汽车悬架的发展历程

汽车的悬架系统是指车身、车架和车轮之间的一个连接结构系统，而这个结构系统包含了避震器、悬架弹簧、防倾杆、悬吊副梁、下控臂、纵向杆、转向节臂、橡皮衬套和连杆等部件。当汽车行驶在路面上时因地面的变化而受到震动及冲击，这些冲击的力量其中一部份会由轮胎吸收，但绝大部分是依靠轮胎与车身间的悬架装置来吸收的。在汽车的行驶过程中，悬架的作用是弹性的连接车桥和车架，减缓行驶中车辆受到由路面不平引起的冲击力，保证乘坐舒适和货物完好，迅速衰减由于弹性系统引起的振动，传递垂直、纵向、侧向反力及其力矩，并起导向作用，使车轮按照一定轨迹相对车身运动。悬架决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，高档豪华大客车则使用空气弹簧。悬架的种类和工作原理根据悬架的阻尼和刚度是否随行驶条件的变化而变化，可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，半主动悬架还可以按阻尼分为有级式和无级式两类。传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，就无法进行调节，因此其减震性能的进一步提高受到限制，这种悬架成为被动悬架。为了克服被动悬架的缺陷，20世纪60年代提出了主动悬架的概念，主动悬架就是由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和路面状况主动作出反应，以抑制车体的运动，使悬架始终处于最优减震状态。所以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。因此系统必须是有源的。半主动悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成。在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和贮存能量外，还得承受车身重量及载荷，因此半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单，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。由于路面输入的随机性，车辆悬架阻尼的控制属于自适应控制，即所设计的系统在输入或干扰发生大范围的变化时，能自适应环境，调节系统参数，使输出仍能被有效控制，达到设计要求。它不同于一般的反馈控制系统，因为它处理的具有“不确定性”的反馈信息。自适应控制系统按其原理不同，可分为校正调节器和模型参考自适应控制系统两大类，由于要建立一个精确的“车辆-底面”系统模型还很困难，故目前的主动悬架，多采用自校正调节器。虽然现代汽车的种类较多，结构差异较大，但一般由弹性元件、减振元件和导向构件组成。工作原理是：当汽车轮胎受到冲击时，弹性元件对冲击进行缓冲，防止对汽车构件和人员造成损伤。但弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振动，容易使驾驶员疲劳。故减振元件应快速且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入20世纪90年代，扔仅应用于排气量大的豪华汽车。未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等少数几个研究机构对主动悬架展开研究。悬架的发展趋势由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。被动悬架是传统的机械机构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好的效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对较低廉且不需要额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元方法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。半主动悬架的研究集中在两个方面：执行策略的研究；执行器的研究。阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼；一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。主动悬架研究也集中在两个方面：可靠性；执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输入输出电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多优点，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转化为实际应用。随着交通的发展，高速公路逐渐改善，汽车的时速越来越快，这就使得人们对汽车悬架系统有更高的要求。汽车悬架系统把路面作用于车轮上的支撑力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都传递到车架上，以保证汽车的正常行驶，因此汽车悬架系统对整车的行驶有着至关重要的影响，汽车悬架系统的动力学仿真在整车设计和开发中占有很高的地位。在汽车工程领域，仿真软件能在产品开发过程中避免零部件和样机的重复制造，减少资源、时间和资金的浪费，可以运用仿真软件在汽车工程领域更好地进行运动学的动力性研究。国外已经研制了IMP、ADAMS和DAMN等仿真软件，用于汽车运动学领域。结论随着Solidworks,Pro/E,CATIA,UG,ADAMS,ANSYS等CAD/CAE软件的发展，对汽车悬架的研究和发展起了关键性的作用，通过有限元法，计算机仿真技术，计算机优化设计等方法降低了企业的研发成本，缩短了研发周期。总体来说，主动悬架的减振效果好，性能优越，解决了“平顺性和操纵稳定性”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