現(xiàn)代汽車懸架技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代汽車懸架技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)肖永清內(nèi)容提要：本文闡述了現(xiàn)代汽車懸架系統(tǒng)的種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能與工作原理;介紹了汽車懸架系統(tǒng)的新技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：汽車懸架結(jié)構(gòu)原理發(fā)展趨勢(shì)汽車懸架系統(tǒng)的種類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功能意思都一樣，都是指車輪與車身之間的連接物，避震是通俗叫法，而懸掛和懸架均是"學(xué)名"。懸架是將車身與車橋、車輪彈性相連，傳遞作用在車輪和車身之間的力和力矩，緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊，并衰減由此引起的振動(dòng)，以保證汽車正常行駛時(shí)的平順性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。目前多數(shù)汽車的懸架都是被動(dòng)式懸架，即汽車的車輪和車身狀態(tài)只能被動(dòng)地取決于路面及行駛狀況以及汽車的彈性支承元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。汽車上的懸掛結(jié)構(gòu)大體可分為兩種：一種是左、右車輪用一根剛性軸連起來(lái)并與車身相連的叫非獨(dú)立懸掛。常見(jiàn)卡車使用的鋼板彈簧避震系統(tǒng)就是非獨(dú)立懸掛。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、容易制造、維修方便、輪胎磨損小和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是當(dāng)汽車在高速或在不平路面行駛時(shí)，容易顛簸，使人感到不舒服。另一種是左、右車輪不連在一根軸上，而是單獨(dú)通過(guò)懸掛與車身連接的叫獨(dú)立懸掛。往往轎車當(dāng)一側(cè)車輪駛?cè)氚纪共黄铰访鏁r(shí)，不會(huì)牽動(dòng)另一側(cè)車輪而引起沖擊振動(dòng)，這就提高了乘座舒適性。但采用獨(dú)立懸掛后也相應(yīng)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本上升。常見(jiàn)的獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)型式有：螺旋彈簧雙橫臂獨(dú)立懸掛、扭桿式獨(dú)立懸掛、滑柱擺臂式獨(dú)立懸掛和麥弗遜式獨(dú)立懸掛等?，F(xiàn)代轎車的前輪都采用獨(dú)立懸掛，后輪雖然比前輪采用獨(dú)立懸掛的要少，但中、高級(jí)轎車一般都是四輪獨(dú)立懸掛。雪鐵龍有一種液壓懸掛，它是用一個(gè)液壓筒代替一組彈簧和減震器。液壓筒根據(jù)中央控制器的指令來(lái)調(diào)整自身的工作情況。而中央控制器是按車身上的傳感器所收集的資料信息計(jì)算后發(fā)出指令的。這些信息資料包括車速、車身側(cè)偏程度、方向盤(pán)及油門(mén)位置等?，F(xiàn)生產(chǎn)的雪鐵龍汽車都使用了液壓懸掛,便成其"獨(dú)門(mén)"技術(shù)，自然也成為它的最大個(gè)性之一。功能和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)外,還設(shè)有車身功能和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)外,還設(shè)有車身煩,以及輪廓尺寸大不易布置等電車上。電控懸架系統(tǒng)主要有半主動(dòng)需的功率，主要采用調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)法，只需提供調(diào)節(jié)控制閥、控制器和反饋調(diào)節(jié)器所消耗的較小功率即可?？梢愿鶕?jù)路面的激勵(lì)和車身的響應(yīng)對(duì)懸架的阻尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使車身的振動(dòng)被控制在某個(gè)范圍之內(nèi)。半主動(dòng)懸架是無(wú)源控制，因此，汽車在轉(zhuǎn)向、啟動(dòng)、制動(dòng)等工況時(shí),不能對(duì)剛度和阻尼進(jìn)行有效的控制。全主動(dòng)懸架簡(jiǎn)稱主動(dòng)懸架。它是有源控制，具有作功能力的懸架。它通常包括產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩的主動(dòng)作用器(液壓缸、氣缸、伺服電動(dòng)機(jī)、電磁鐵等)、測(cè)量元件(加速度、位移和力傳感器等)和反饋控制器等。當(dāng)汽車載荷、行駛速度、路面狀況等行駛條件發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)懸架系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整懸架剛度和阻尼(包括整體調(diào)整和單輪調(diào)整)，從而能同時(shí)滿足汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等各方面的要求。此外，主動(dòng)懸架還可根據(jù)車速的變化控制車身的高度。另外，根據(jù)懸架介質(zhì)的不同，電控懸架系統(tǒng)又可分為油氣式主動(dòng)懸架和空氣式主動(dòng)懸架兩種,懸架系統(tǒng)零部件在汽車上的位置如圖1所示。