求現代汽車懸架的新技術？

1.汽車懸架的功能與組成　　現代汽車除了保證其基本性能，即行駛性、轉向性和制動性等之外，目前正致力於提高安全性與舒適性，向高附加價值、高性能和高質量的方向發展。對此，尤其作為提高操縱穩定性、乘坐舒適性的轎車懸架必須進行相應的改進。舒適性是汽車最重要的使用性能之一。舒適性與車身的固有振動特性有關，而車身的固有振動特性又與懸架的特性相關。懸架是汽車上的重要總成之一，它把車身和車輪彈性地連接在一起。懸架的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動力和驅動力等，並且緩和由不平路面傳給車身的衝擊載荷、衰減由此引起的振動、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。懸架與汽車的多種使用性能有關，為滿足這些性能，懸架系統必須能滿足這些性能的要求:首先，懸架系統要保證汽車有良好的行駛平順性，對以載人為主要目的的轎車來講，乘員在車中承受的振動加速度不能超過國標規定的界限值。其次，懸架要保證車身和車輪在共振區的振幅小，振動衰減快。再次，要能保證汽車有良好的操縱穩定性，一方面懸架要保證車輪跳動時，車輪定位參數不發生很大的變化，另一方面要減小車輪的動載荷和車輪跳動量。還有就是要保證車身在制動、轉彎、加速時穩定，減小車身的俯仰和側傾。最後要保證懸架系統的可*性，有足夠的剛度、強度和壽命。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適性的重要部件。同時，汽車懸架做為車架(或車身)與車軸(或車輪)之間作連接的傳力機件，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術規格表，作為衡量轎車質量的指標之一。　　汽車懸架包括彈性元件，減振器和傳力裝置等三部分，這三部分分別起緩衝，減振和力的傳遞作用。彈性元件用力傳遞垂向力，並緩和由路面不平度引起的衝擊和振動。從轎車上來講，彈性元件多指螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和及抑制不平路面對車體的衝擊，具有佔用空間小，質量小，無需潤滑的優點，但由於本身沒有摩擦而沒有減振作用。減振器指液力減振器，是為了加速衰減車身的振動，它是懸架機構中最精密和複雜的機械件。傳力裝置是指車架的上下擺臂等*形剛架、轉向節等元件，用來傳遞縱向力，側向力及力矩，並保證車輪相對於車架(或車身)有確定的相對運動規律。　　現代轎車的懸架一般採用質量小、性能穩定可*的筒式減震器。當轎車在不平坦的道路上行駛，車身會發生振動，減振器能迅速衰減車身的振動，利用本身的油液流動的阻力來消耗振動的能量。當車架與車軸相對運動時，減振器內的油液會通過一些窄小的孔、縫等通道反覆地從一個腔室流向另一個腔室，這時孔壁與油液間的摩擦和油液內的分子間的摩擦形成了對車身振動的阻力，這種阻力工程上稱為阻尼力。阻尼力會將車身的振動能轉化為熱能，並被油液和殼體所吸收。人們為了更好地實現轎車的行駛平穩性和安全性，將阻尼係數不固定在某一數值上，而是能隨轎車運行的狀態而變化，使懸架性能總是處在最優的狀態附近。因此，有些轎車的減振器是可調式的，將阻尼分成兩級或三級，根據感測器信號自動選擇所需要的阻尼級。　　為了提高轎車的舒適性，現代轎車懸架的垂直剛度值設計得較低，用通俗話來講就是很「軟」，這樣雖然乘坐舒適了，但轎車在轉彎時，由於離心力的作用會產生較大的車身傾斜角，直接影響到操縱的穩定性。