现代汽车悬架技术的发展趋势

现代汽车悬架技术的发展趋势肖永清内容提要：本文阐述了现代汽车悬架系统的种类、结构特点、功能与工作原理;介绍了汽车悬架系统的新技术及其发展趋势。

关键词：汽车悬架结构原理发展趋势1.汽车悬架系统的种类、结构特点与功能所谓汽车悬挂,就是指汽车车身和车轮弹性地连接起来的机构。

俗称汽车的避震、悬挂和悬架的意思都一样，都是指车轮与车身之间的连接物，避震是通俗叫法，而悬挂和悬架均是"学名"。

悬架是将车身与车桥、车轮弹性相连，传递作用在车轮和车身之间的力和力矩，缓和由不平路面传给车身的冲击，并衰减由此引起的振动，以保证汽车正常行驶时的平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性。

目前多数汽车的悬架都是被动式悬架，即汽车的车轮和车身状态只能被动地取决于路面及行驶状况以及汽车的弹性支承元件、减振器和导向机构。

汽车上的悬挂结构大体可分为两种：一种是左、右车轮用一根刚性轴连起来并与车身相连的叫非独立悬挂。

常见卡车使用的钢板弹簧避震系统就是非独立悬挂。

它具有结构简单、强度高、稳定性好、容易制造、维修方便、轮胎磨损小和价格低廉等优点。

其缺点是当汽车在高速或在不平路面行驶时，容易颠簸，使人感到不舒服。

另一种是左、右车轮不连在一根轴上，而是单独通过悬挂与车身连接的叫独立悬挂。

往往轿车的舒适性比卡车好, 是因为这些车采用了独立悬挂，其结构是用轻便的杠杆、摆臂代替了整体车轴，当一侧车轮驶入凹凸不平路面时，不会牵动另一侧车轮而引起冲击振动，这就提高了乘座舒适性。

但采用独立悬挂后也相应使结构复杂，成本上升。

常见的独立悬挂结构型式有：螺旋弹簧双横臂独立悬挂、扭杆式独立悬挂、滑柱摆臂式独立悬挂和麦弗逊式独立悬挂等。

现代轿车的前轮都采用独立悬挂，后轮虽然比前轮采用独立悬挂的要少，但中、高级轿车一般都是四轮独立悬挂。

雪铁龙有一种液压悬挂，它是用一个液压筒代替一组弹簧和减震器。

液压筒根据中央控制器的指令来调整自身的工作情况。

而中央控制器是按车身上的传感器所收集的资料信息计算后发出指令的。

这些信息资料包括车速、车身侧偏程度、方向盘及油门位置等。

现生产的雪铁龙汽车都使用了液压悬挂,便成其"独门"技术，自然也成为它的最大个性之一。

此外还有一种悬挂就是空气悬挂。

它是在夹有连线的橡胶囊内充入压缩空气组成。

除具有减震功能和导向机构外,还设有车身高度调节装置。

空气悬挂虽然储能量大，但因结构复杂、维修麻烦,以及轮廓尺寸大不易布置等缺点，目前多用于大客车和无轨电车上。

电控悬架系统主要有半主动悬架和主动悬架两种。

半主动悬架是指悬架元件中的弹簧刚度和减振器阻尼系数之一可以根据需要进行调节。

为减少执行元件所需的功率，主要采用调节减振器的阻尼系数法，只需提供调节控制阀、控制器和反馈调节器所消耗的较小功率即可。

可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整，使车身的振动被控制在某个范围之内。

半主动悬架是无源控制，因此，汽车在转向、启动、制动等工况时,不能对刚度和阻尼进行有效的控制。

全主动悬架简称主动悬架。

它是有源控制，具有作功能力的悬架。

它通常包括产生力和转矩的主动作用器(液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等)、测量元件(加速度、位移和力传感器等)和反馈控制器等。

当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时，主动悬架系统能自动调整悬架刚度和阻尼(包括整体调整和单轮调整)，从而能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等各方面的要求。

此外，主动悬架还可根据车速的变化控制车身的高度。

另外，根据悬架介质的不同，电控悬架系统又可分为油气式主动悬架和空气式主动悬架两种,悬架系统零部件在汽车上的位置如图1所示。

2.汽车悬架的结构型式汽车悬架有多种结构型式，纵置钢板弹簧的非独立式悬架，通常用于载货汽车及其变型车；独立式悬架广泛用于轿车和轻型客车。

独立悬架有单杆(纵置或横置)、双杆(横置或斜置)以及滑柱式(烛式)几种，现代轿车(尤其是轻型轿车)普遍采用一种滑柱摆臂式悬架(见图2)该型式悬架为美国人厄尔勒·麦克弗逊受飞机起落架结构启发，早在四十年代中期发明的。