汽車懸架的結(jié)構(gòu)型式汽車懸架有多種結(jié)構(gòu)型式，縱置鋼板彈簧的非獨(dú)立式懸架，通常用于載貨汽車及其變型車；獨(dú)2)該型式懸架為美國(guó)人厄爾勒·麥克弗遜受飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)啟發(fā)，早在四十年代中期發(fā)明的。他把螺旋彈簧和減振器組合在一起，幾乎垂直地布置在汽車前輪的內(nèi)側(cè)，不僅為前輪驅(qū)動(dòng)小型汽車的橫置發(fā)動(dòng)機(jī)(含變速器)節(jié)省了空八十年代初期以來(lái)，由于它的種種優(yōu)點(diǎn)，這種懸架系統(tǒng)普遍為前輪驅(qū)動(dòng)汽車所采用，現(xiàn)代轎車大多也都采用了這種懸架。如日本豐田公司的克雷西達(dá)、加美、光冠、花冠、日產(chǎn)公司的公爵、美國(guó)的福廣州標(biāo)致505ZX前懸架。懸架系統(tǒng)的組成及工作原理同時(shí)，它也引起在汽車起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向時(shí)車身的俯仰、點(diǎn)頭和側(cè)傾等現(xiàn)象，影響汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性是衡量懸架性能好壞的主要指標(biāo)，但二者性能要求又相互排斥。例如：降低彈簧的剛度，可使車身加速度減小，平順性變好，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致車體位移增加，對(duì)操縱既能滿足平順性要求又能滿足操縱穩(wěn)定性要求。實(shí)際的設(shè)計(jì)只能是根據(jù)某種路面情況和車速，兼顧各方面的要求，優(yōu)化選定一種剛度和阻尼系數(shù)、這種剛度和阻尼系數(shù)一定的懸架稱為被動(dòng)懸架。汽車在行駛過(guò)程中，路面情況和車速是變化不定的。因此，這種剛度和阻尼系數(shù)都不可調(diào)節(jié)的被動(dòng)懸架，不可能在改善汽車的乘坐舒適性、行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等方面有大的作為，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到懸架控制的理想目標(biāo)。尤其是在轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)傾會(huì)加大，加速和剎車時(shí)會(huì)"前仰后合"；反之，為了避免上述不利因素，增加懸掛的剛性，則必然要降低汽車的舒適性。如何調(diào)整它們之間的關(guān)系，只能根據(jù)汽車的用途、車型來(lái)確定。因此，只能說(shuō)最適合的懸掛就是最好的懸掛。206080調(diào)節(jié)方式可以是機(jī)械式的，也可以是電子控制式的。這種調(diào)節(jié)需要消耗能量，故系統(tǒng)中需要能源，調(diào)節(jié)方式也有機(jī)械式和電子控制式兩種。這種調(diào)節(jié)不需消耗能量，故系統(tǒng)中不需要能源，即系統(tǒng)是無(wú)能源的。主動(dòng)懸架是在懸架系統(tǒng)中采用有源或無(wú)源控制元件組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀況和路面狀況主動(dòng)做出反應(yīng)，以抑制車身的振動(dòng)和擺動(dòng)，使懸架始終處于最佳的減振狀態(tài)?，F(xiàn)在，一些較高擋的轎車，己較多地采用了主動(dòng)懸架。現(xiàn)代汽車中采用的電子控制懸架系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)對(duì)其性能改善的限制，該系統(tǒng)可根據(jù)不同的路面條件、不同的裝載質(zhì)量、不同的行駛速度等來(lái)控制懸架系統(tǒng)的剛度，調(diào)節(jié)減振器阻尼力的大小，甚至可以調(diào)整車身高度，從而使車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性在各種行駛條件下達(dá)到最佳的組合。主動(dòng)懸架的電控系統(tǒng)基本組成傳感器將汽車行駛的路面情況(汽車的振動(dòng))和車速及啟動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等工況轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸送給電子控制器，控制器將傳感器送入的電信號(hào)進(jìn)行綜合處理，輸出對(duì)懸架的剛度和阻尼及車身高度進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照電子控制器的控制信號(hào)，準(zhǔn)確地動(dòng)作，及時(shí)地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼系數(shù)及車身的高度。電子控制器一般由微機(jī)和信號(hào)輸出放大電路組成。執(zhí)行元件由電磁閥和步進(jìn)電機(jī)及氣泵電動(dòng)機(jī)等組成。從行駛平順性和舒適性出發(fā)，彈簧剛度和減振器的阻尼系數(shù)應(yīng)能隨汽車運(yùn)行狀態(tài)而變化，使懸架系統(tǒng)性能總是處于最優(yōu)狀態(tài)附近。但是，彈簧剛度選定后，又很難改變，因此從改變減振器阻尼入手，將阻尼分為兩級(jí)或三級(jí)，由駕駛員選擇或根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇所需要的阻尼級(jí)。汽車懸架系統(tǒng)的新技術(shù)懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中出現(xiàn)的新技術(shù)有空氣彈簧、電控減振器、主動(dòng)懸架電控平順性和操縱性等。新型懸架電控系統(tǒng)隨著汽車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進(jìn)和完善，研究汽車振動(dòng)，設(shè)計(jì)新型懸架電控系統(tǒng)，將振動(dòng)控制到最低水平是提高現(xiàn)代汽車品質(zhì)的重要措施。