為了改善這一狀態，許多轎車的前後懸架增添橫向穩定桿，當車身傾斜時，兩側懸架變形不等，橫向穩定桿就會起到類似槓桿作用，使左右兩邊的彈簧變形接近一致，以減少車身的傾斜和振動，提高轎車行駛的穩定性從外表上看似簡單的懸架，包含著多種力的合作，決定著轎車的穩定性、舒適性和安全性，是現代轎車十分關鍵的部件之一。　　2.現代汽車懸架的形式　　根據導向機構的不同可將汽車懸架分為獨立懸架和非獨立懸架兩大類。70年代又發展了一種前後懸架或左右懸架相通的交聯式懸架。非獨立懸架的車輪裝在一根整體車軸的兩端，當一邊車輪跳動時，影響另一側車輪也作相應的跳動，使整個車身振動或傾斜，汽車的平穩性和舒適性較差，但由於構造較簡單，承載力大，目前仍有部分轎車的後懸架採用這種型式。　　獨立懸架的車軸分成兩段，每隻車輪用螺旋彈簧獨立地安裝在車架(或車身)下面，當一邊車輪發生跳動時，另一邊車輪不受波及，汽車的平穩性和舒適性好。但這種懸架構造較複雜，承載力小。現代轎車前後懸架大都採用了獨立懸架，並已成為一種發展趨勢。　　獨立懸架的結構分有燭式、麥弗遜式、連桿式等多種，其中燭式和麥克弗遜式形狀相似，兩者都是將螺旋彈簧與減振器組合在一起，但因結構不同又有重大區別。燭式採用車輪沿主銷軸方向移動的懸架形式，形狀似燭形而得名。特點是主銷位置和前輪定位角不隨車輪的上下跳動而變化，有利於汽車的操縱性和穩定性。麥克弗遜式是絞結式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉向主銷，轉向節可以繞著它轉動。特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，這點與燭式懸架正好相反。這種懸架構造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩定性。所以，目前轎車使用最多的獨立懸架是麥弗遜式懸架。　　3.現代汽車懸架上的零部件　　螺旋彈簧：是現代汽車上用得最多的彈簧。它的吸收衝擊能力強，乘坐舒適性好；缺點是長度較大，佔用空間多，安裝位置的接觸面也較大，使得懸架系統的布置難以做到很緊湊。由於螺旋彈簧本身不能承受橫向力，所以在獨立懸架中不得不採用四連桿螺旋彈簧等複雜的組合機構。出於乘坐舒適性的考慮，希望對於頻率高且振幅小的地面衝擊，彈簧能表現得柔軟一點，而當衝擊力大時，又能表現出較大的剛性，減小衝擊行程，因此需要彈簧同時具有兩種甚至兩種以上的剛度。可採用鋼絲直徑不等的彈簧或螺距不等的彈簧，它們的剛度隨負載的增加而增加。　　鋼板彈簧：多用於廂式車及卡車，由若干片長度不同的細長彈簧片組合而成。它比螺旋彈簧結構簡單，成本低，可緊湊地裝配於車身底部，工作時各片間產生摩擦，因此本身具有衰減效果。但如果產生嚴重的干摩擦，就會影響吸收衝擊的能力。重視乘坐舒適性的現代轎車很少使用。　　扭桿彈簧：是利用具有扭曲剛性的彈簧鋼製成的長桿。一端固定於車身，一端與懸架上臂相連，車輪上下運動時，扭桿發生扭轉變形，起到彈簧的作用。　　氣體彈簧：利用氣體的可壓縮性代替金屬彈簧。它最大的優點就是具有可變的剛度，隨氣體的不斷壓縮漸漸增加剛度，且這種增加是一個連續的漸變過程，而不象金屬彈簧是分級變化的。它的另一個優點是具有可調整性，即彈簧的剛度和車身的高度是可以主動調節的。　　通過主副氣室的配合使用，使彈簧可以處在兩種剛度的工作狀態下：主副氣室同時使用，氣體容量變大，剛度變小，反之(只使用主氣室)則剛度變大。氣體彈簧剛度由計算機控制，在汽車高速、低速、制動、加速以及轉彎等狀態下，根據所需剛度進行調節。氣體彈簧也有弱點，*壓力變化控制車高必須裝備氣泵，還有各種控制附件，如空氣乾燥器，如保養不善會使系統內部生鏽發生故障。