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1、第24卷 第2期 2006年3月 北京工商大学学报(自然科学版) Journal of Beijing Technology and BusinessU niversity(Natural Science Edition) Vol124 No12 M ar.2006 文章编号: 167121513(2006)0220030204 汽车悬架的发展现状和展望 梁新成,黄志刚,朱亭,穆以东 (北京工商大学 机械自动化学院,北京100037) 摘要:阐述了汽车悬架的发展历史和现状,着重分析了悬架的原理,给出了衡量悬架的性能指 标,讨论了各种悬架的优缺点,并对未来悬架的发展做出了预测 关键词:悬架;平顺

2、性;稳定性;现状;展望 中图分类号: U 463121文献标识码: A 收稿日期: 20051223 作者简介:梁新成(1978- ),男,陕西华县人,硕士研究生,研究方向为机械制造及自动化 汽车悬架是车身和车轮之间的一切传力连接装 置的总称 它把路面作用于车轮的支承力、 牵引力、 制动力和侧向反力和这些力所产生的力矩传递到车 身上,来保证汽车的正常行驶悬架系统是汽车重要 的组成部分,汽车悬架系统的性能是影响汽车行驶 平顺性、 操纵稳定性和安全性的重要因素 因此,深 入研究汽车悬架是提高现代汽车质量的重要举措 1悬架的种类和工作原理 选取不同的标准,悬架有不同的分类方法根据 车桥是否断开,可分

3、为独立悬架和非独立悬架所谓 的非独立悬架,两侧的车轮由一根整体式车桥相连, 车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架连接 特点 是当一侧的车轮遇到路面冲击而跳动时,必然导致 另一侧车轮在汽车横向平面内摆动 独立悬架是车 桥做成断开的,每一侧车轮可以单独通过弹性悬架 与车架连接结构较非独立悬架复杂,但两侧的车轮 单独跳动时互不影响,可以提高乘坐的平顺性根据 悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变 化,可分为被动悬架、 半主动悬架、 全主动悬架半主 动悬架还可以按阻尼级分为有级式和无级式两 类1 虽然现代汽车的悬架种类繁多,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汽车 悬架的模型如

4、图12 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,容易使驾驶员疲劳而发生车祸,故减 振元件必须快速衰减振动 当车轮受到冲击而跳动 时,应使其运动轨迹符合一定的要求,否则会降低汽 车的平顺性和稳定性导向构件在传力的同时,必须 对方向进行控制 m1-簧下质量m2-车身质量k1、k2-隔振弹簧c-阻尼器 u-作动器l-轮胎 图1三种悬架的模型图 2悬架的发展历史和现状 完美是人类永恒的追求在马车出现的时候,为 了乘坐更舒适,人类就开始对马车的悬架叶片 弹簧进行孜孜不倦的探索 在1776年,马车用的叶 片弹簧

5、取得了专利,并且一直使用到20世纪30年 代,叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧代替 汽车诞生后, 随着对悬架研究的深入,相继出现了扭杆弹簧、 气体 03 弹簧、 橡胶弹簧、 钢板弹簧等弹性件1934年世界上 出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架3 被动 悬架的模型如图 1( a)所示 被动悬架的参数根据经 验或优化设计的方法确定,在行驶过程中保持不变 它是一系列路况的折中,很难适应各种复杂路况,减 振的效果较差为了克服这种缺陷,采用了非线性刚 度弹簧和车身高度调节的方法,虽然有一定成效,但 无法根除被动悬架的弊端 被动悬架主要应用于中 低档轿车上,现代轿车的前悬架一般采用带有横向 稳定杆的麦弗逊式悬架

6、,比如桑塔纳、 夏利、 赛欧等 车,后悬架的选择较多,主要有复合式纵摆臂悬架和 多连杆悬架 半主动悬架的研究工作开始于1973年,由 D. A. Crosby和D. C. Karnopp首先提出模型如 1( b ). 半主动悬架以改变悬架的阻尼为主,一般较少考虑 改变悬架的刚度工作原理是:根据簧上质量相对车 轮的速度响应、 加速度响应等反馈信号,按照一定的 控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度 半主动悬架 产生力的方式与被动悬架相似,但其阻尼或刚度系 数可根据运行状态调节,这和主动悬架极为相似有 级式半主动悬架是将阻尼分成几级,阻尼级由驾驶 员根据 “路感” 选择或由传感器信号自动选择 无级 式半

7、主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状 态,对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无 级调节由于半主动悬架结构简单,工作时不需要消 耗车辆的动力,而且可取得与主动悬架相近的性能, 具有很好的发展前景4 随着道路交通的不断发展,汽车车速有了很大 的提高,被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的 瓶颈,为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主 动悬架主动悬架的概念是1954年美国通用汽车公 司在悬架设计中率先提出的 主动悬架的模型如图 1( c)所示它在被动悬架的基础上,增加可调节刚度 和阻尼的控制装置,使汽车悬架在任何路面上保持 最佳的运行状态控制装置通常由测量系统、 反馈控 制系统、 能源系统等组成

8、20世纪80年代,世界各大 著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种悬 架丰田、 洛特斯、 沃尔沃、 奔驰等在汽车上进行了较 为成功的试验装置主动悬架的汽车,即使在不良路 面高速行驶时,车身非常平稳,轮胎的噪音小,转向 和制动时车身保持水平特点是乘坐非常舒服,但结 构复杂、 能耗高,成本昂贵,可靠性存在问题 由于种种原因,我国的汽车绝大部分采用被动 悬架在半主动和主动悬架的研究方面起步晚,与国 外的差距大 在西方发达国家,半主动悬架在20世 纪80年代后期趋于成熟,福特公司和日产公司首先 在轿车上应用,取得了较好的效果主动悬架虽然提 出早,但由于控制复杂,并且牵涉到许多学科,一直 很难有大的突