汽車振動(dòng)是影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，以及汽車零部件疲勞壽命的重要因素。嚴(yán)重的振動(dòng)還會(huì)影響汽車的行駛速度，并產(chǎn)生環(huán)境噪聲污染。汽車減振主要使用懸架系統(tǒng)。懸架系統(tǒng)一般由彈性元件和阻尼元件構(gòu)成，用以緩沖和吸收因路面不平而產(chǎn)生的激振力，同時(shí)承受汽車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)傾力。而汽車行駛的平順性與操縱穩(wěn)定性在汽車設(shè)計(jì)中又是矛盾的，故傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)難以同時(shí)滿足這種要求。70模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等的研究，不僅在理論上取得令人矚目的成績(jī)，同時(shí)已開(kāi)始應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制。現(xiàn)代汽車懸架的結(jié)構(gòu)形式和振動(dòng)控制方法隨時(shí)在更新和完善。按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式，可分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸梁兩大類。但一般按控制力進(jìn)行分類，分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架3種基本類型。電控空氣懸架是利用壓縮空氣充當(dāng)彈簧作用，彈簧的剛度和車身的高度是根據(jù)汽車行駛狀況進(jìn)行自動(dòng)控制，減振器的減振力控制也用來(lái)抑制汽車行駛和停駛時(shí)車身姿態(tài)的變化。其具體功能：防側(cè)傾控制：側(cè)傾發(fā)生于汽車在橫向坡道高速行駛和汽車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)汽車行駛速度和轉(zhuǎn)向角度，使減振力和彈簧剛度轉(zhuǎn)換為"堅(jiān)硬"狀態(tài)，抑制轉(zhuǎn)變期間的側(cè)傾，這種控制持續(xù)時(shí)間大約為2s，然后恢復(fù)到最初減振力和彈簧剛度，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。防制動(dòng)栽頭控制：根據(jù)汽車行駛速度，制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)和汽車高度的變化，減振力和彈簧剛度轉(zhuǎn)換為"堅(jiān)硬"狀態(tài)，抑制制動(dòng)期間的栽頭現(xiàn)象。防后坐控制：根據(jù)汽車速度，節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟角度和速度的變化，減振力和彈簧剛度轉(zhuǎn)換為"堅(jiān)硬"2s"狀態(tài)，以提高直線行駛穩(wěn)定性和操縱性能。不平道路、顛動(dòng)或跳動(dòng)控制：按照道路的不平整性，減振力轉(zhuǎn)換為"中等"和"堅(jiān)硬"狀態(tài)，彈簧剛度轉(zhuǎn)換為"堅(jiān)硬"狀態(tài)，用來(lái)在不平整路面上，抑制汽車底盤(pán)的顛動(dòng)和跳動(dòng)，因而提高乘坐的舒適10km/h0FF加安全。彈簧的作用。為調(diào)節(jié)汽車高度，使之方便運(yùn)送或拖拉重物，可裝上空氣減振器，減振器內(nèi)空氣壓力的大小決定了汽車高度和減振器高度。減振器內(nèi)空氣壓力可通過(guò)外部空氣源或汽車上的空氣壓縮機(jī)來(lái)改變。如果空氣彈簧受損傷或破裂，應(yīng)采取特殊步驟防止彈簧進(jìn)一步撕裂，并使彈簧具有正常功能。如果彈簧損壞，與該彈簧相對(duì)應(yīng)的車輪將會(huì)出現(xiàn)明顯下垂。裝有空氣彈簧或其它電控懸架系統(tǒng)的汽車無(wú)論何時(shí)進(jìn)行車輪定位，都必須采用指定的步驟來(lái)解除懸架系統(tǒng)或使之無(wú)效。機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。該控制桿可改變量孔大小，從而改變減振器剛度，使之由硬到中等，再到軟。一些系統(tǒng)還裝有防車輛點(diǎn)頭和后坐的控制裝置。橫向和縱向傳感器及轉(zhuǎn)向盤(pán)位置傳感器可觸動(dòng)計(jì)算機(jī)迅速改變阻尼比，以響應(yīng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。這些系統(tǒng)還裝備一個(gè)開(kāi)關(guān)、允許駕駛員選擇喜歡的行車形式：運(yùn)動(dòng)型或舒適型。一個(gè)車輪獨(dú)立地對(duì)路面變化做出響應(yīng)。G的壓力?？v性。現(xiàn)代汽車各種前、后懸架形式見(jiàn)圖3、4。汽車懸架系統(tǒng)上的最優(yōu)控制最優(yōu)控制首先是確定一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)，然后通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出使該函數(shù)取極值時(shí)的控制輸入。一般情況下，目標(biāo)函數(shù)的確定要靠經(jīng)驗(yàn)，最優(yōu)控制的解只有在極少數(shù)情況下才能得出解析解，有的可以通過(guò)計(jì)算機(jī)得到數(shù)值解、在汽車懸架系統(tǒng)上應(yīng)用的最優(yōu)控制較多，常用的有線性最優(yōu)控制、最優(yōu)預(yù)見(jiàn)控制等。