另外如果不同時採用金屬彈簧，一旦發生漏氣，汽車將無法行駛。　　4.汽車空氣懸架的應用與發展　　空氣懸架誕生於十九世紀中期，早期用於機械設備隔振。1947年，美國首先在普耳曼汽車上使用空氣懸架，義大利、英國、法國及日本等國家相繼對汽車空氣懸架作了應用研究。經歷了一個世紀的發展，到二十世紀五十年代才被應用在載重車、大客車、小轎車及鐵道汽車上。目前國外高級大客車幾乎全部使用空氣懸架，重型載貨車使用空氣懸架的比例已達80%以上，空氣懸架在輕型汽車上的應用量也在迅速上升。部分轎車也逐漸安裝使用空氣懸架，如美國的林肯等。在一些特種車輛(如對防震要求較高的儀錶車、救護車、特種軍用車及要求高度調節的集裝箱運輸車等)上，空氣懸架的使用幾乎為唯一選擇。　　國外汽車空氣懸架發展經歷了「鋼板彈簧→氣囊複合式懸架→被動全空氣懸架→主動全空氣懸架(即ECAS電控空氣懸架系統)」的變化型式。主動全空氣懸架應用了電子控制系統，使傳統的空氣懸架系統的性能得到很大改善，汽車在各種路面、各種工況條件下能實現主動調節、主動控制，並增加了許多輔助功能(如故障診斷功能等)。目前ECAS系統在歐洲一些國家的大客車上已經大量應用，隨著人們生活水平的提高，對汽車舒適性的要求越來越高，可以預見，ECAS這一先進的空氣懸架系統在汽車上的應用將越來越普及。　　近幾年，我國空氣懸架的需求主要是與高等級客車的銷售量直接相關，2002年高級客車銷售量為4000台左右，2003年突破6000台，據統計高級客車的需求以每年15％的速度增長。根據國家汽車行業「十五規劃」要求：我國的客車將重點發展適應高速公路需要的大中型客車，專用客車底盤及關鍵總成。及根據市場需求適當發展高檔旅遊客車。十五規劃預測，2005年大中型客車年需求量為12～16萬輛，交通部頒布實施JT/T325-2002的行業標準，對大中型客車配置懸架類型作了規定，其中高級大中型客車必須採用空氣懸架。這為空氣懸架產品的推廣使用創造了一個良好的外部環境。　　5.懸架的電子控制技術　　汽車行駛的平順性和操縱穩定性對於懸架構成了一對矛盾，平順性要求彈簧－阻尼系統較軟，而操縱穩定性，特別是轉向時不側傾，制動時不點頭又要求彈簧--阻尼系統較硬，傳統的懸架(彈簧和阻尼系統)是矛盾的折衷。懸架的電子控制技術為更好地解決這一問題找到了辦法。　　隨著電子技術的飛速發展，車用微機、各種感測器、執行元件的可*性和壽命都大幅度提高，電子控制技術被有效應用於懸架控制中。為了確保懸架的主要特性，即避震性(振動衰減力)、彈性常數、減振器行程，不斷研製成功了能適應各種行駛工況的最優控制機構。1980年首次應用了車高調節控制技術。1981年又開發成功手動變換減振力的新技術。此後又開發了自動變換減振力、彈性常數的電子控制懸架。1987年世界上首先推出裝有主動懸架的轎車，這是備有控制懸架特性能量的空壓式主動懸架。1989年又出現了裝有油壓式的主動懸架轎車。機械控制的方法存在著控制功能少，不能適應多種使用工況的問題。機械式車高調整系統的典型例子稱為高度選擇器的利用水平校驗閥控制車高的裝置。在微小突起路面行駛時，輸入懸架的主要頻率成分為20～5OHz，與彈簧下共振區以上部位，充分應用振幅小的輸入特性，利用機械方式改變減振器油的通路面積，控制減振力，提高乘坐舒適性。　　90年代以來，隨著電子技術的飛速發展，研製成功應用電子控制的車高調整裝置，接著出現了減振力控制裝置。車高調整裝置可分為油壓式與空壓式二大類。一般採用價格便宜、結構簡單的空壓式車高調整裝置。空壓式又可分為兼用螺旋彈簧與只使用空氣彈簧的二種。