汽车悬架综述

汽车悬架系统综述

前言

悬架系统是汽车的重要总成之一，汽车悬架连接车架(或车身)和车轮(或车桥)，主要由弹簧、减振器和导向机构三大部分组成。其作用是传递路面作用在车轮和车架上的支承力、牵引力、制动力和侧向反力以及这些力所产生的力矩，并且缓冲和吸收由不平路面通过车轮传给车架或车身的振动与冲击，抑制车轮的不规则振动，提高车辆平顺性(乘坐舒适性)和安全性(操纵稳定性)，减少动载荷引起的零部件和货物损坏。 悬架分类

按照不同的分类方法可将悬架系统分为不同的种类。按导向机构的不同可以分为与非悬架;按弹性元件的不同可分为钢板弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、空气弹簧悬架、油气弹簧悬架、橡胶弹簧悬架等;按阻尼元件的不同，可以分为阻尼系数固定和阻尼系数可调悬架;按悬架参数是否可控，可将悬架分为被动悬架和可控悬架，可控悬架又称为智能悬架。汽车可控悬架一般包括具有一定自适应性的车身高度调节悬架和主动悬架及半主动悬架。目前典型的车身高度调节系统有可调空气悬架系统和可调油气悬架系统两种。 1. 被动悬架

被动悬架即传统意义上的悬架，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，减振器主要起衰减振动作用。经过几十年的发展，人们对被动悬架的设计已经积累了丰富的经验，它具有结构简单、性能可靠、造价低廉和不消耗外界能量等优点，因此在车辆上一直得到广泛应用。目前国内车辆大多数还是采用被动悬架。这种传统悬架系统是针对特定的路面状况和汽车运行状况设计的，其实质是借助弹性元件和减振器来缓和衰减汽车行驶时产生的振动，悬架的刚度与阻尼参数是不可调的，系统振动特性固定不变，它不能根据汽车的运行状况和路面状况进行实时调节，只能在特定工况下达到最优的减振效果。其结构示意图如图1.1所示，图中Mb为簧载(车身)质量，Mt为非簧载(车轮轴)质量，Kb为悬架弹簧刚度，K:为轮胎等效刚度，cb为悬架阻尼系数，X。为路面输入位移，xt为车轮位移，凡为车身位移。

2．主动悬架

主动悬架具有可变的弹簧特性和阻尼特性，力作动器和相应的外加动力源替代了被动悬架中的弹簧和减振器或在被动悬架的基础上增加一力作动器。它依靠外界能源向悬架部件提供能量，并能对能量的大小进行控制。根据作动器响应带宽的不同，主动悬架又分为宽带主动悬架和有限带宽主动悬架，也称为全主动悬架和慢主动悬架。

全主动悬架采用可控的作动器组成一个闭环控制系统，其作动器通常是一个具有较宽的频率范围的气动或液动油缸，根据控制信号产生相应大小的作用力。作动器的响应带宽一般至少包括车辆经常遇到的频率范围0-15HZ，有的作动器响应带宽可以高达100HZ，为了减少

能量消耗，一般保留一个与作动器并联的弹簧，用来支持车身的静载荷团。结构示意图如图1.2所示。

慢主动悬架通常由一个响应速度稍慢的作动器和一个普通弹簧相串联，再与一个被动阻尼器并联构成。结构示意图如图 1.3所示。慢主动悬架仅在一个低频范围(频带宽。一6Hz)内进行主动控制。由于慢主动悬架作动器仅需在一窄带频率范围内工作，所以它降低了系统的成本及复杂程度，比全主动悬架便宜得多。慢主动悬架降低了对车轮的振动，使系统的能量消耗大幅度降低，基本上可以达到全主动悬架的控制水平，但当激励超过上限频率以后，会对汽车的乘坐舒适性产生不良影响，需要采取一定的补偿措施。

3.半主动悬架

半主动悬架介于主动悬架和被动悬架之间，可以根据路况和行驶状况的变化，在一定范围内对悬架弹簧刚度或减振器的阻尼系数进行调节。其基本原理是，根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以适应各种行驶工况，从而达到较好的减振效果。结构示意图如图1.4所示

一般地，汽车悬架弹性元件需要承载车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难得多，目前主要通过调节减振器的阻尼系数来实现，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到的汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由电子控制单元ECU根据控制策略发出控制信号，实现对减振器阻尼系数的有级或无级可调。

半主动悬架分为可切换半主动悬架和连续可调半主动悬架。

可切换半主动悬架的阻尼系数只能在几个离散的阻尼值之间进行切换，系统一般具有2-3个阻尼值设置，它的阻尼可以在几个档位之间进行快速地切换，切换的时间通常为10ms-20ms.可切换半主动悬架实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。

连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定范围内可以连续调节。阻尼调节一般有以下两种方式:

(1) 节流孔径调节

一般通过步进电机或电磁阀驱动减振器的阀杆，连续调节阻尼器节流阀的通流面积来改变其阻尼特性。快速调节通流面积容易引起流量的严重脉动，影响控 制效果，且结构复杂，成本较高。 (2)电/磁流变液粘性调节

另一种实现阻尼调节的方式是使用电流变或磁流变液体作为减振液，来实现阻尼无级可调。其中电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如钻度、剪切强度等都将发生显著变化。只需改变其外部施加的电场强度，便可改变电流变液体的钻度，从而改变减振器阻尼力。通过电/磁流变液粘性调节来改变阻尼是目前发展的主要方向。

相对于全主动悬架，半主动悬架具有耗能小、成本低、控制简单、易于实现以及可靠性较高的优点，且控制效果与主动悬架基本相当。因此，半主动悬架日益受到人们的重视，成为了研究的热点。研究性能可靠、调节方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略是半主动悬架实现产业化的前提。