9、破进入20世纪90年代,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 单位对主动悬架展开研究 3汽车悬架的评价指标 汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性是衡量汽车 悬架的主要指标 所谓平顺性就是指汽车在正常行 驶时,避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击 使人感到不舒适、 疲劳甚至损害健康,或使货物损坏 的性能5因为其主要由乘员的舒适度来衡量,所以 又叫乘坐舒适性 操纵的稳定性是指在驾驶员不感 觉到过分的紧张、 疲劳的条件下,汽车能按照驾驶员 通过转向系及转向车轮给定的方向(直线或曲线)行 驶;并且当受到外界干扰(道路平整程度、 风向、 货物

10、 的偏载等 ), 汽车能抗干扰而稳定行驶的性能 它是 决定汽车高速行驶安全的重要指标 d-簧上质量的位移d0-路面激励幅值f-路面激励频率 fn-悬架固有频率-相对阻尼比 图2三种悬架的频响特性 图2是当悬架系统的相对阻尼系数为01707时, 三种悬架的减振性能 图中纵坐标为簧上质量的位 移和路面激励幅值之比,横坐标为路面激励频率和 悬架系统固有频率之比从理论上讲,悬架的平顺性 和操纵稳定性是一对矛盾,平顺性要求弹簧阻 尼系统较软,尽可能对冲击进行缓冲;而操纵稳定 性,特别是转向时不侧倾、 制动时不点头又要求弹簧 阻尼系统较硬,传统的被动悬架是两种矛盾的 折中 13第24卷 第2期梁新成等:汽

11、车悬架的发展现状和展望 从图上可知主动悬架的平顺性能最好 它采用 许多新兴的控制技术和使用大量电子器件,可使悬 架的稳定性得到保证因此,主动悬架的平顺性和操 纵稳定性是最好的,是汽车悬架必然的发展方向 1990年,西班牙学者J. M. DEL. Castillo等人用八 自由度模型在时域和频域分别进行了优化研究,取 得了与上述相似的结果6 4悬架的发展趋势 被动悬架是传统的机械结构,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 路况下达到较好效果 但它的理论成熟、 结构简单、 性能可靠,成本相对低廉且不需额外能量,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

12、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 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

13、噪音和冲击等特点,因此是目前发展的主要方向在 国外,改变减振液粘性的方法主要有电流变液体和 磁流变液体两种 北京理工大学的章一鸣教授进行 了阻尼可调节半主动悬架的研究,林野进行了悬架 自适应调节的控制决策研究,哈工大的陈卓如教授 对车辆的自适应控制方面进行了研究3 执行策略 的研究是通过确定性能指标,然后进行控制器的设 定 目前,模糊控制在这方面应用较多7 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、 输出输入电路和各种接口,元器件的增加降低了 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

14、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的优点,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,使主动悬架由理论转化为实 际应用 悬架技术的每次跨越,都和相关学科的发展密 切相关计算机技术、 自动控制技术、 模糊控制、 神经 网络、 先进制造技术、 运动仿真等为悬架的进一步发 展提供了有力的保障 悬架的发展也给相关学科提 出更高的理论要求,使人类的认识迈向新的、 更高的 境界 5结束语 现有的被动悬架将逐渐向半主动、 主动悬架过 渡电动器件的优越性,将会取代液压器件大规模 和超大规模集成电路的发

15、展,会使电子元件集成度 得以提高,从而促进可靠性得到保障,使悬架更加智 能化而满足人们的要求 参考文献: 1陈家瑞.汽车构造M .北京:人民交通出版社, 2003: 205209. 2曹民,范永法.汽车悬架技术的进展与预测J .上海汽 车, 2000, (7): 1719. 3王慧文,孙晓娟,张伟.汽车悬架控制技术的发展J . 森林工程, 1998, 14(1): 2930. 4孙建民,孙风英.汽车悬架系统的发展及控制技术研究 现状J .黑龙江工程学院学报, 2001, 15(1): 5760. 5GB- 4971- 85 .汽车平顺性名词术语和定义S. 6DELJ M.Castillo an

16、d others,Opti m ization for V ehicle Suspension: Frequency DomainV ehicle system dynam icsJ . V ehicle system dynam ies, 1990, (19). 7林弋辉.车辆半主动悬架的控制策略及仿真J .四川 工业学院学报, 2004, (23): 132134. 23北京工商大学学报(自然科学版)2006年3月 DEVELOPM ENTOF CARS SUSPENSI ON STATUS AND PROPHET OF NEW TECHNOLOGY L I AN G Xin2cheng,

17、HUAN G Zhi2gang,ZHU T ing,MU Yi2dong (College of M echanical Eng ineering and A utom ation,B eijing T echnology and B usiness U niversity,B eijing100037,China) Abstract: This paper described the development of cars suspension status, mainly analyzed the function of suspension,introduced howto measur

18、e suspension, also discussed all kinds of suspensions excellence and defect,and predicted the newtechnology in the future about suspension. Key words: suspension; ride comfort; stabilization; status; prospect (责任编辑:檀彩莲) (上接第29页) THERMAL-STRUCTURAL FINITE ELEM ENT ANALYSISOF LAM INAL PRESSURE VESSEL COVER ZHAN G A i2mei,ZHAN G Yuan,M EN G Cun2ling (College of M echanical Eng ineering and A utom ation,B eijing T echnology and B usiness U niversity,B eijing100037,China) Ab