只控制減振力的系統由於結構簡單，能有效控制車輛的過渡狀態運動，所以開發了包含手動式變換的多種控制裝置。當採用電子控制時，由最初車速感測器等少數感測器進行減振力的2段控制，發展到多個感測器3段控制，以適應多種行駛狀態變化。感測器與執行元件也應用了電阻元件，提高了響應性。在複合式主動懸架控制系統中，採用了控制減振力和車高調整的裝置、另增加了彈性常數的控制。為了進一步提高行駛性能和乘坐舒適性，車輛備有儲能器，能在惡劣路面上，或者緊急轉向、緊急制動時控制車輛運動狀態，並能顯著降低路面衝擊力。1985年出現了四輪轉向裝置，這是一種首先控制懸架元件，主動控制後輪，顯著提高車輛運動性能的裝置。此後，開發了具有後輪轉向功能的四輪轉向系，其型式分為機械式、油壓式、電動方式等。　　主動懸架技術趨於成熟，福特公司和日產公司首先在轎車上應用，能根據汽車的行駛狀況或根據超聲波識別的路面情況，通過電磁閥液壓系統，改變阻尼，在幾十毫秒中消除路面不平引起的振動。進入90年代，豐田、賓士、通用等大公司，均在轎車產品中採用了半主動懸架技術。LOTUS、日產等公司還開發出了全主動懸架技術，但因成本昂貴，且消耗動力，目前尚未批量生產。目前國內尚未有汽車產品採用此項技術，北京理工大學、同濟大學等單位開展了一些研究工作。開發出具有半主動懸架技術的產品，在部分轎車上採用.6.懸架技術發展的趨勢　　(1)被動懸架的應用和發展　　被動懸架是指剛度和阻尼都不能變化，無額外作動力的懸架。它由彈簧、減震器和導向機構組成。被動懸架是傳統的機械結構，它結構簡單、性能可*，成本低且不需額外能量，因而應用最為廣泛。但是被動懸架的剛度和阻尼都是不可調的，按照隨機振動理論，它只能保證在特定的工況下達到最優減振效果，難以適應不同的道路和使用狀況；同時利用被動懸架還難以同時獲得良好的乘坐舒適性和操縱穩定性，因為兩者對懸架的要求是矛盾的。根據研究，要獲得良好的舒適性，懸架應該軟一點；為得到良好的操縱穩定性，懸架應該硬一點。實際應用中往往兩者折中，根據需要偏重一個方面。被動懸架主要應用於中低檔轎車上，現代轎車的前懸架一般採用帶有橫向穩定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、夏利、賽歐等，後懸架的選擇稍多，主要有複合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。彈性元件一般採用螺旋彈簧加橡膠襯套，減震器多選用筒式液力減震器，不同的懸架主要是由於導向機構的變化。改進被動懸架性能的研究集中在三個方面:一是如何尋找最優的懸架參數，主要通過建模模擬來實現；二是研究漸變剛度彈簧和機械可變阻尼減震器，使懸架參數能在一定範圍內適應不同的工況；三是懸架導向機構的研究，這方面的重點是帶有橫向穩定桿的多連桿懸架。隨著汽車工程技術的進步，決定乘坐舒適性和操縱穩定性的汽車懸架技術得到了廣泛重視和深入研究，在汽車工業領域中主動懸架受到日益廣泛的重視，已成為懸架技術發展的重要趨勢。　　(2)主動懸架　　隨著高速公路的發展，汽車車速有了很大的提高，傳統被動懸架的缺點逐漸成為提高汽車性能的限制因素，為此人們開發了能同時提高舒適性和操縱穩定性的主動/半主動懸架。主動懸架的概念是1954年通用汽車公司在懸架設計中提出的。主動懸架能夠根據懸掛質量的振動加速度，利用電控部件主動地控制汽車的振動。主動懸架一般由隔振彈簧、控制器和作動器組成。　　主動懸架不但能很好地隔離路面振動，而且能控制車身運動，比如啟動和制動時的俯仰、轉彎時的側傾等，另外還可以調節車身的高度，提高轎車在惡劣路面的通過性。