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吸收的。在汽車的行駛過程中，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、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，在車輛行駛過程中，就無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此其減震性能的進(jìn)一步提高受到限制，這種懸架成為被動(dòng)懸架。為了克服被動(dòng)懸架的缺陷，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)。因此系統(tǒng)必須是有源的。半主動(dòng)懸架則由無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，還得承受車身重量及載荷，因此半主動(dòng)懸架不考慮改變懸架的剛度而只考慮改變懸架的阻尼。由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在工作時(shí)，幾乎不消耗車輛動(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。未見國內(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，一種是通過改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼；一種是通過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電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無級(jí)的調(diào)節(jié)，這種方法成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無噪音和沖擊等特點(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)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)速越來越快，這就使得人們對(duì)汽車懸架系統(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、縱向反力和側(cè)向反力以及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，因此汽車懸架系統(tǒng)對(duì)整車的行駛有著至關(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)品開發(fā)過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。國外已經(jīng)研制了IMP、ADAMS和DAMN等仿真軟件，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來說，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)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)