汽車懸架的發(fā)展歷程

汽車懸架的發(fā)展歷程汽車的懸架系統(tǒng)是指車身、車架與車輪之間的一個連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而這個結(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、橡皮襯套與連桿等部件。當汽車行駛在路面上時因地面的變化而受到震動及沖擊，這些沖擊的力量其中一部份會由輪胎吸收，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與車架，減緩行駛中車輛受到由路面不平引起的沖擊力，保證乘坐舒適與貨物完好，迅速衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動，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車身運動。懸架決定著汽車的穩(wěn)定性、舒適性與安全性，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)向機構(gòu)以及減震器等組成，個別結(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與扭桿彈簧，高檔豪華大客車則使用空氣彈簧。懸架的種類與工作原理根據(jù)懸架的阻尼與剛度是否隨行駛條件的變化而變化，可分為被動懸架、半主動懸架與主動懸架，半主動懸架還可以按阻尼分為有級式與無級式兩類。傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)的剛度與阻尼系數(shù)，第1頁是按經(jīng)驗設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計方法選擇的，一經(jīng)選定后，在車輛行駛過程中，就無法進行調(diào)節(jié)，因此其減震性能的進一步提高受到限制，這種懸架成為被動懸架。為了克服被動懸架的缺陷，20世紀60年代提出了主動懸架的概念，主動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。它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛的運動狀態(tài)與路面狀況主動作出反應(yīng)，以抑制車體的運動，使懸架始終處于最優(yōu)減震狀態(tài)。所以主動懸架的特點就是能根據(jù)外界輸入或車輛本身狀態(tài)的變化進行動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。因此系統(tǒng)必須是有源的。半主動懸架則由無源但可控制的阻尼元件組成。在車輛懸架中，彈性元件除了吸收與貯存能量外，還得承受車身重量及載荷，因此半主動懸架不考慮改變懸架的剛度而只考慮改變懸架的阻尼。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，在工作時，幾乎不消耗車輛動力，又能獲得與主動懸架相近的性能，故應(yīng)用較廣。由于路面輸入的隨機性，車輛懸架阻尼的控制屬于自適應(yīng)控制，即所設(shè)計的系統(tǒng)在輸入或干擾發(fā)生大范圍的變化時，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，達到設(shè)計要求。它不同于一般的反饋控制系統(tǒng)，因為它處理的具有“不確定性”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)器與模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)兩大類，由于要建立一個精確的“車輛-底面”系統(tǒng)模型還很困難，故目前的主動懸架，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、減振元件與導(dǎo)向構(gòu)件組成。工作原理是：當汽車輪胎受到?jīng)_擊時，彈性元件對沖擊進行緩沖，防止對汽車構(gòu)件與人員造成損傷。但彈性件受到?jīng)_擊時會產(chǎn)生長時間持續(xù)的振動，容易使駕駛員疲勞。故減振元件應(yīng)快速衰減振動。當車輪受到?jīng)_擊而跳動時，應(yīng)使其運動軌跡符合一定的要求，否則會降低汽車行駛時的平順性與操縱穩(wěn)定性。導(dǎo)向構(gòu)件在傳力的同時，必須對方向進行控制。懸架的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀在馬車出現(xiàn)的時候，為了乘坐更舒適，人類就開始對馬車的懸架一葉片彈簧進行孜孜不倦的探索。在1776年，馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到20世紀30年代，葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替。汽車誕生后，隨著對懸架研究的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性件。1934年世界上出現(xiàn)了第一個由螺旋彈簧組成的被動懸架。被動懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗或優(yōu)化設(shè)計的方法確定，在行駛過程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減震的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧與車身高度的調(diào)節(jié)的方法，雖然有一定成效，但無法根除被動懸架的弊端。被動懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架與多連桿懸架。半主動懸架的研究工作開始于1973年，由D.A.Crosby與D.C.Karnopp首先提出。半主動懸架以改變懸架的阻尼為主，一般較少考慮改變懸架的剛度。工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度。半主動懸架產(chǎn)生力的方式與被動懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運行狀態(tài)調(diào)整，這與主動懸架極為相似。有級式半主動懸架是將阻尼分成幾級，阻尼級由駕駛員根據(jù)“路感”選擇或由傳感器信號自動選擇；無級式半主動懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件與行駛狀態(tài)，對懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進行無級調(diào)節(jié)。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)較簡單，工作時不需要消耗車輛的動力，而且可取得與主動懸架相近的性能，具有廣闊的發(fā)展空間。隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開發(fā)了能兼顧舒適與操縱穩(wěn)定的主動懸架。主動懸架的概念是1954年美國通用汽車公司在懸架設(shè)計中率先提出來的。它在被動懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度與阻尼的控制裝置，使汽車的懸架在任何路面上保持最佳的運行狀態(tài)?？刂蒲b置通常由測量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)組成。20世紀80年代，世界各大著名的汽車公司與生產(chǎn)廠家競相研制與開發(fā)這種懸架。奔馳、沃爾沃、洛特斯、豐田等在汽車上進行了較為成功的試驗。裝備主動懸架的汽車，在不良路面高速行駛時，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向與制動時車身保持水平。