不過主動懸架結構複雜，能耗大且成本很高，故目前主要應用於賽車和高級轎車上。賓士公司最新的主動懸架系統(簡稱ABC)則通過抑制車身在行駛時的起伏、傾斜及跳動來提高舒適性。　　對主動懸架的研究目前主要集中兩個方面:一個是控制策略；另一個是作動器。最早的主動懸架控制策略是天棚原理，假設車身上方有一固定的慣性參考，在車身和慣性參考之間有一阻尼器，作動器模擬此阻尼器的作用力來衰減車身的振動。這種控制演算法簡單，在國外某些車型上已經得到了應用。隨著現代控制理論的發展，提出了主動懸架的最優控制方法，它比天棚原理考慮了更多的變數，控制效果更好，目前最優控制規律有三種:線性最優控制、HQ最優控制和最優預見控制。由於實際懸架系統中有許多非線性的、時變的、高階動力系統，使最優控制方法變得不穩定，為此又發展了自適應控制方法。自適應控制方法具有參數識別功能，能適應懸架載荷和元件特性的變化，自動調整控制參數，保持性能最優。自適應控制方法也有增益調度控制、模型參考自適應控制和自校正控制三類。在德國大眾汽車公司的底盤上應用了自適應控制規律。目前發展最迅速的控制策略是智能控制(模糊控制和神經網路控制)。模糊控制方法具有制動調節輸入變數的組合、隸屬函數的參數和模糊規則數目等學習功能，計算機模擬結果表明該方法更有效。神經網路是一個由大量處理單元組成的高度並行的非線性動力系統，它能進行數據融合、學習適應性和並行處理，研究表明它比傳統控制有更好的性能。　　作動器是實現控制目標的重要環節，因此作對動器的研究也是主動懸架研究的重要內容。為保證主動懸架的良好性能，作動器必須具有靈敏、隱定、可*、能耗低、成本和總量低等特點。目前主動懸架上應用的作動器主要是液力式結構。尼桑公司則開發了蓄能式減震器，它將壓力控制閥同小型蓄能器及液壓缸結合起來，使路面不平度引起的振動被蓄能缸吸收，車身隔振由主動阻尼和被動阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不過液壓動力系統尚有許多不足之處，比如對工作環境有一定要求；元件製造精度要求高、成本難以下降；處理小信號的數字運算，誤差的檢測與放大、測試與補償、自動化與實現遠距離等功能不如電氣系統靈活準確等。因此現在作動器的研究主要集中在直線伺服電機、電磁蓄能器的方向。　　電氣動力系統中的直線伺服電機具有較多的優點，永磁直流直線伺服電機，其驅動性能優於液壓系統，今後將會取代液壓執行機構。運用電磁蓄能原理，結合參數估計自校正控制器，可望設計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應主動懸架。由於操縱穩定性與乘坐舒適性在汽車懸架結構設計上是很難獲得統一的，因此，長期以來成為轎車設計中的重要難點。採用新型電控技術，研究和開發一類控制有效、能耗低、造價合理的汽車懸架系統具有較高的經濟效益和社會效益。隨著汽車工程技術的進步，決定乘坐舒適性和操縱穩定性的汽車懸架技術得到了廣泛重視和深入研究，在汽車工業領域中主動懸架受到日益廣泛的重視，已成為懸架技術發展的重要趨勢。　　(3)半主動懸架　　雖然通過主動懸架能獲得一個比較理想的隔振系統，但主動懸架能量消耗大、成本高、結構複雜，目前還難以在商業上得到大規模的推廣和應用。為此Crosby和Karnop在1974年提出了基於天棚阻尼的半主動懸架的概念。半主動懸架是指懸架彈性元件的剛度和減震器的阻尼係數之一可以根據需要進行調節控制的懸架。由於彈簧剛度調節相對較難，半主動懸架主要通過調節減震器的阻尼係數實現。