在懸架系統(tǒng)較為理想的模型基礎(chǔ)上，采用受控對(duì)象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo)，同時(shí)保證受控結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。最優(yōu)預(yù)見(jiàn)控制是利用汽車前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸入，將測(cè)量的狀態(tài)變量反饋給前后將使控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間采取措施，因此可大大降低懸架系統(tǒng)的能耗，且改善懸架系統(tǒng)的控制性44在利用前輪擾動(dòng)信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見(jiàn)控制系統(tǒng)中，在決定后輪的控制指令時(shí)，電子控制器不僅考慮當(dāng)時(shí)后輪傳感器得到的各種信息，而且也考慮當(dāng)時(shí)的車速、前后輪間的跨距以及前輪各傳感器設(shè)置特殊的預(yù)見(jiàn)傳感器,只需改變控制軟件,便可提高后輪的減振效果。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架已不能滿足人們對(duì)汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。為使懸架系統(tǒng)能夠適同時(shí)，現(xiàn)代控制理論在汽車懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制中也得到廣泛應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用中選取哪一種或哪幾種綜合的電控技術(shù)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況。6.懸架系統(tǒng)電控技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，汽車懸架系統(tǒng)已進(jìn)入到利用電子控制器進(jìn)行控制的時(shí)代。運(yùn)用較優(yōu)的控制方法，得到高性能的減振效果，且使能耗盡可能的低,是汽車懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。經(jīng)電子控制器處理并發(fā)出指令進(jìn)行控制，由電液控制閥或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)或控制力。由于懸架系統(tǒng)是很復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，因此基于模型的線性反饋控制是不適用的。利用現(xiàn)代控制理論保證汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的研究日益完善。80就是通過(guò)各種反饋信息，調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，來(lái)提高舒適性和安全性。據(jù)試驗(yàn)測(cè)定可減少振動(dòng)80％以上。半主動(dòng)懸架則是駕駛員根據(jù)車輛行駛狀況，操縱電磁開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)阻尼特性，據(jù)稱可減少50%80Thun-derbird80Maxima指令來(lái)改變懸架剛變和阻尼，以減少振動(dòng)。與此同時(shí)，Cadillacseville或半主動(dòng)懸架。此后，豐田、三菱、奔馳等大公司均在其某些車型上提供半主動(dòng)懸架。通用公司在CadillacsevilleTRW80%。5watt的五連桿雙叉后懸架，使控制更加靈敏，不但可以提供安全可靠的穩(wěn)定性和行車舒適性。并且可以67.懸架技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)隨著汽車工程技術(shù)的進(jìn)步，決定乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性的汽車懸架技術(shù)得到了廣泛重視和深入研究，在汽車工業(yè)領(lǐng)域中主動(dòng)懸架受到日益廣泛的重視，已成為懸架技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。主動(dòng)懸架控制技術(shù)的進(jìn)展最早提出的主動(dòng)懸架控制方法是天棚阻尼器控制，由于控制算法簡(jiǎn)單，已經(jīng)得到了應(yīng)用。隨著現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，提出了主動(dòng)懸架隨機(jī)最優(yōu)控制方法，與天棚阻尼器控制相比，由于考慮了更多變量的影響，因而控制效果更好。自適應(yīng)控制方法具有參數(shù)辨識(shí)功能，能適應(yīng)懸架載荷和元件特性的變化，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，保持性能指標(biāo)最優(yōu)。90年代以來(lái)，模糊控制方法開(kāi)始應(yīng)用于懸架控制中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量處理單元(神經(jīng)元)所組成的高度并行的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)融合、學(xué)習(xí)適應(yīng)性和并行分布處理，故在車輛懸架的振動(dòng)控制中具有廣泛的應(yīng)用前景。制正日益得到廣泛的重視。目前應(yīng)用于振動(dòng)主動(dòng)控制的新型作動(dòng)器不斷涌現(xiàn)，主要有反作用式作動(dòng)器，以及由壓電陶瓷、形狀記憶合金、電/磁致伸縮材料或