)噪音和沖擊 等特點(diǎn)，因此是目前發(fā)展的主要方向。主動(dòng)懸架研究也集中在兩個(gè)方面： 可靠性；執(zhí)行器。由于主動(dòng)懸架采用了大量的傳感器、 單片機(jī)、輸入輸出電路和各種接口，由于元器件較多，降低了懸架的可靠性，所以，加大元 件的集成程度， 是一個(gè)不可逾越的階段。 執(zhí)行器的研究主要是用電動(dòng)器件代替液壓器件。 電 氣動(dòng)

12、力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多優(yōu)點(diǎn)， 今后將會(huì)取代液壓執(zhí) 行機(jī)構(gòu)。 運(yùn)用電磁蓄能原理， 結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器， 可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁這就使得人們對(duì)汽車懸架 縱向反力和側(cè)向反力以及 因此汽車懸架系統(tǒng)對(duì)整車蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架，使主動(dòng)懸架由理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。 隨著交通的發(fā)展， 高速公路逐漸改善， 汽車的時(shí)速越來(lái)越快， 系統(tǒng)有更高的要求。 汽車懸架系統(tǒng)把路面作用于車輪上的支撐力、 這些反力所造成的力矩都傳遞到車架上， 以保證汽車的正常行駛， 的行駛有著至關(guān)重要的影響， 汽車懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真在整車設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中占有很高的地 位。在汽車工程領(lǐng)域， 仿真軟件能在產(chǎn)

13、品開(kāi)發(fā)過(guò)程中避免零部件和樣機(jī)的重復(fù)制造， 減少資 源、時(shí)間和資金的浪費(fèi)， 可以運(yùn)用仿真軟件在汽車工程領(lǐng)域更好地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的動(dòng)力性研究。國(guó)外已經(jīng)研制了 IMP、ADAMS DAMN?仿真軟件，用于汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域。結(jié)論隨著 Solidworks,Pro/E,CATIA,UG,ADAMS,ANSYS 等 CAD/CAE軟件的發(fā)展，對(duì)汽車懸架的 研究和發(fā)展起了關(guān)鍵性的作用， 通過(guò)有限元法， 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)， 計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法降 低了企業(yè)的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期?？傮w來(lái)說(shuō)， 主動(dòng)懸架的減振效果好， 性能優(yōu)越， 解決了“平順性和操縱穩(wěn)定性” 的矛盾。 但元件成本較高， 工作時(shí)需要較多的能量， 整車質(zhì)

14、量也有所增加， 因此主動(dòng)懸架會(huì)大大增加 成本和能量消耗； 半主動(dòng)懸架的減振性能接近主動(dòng)懸架， 操縱穩(wěn)定性優(yōu)于被動(dòng)懸架。 性能可 靠，調(diào)節(jié)方便的可調(diào)阻尼減振器和算法簡(jiǎn)單有效的控制策略將是半主動(dòng)懸架發(fā)展的必經(jīng)之路。 被動(dòng)懸架的性能相對(duì)最差， 但它的成本最低， 也不需要消耗能量。 被動(dòng)懸架在一定的時(shí)間內(nèi) 將是應(yīng)用最廣泛的懸架系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以繼續(xù)提升懸架性能。參考文獻(xiàn)：1 朱華.半主動(dòng)懸架的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) J. 城市車輛 . 2009(04)2 孫延偉 , 吳向杰 .獨(dú)立懸架性能評(píng)價(jià)指標(biāo) A. 第九屆河南省汽車工程技術(shù)研討會(huì)論文集 C. 20123 余久鋒 . 淺談汽車懸架的

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