半主動懸架沒有專門產生控制力的元件，它按照感測器傳遞的數據由控制器算出所需的控制力，然後通過調節減震器的阻尼來模擬控制力，以衰減車身的震動。　　半主動懸架的研究同樣集中在兩個方面，一方面是執行器的研究，即阻尼可調減震器；另一方面是控制策略的研究。阻尼可調減震器主要有兩種，一種是通過改變節流孔的大小調節阻尼，另一種是通過改變減振液的粘性調節阻尼。節流孔的大小一般通過電磁閥或步進電機進行有級或無級的調節，這種方法成本較高，結構複雜。通過改變減振液的粘性來改變阻尼係數，具有結構簡單、成本不高、無噪音和衝擊等特點，因此是目前發展的主要方向。在國外，改變減振液的粘性主要有電流變液體和磁流變液體兩種類型，兩者也都有了一些產品問世。　　(4)各種懸架比較　　據分析和模型試驗的結果，主動懸架的減震效果最好，同時還解決了「平順性和操縱穩定性」的矛盾；半主動懸架的減震性能接近主動懸架，操縱穩定性優於被動懸架；被動懸架的性能相對最差。但是主動懸架的元件都比較昂貴，工作時又需要比較多的能量，同時主動懸架還使得整車質量增加。因此主動懸架會大大增加成本和能量消耗，這也是主動懸架不能大規模批量生產的原因。半主動懸架以控制阻尼為主，因此成本和能耗比主動懸架要低得多。被動懸架的成本最低，也不需消耗能量。綜合考慮性能和成本的因素，則半主動懸架的性價比是最高的，這也是半主動懸架商業應用多於主動懸架的原因。　　7.汽車懸架今後須要解決的技術　　被動懸架在一定的時間內仍將是應用最廣泛的懸架系統，通過進一步優化懸架結構和參數可以繼續提升懸架性能。主動懸架性能優越，出於成本原因還只能成為高級轎車和賽車的裝備。它的研究重點在於高性能的作動器和基於神經網路的控制策略方面。半主動懸架性能優於被動懸架，成本比主動懸架低得多，應該是今後懸架系統的主要發展方向。研究性能可*，調節方便的可調阻尼減震器和演算法簡單有效的控制策略將是半主動懸架走向大眾的必經之路。　　汽車懸架今後須要解決的技術有：a.油氣懸掛技術：由油氣部件和彈簧系統共同支撐車體，根據汽車變化的承載量，由油氣部件調節懸架的水平位置，使彈簧保持正常的使用位置。b.阻尼可調節減震器：由感測器感知汽車行駛時的狀況，包括載荷的大小、路面的不平、是否轉彎、是否加速或制動等，經電子控制單元分析判斷，通過電磁閥液壓系統，調節減震器的阻尼。此項技術又成為半主動懸架技術。c.全主動懸架技術：通過電液系統不僅調節阻尼而且調節彈力、水平位置等。　　針對懸架系統的非線性特點，研究適宜的懸架系統電控技術是汽車懸架系統振動性能改進的方向。懸架位於車身與輪胎之間，對車輛的運動性能、乘坐舒適性有重大的影響。按照路面行駛工況最優控制，懸架性能以確保車輛行駛性能與乘坐舒適性，電子控制懸架將進一步向高性能方向發展。作為實現這種對懸架的優化控制的方式之一，是利用「預知感測器」進行預知控制的「預知控制懸架」。目前已提出了多種的方案，並期待著這種新式感測器的出現。另一方面，從地球環境來考慮，為進一步節約能源，懸架控制向高壓力化、高電壓化、小型輕量化發展。在控制理論方面正在致力於模糊邏輯控制、神經網路控制等應用於懸架方面的研究。　　從外表上看似簡單的懸架，包含著多種力的合作，決定著轎車的穩定性、舒適性和安全性，是現代轎車十分關鍵的部件之一。隨著汽車結構和功能的不斷改進和完善，研究汽車振動，設計新型懸架電控系統，將振動控制到最低水平是提高現代汽車品質的重要措施。目前，汽車懸架系統已進入到利用電子控制器進行控制的時代。運用較優的控制方法，得到高性能的減振效果，且使能耗儘可能的低，是汽車懸架系統發展的主要方向。
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