其特點是乘坐非常舒適，但不同程度上存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、成本昂貴、可靠性問題。由于種種原因，我國的汽車絕大部分采用被動懸架。在半主動與主動懸架的研究起步晚，與國外的差距大。在西方發(fā)達國家，半主動懸架在20世紀80年代后期趨于成熟，福特公司與日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果。主動懸架雖然提出較早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進入20世紀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)的報道，只有北京理工大學(xué)與同濟大學(xué)等少數(shù)幾個研究機構(gòu)對主動懸架展開研究。懸架的發(fā)展趨勢由于汽車行駛的平順性與操縱穩(wěn)定性的要求，具有安全、智能與清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢。被動懸架是傳統(tǒng)的機械機構(gòu)，剛度與阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機振動理論，它只能保證在特定的路況下達到較好的效果。但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本相對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，仍然有較高的研究價值。被動懸架性能的研究主要集中在三個方面：通過對汽車進行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計算機仿真技術(shù)或有限元方法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)；研究可變剛度彈簧與可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運行狀態(tài)；研究導(dǎo)向機構(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。半主動懸架的研究集中在兩個方面：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電機進行有級或無級的調(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)簡單、成本低、無噪音與沖擊等特點，因此是目前發(fā)展的主要方向。主動懸架研究也集中在兩個方面：可靠性；執(zhí)行器。由于主動懸架采用了大量的傳感器、單片機、輸入輸出電路與各種接口，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，是一個不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動器件代替液壓器件。電氣動力系統(tǒng)中的直線伺服電機與永磁直流直線伺服電機具有較多優(yōu)點，今后將會取代液壓執(zhí)行機構(gòu)。運用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計自校正控制器，可望設(shè)計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動懸架，使主動懸架由理論研究轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。隨著交通的發(fā)展，高速公路逐漸改善，汽車的時速越來越快，這就使得人們對汽車懸架系統(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、縱向反力與側(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)對整車的行駛有著至關(guān)重要的影響，汽車懸架系統(tǒng)的動力學(xué)仿真在整車設(shè)計與開發(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)過程中避免零部件與樣機的重復(fù)制造，減少資源、時間與資金的浪費，可以運用仿真軟件在汽車工程領(lǐng)域更好地進行運動學(xué)的動力性研究。國外已經(jīng)研制了 IMP、ADAMS與DAMN等仿真軟件，用于汽車運動學(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，對汽車懸架的研究與發(fā)展起了關(guān)鍵性的作用，通過有限元法，計算機仿真技術(shù)，計算機優(yōu)化設(shè)計等方法降低了企業(yè)的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。總體來說，主動懸架的減振效果好，性能優(yōu)越，解決了“平順性與操縱穩(wěn)定性”的矛盾。但元件成本較高，工作時需要較多的能量，整車質(zhì)量也有所增加，因此主動懸架會大大增加成本與能量消耗；半主動懸架的減振性能接近主動懸架，操縱穩(wěn)定性優(yōu)于被動懸架。性能可靠，調(diào)節(jié)方便的可調(diào)阻尼減振器與算法簡單有效的控制策略將是半主動懸架發(fā)展的必經(jīng)之路。被動懸架的性能相對最差，但它的成本最低，也不需要消耗能量。被動懸架在一定的時間內(nèi)將是應(yīng)用最廣泛的懸架系統(tǒng)，通過進一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)與參數(shù)可以繼續(xù)提升懸架性能。參考文獻：朱華.半主動懸架的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].城市車輛.2009(04)孫延偉，吳向杰.獨立懸架性能評價指標[A].第九屆河南省汽車工程技術(shù)研討會論文集[C].2012余久鋒.淺談汽車懸架的發(fā)展趨勢[J].輕型汽車技術(shù).2010(09)薛盛興，張立軍,張慶文.基于ADAMS和MATLAB的主動懸架控制聯(lián)合仿真研究J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2010(03)寧曉斌，姜健，謝偉東.基于汽車懸架的多目標優(yōu)化方法的研究[J].機電工程.2011(02)徐貴清.汽車懸架研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國高新技術(shù)企業(yè).2010(22)劉棟;唐焱;顧慧芽.汽車主動懸架控制系統(tǒng)的發(fā)展研究[J].液壓氣動與密封.2010(05)聶佳梅;張孝良;胡貝;陳龍.車輛被動懸架技術(shù)發(fā)展新方向[J].車輛與動力技術(shù).2012(06)劉偉;劉大維;陳煥明;符朝興.基于聯(lián)合仿真的半主動懸架車輛行駛平順性研究.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報.2009(06)朱華.半主動懸架的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.汽車與配件.2009(18)劉偉;孫明芹;劉大維;陳煥明.基于聯(lián)合仿真的半主動懸架車輛平順性.青島理工大學(xué)學(xué)報2009(01)秦成；史淑玲；趙珍強.基于Solidwork與ADAMS的汽車懸架仿真分析[J]機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2012(03)周紅妮;馮櫻;李向陽.基于ADAMS的汽車前懸架仿真分析及優(yōu)化方法研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2010(03)崔彥彬;張鴻強;石磊;基于ADAMS和Pro/E的汽車前懸架改進研究JL機械工程與自動化.2010(03)張海波；常影；范紅媛；涂方喜；基于CATIA的汽車懸架控制臂逆向造型研究JL制造業(yè)自動化.201