他把螺旋弹簧和减振器组合在一起，几乎垂直地布置在汽车前轮的内侧，不仅为前轮驱动小型汽车的横置发动机(含变速器)节省了空间，同时也由于零件较少而降低了成本，颇受汽车制造厂家的欢迎。

八十年代初期以来，由于它的种种优点，这种悬架系统普遍为前轮驱动汽车所采用，现代轿车大多也都采用了这种悬架。

如日本丰田公司的克雷西达、加美、光冠、花冠、日产公司的公爵、美国的福特、旁蒂克等轿车。

我国目前生产的一汽奥迪100、上海桑塔纳、广州标致505和天津夏利以及神龙富康(雪铁龙ZX系列轿车)均采用发明者名字命名的悬架为汽车的前悬架。

3.悬架系统的组成及工作原理悬架是连接车身和车轮之间一切传力装置的总称。

它主要由弹簧(如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等)、减振器和导向机构等组成。

当汽车在不同的路面上行驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支撑，有效地降低了车身与车轮的振动，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。

同时，它也引起在汽车起步、制动、转向时车身的俯仰、点头和侧倾等现象，影响汽车的平顺性和操纵稳定性。

汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标，但二者性能要求又相互排斥。

例如：降低弹簧的刚度，可使车身加速度减小，平顺性变好，但同时会导致车体位移增加，对操纵稳定性产生不良影响;另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬弹簧将导致汽车对路面的不平度很敏感，使平顺性降低。

理想的悬架应在不同的使用条件下,具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。

实际的设计只能是根据某种路面情况和车速，兼顾各方面的要求，优化选定一种刚度和阻尼系数、这种刚度和阻尼系数一定的悬架称为被动悬架。

汽车在行驶过程中，路面情况和车速是变化不定的。

因此，这种刚度和阻尼系数都不可调节的被动悬架，不可能在改善汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性等方面有大的作为，进而无法达到悬架控制的理想目标。

每种悬挂各有利弊。

如果想提高舒适性而采用较软的悬挂，那么就会影响汽车行驶时的稳定性，尤其是在转弯时侧倾会加大，加速和刹车时会"前仰后合"；反之，为了避免上述不利因素，增加悬挂的刚性，则必然要降低汽车的舒适性。

如何调整它们之间的关系，只能根据汽车的用途、车型来确定。

因此，只能说最适合的悬挂就是最好的悬挂。

为解决被动悬架的不足，国外在20世纪60年代就提出了主动悬架的概念。

80年代以来，半主动悬架和主动悬架开始在一部分汽车中得到应用。

所谓主动悬架，是根据行驶条件，随时对悬架系统的刚度、减振器的阻尼力以及车身的高度和姿势进行调节，使汽车的有关性能始终处于最佳状态。

调节方式可以是机械式的，也可以是电子控制式的。

这种调节需要消耗能量，故系统中需要能源，即系统是有源的。

半主动悬架仅对减振器的阻尼力进行调节，有些还对横向稳定器的刚度进行调节，调节方式也有机械式和电子控制式两种。

这种调节不需消耗能量，故系统中不需要能源，即系统是无能源的。

主动悬架是在悬架系统中采用有源或无源控制元件组成一个闭环控制系统，根据车辆的运动状况和路面状况主动做出反应，以抑制车身的振动和摆动，使悬架始终处于最佳的减振状态。

现在，一些较高挡的轿车，己较多地采用了主动悬架。

现代汽车中采用的电子控制悬架系统，克服了传统的被动悬架系统对其性能改善的限制，该系统可根据不同的路面条件、不同的装载质量、不同的行驶速度等来控制悬架系统的刚度，调节减振器阻尼力的大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。

4.主动悬架的电控系统基本组成传感器将汽车行驶的路面情况(汽车的振动)和车速及启动、加速、转向、制动等工况转变为电信号，输送给电子控制器，控制器将传感器送入的电信号进行综合处理，输出对悬架的刚度和阻尼及车身高度进行调节的控制信号。

执行机构按照电子控制器的控制信号，准确地动作，及时地调节悬架的刚度和阻尼系数及车身的高度。

电子控制器一般由微机和信号输出放大电路组成。

执行元件由电磁阀和步进电机及气泵电动机等组成。

从行驶平顺性和舒适性出发，弹簧刚度和减振器的阻尼系数应能随汽车运行状态而变化，使悬架系统性能总是处于最优状态附近。

但是，弹簧刚度选定后，又很难改变，因此从改变减振器阻尼入手，将阻尼分为两级或三级，由驾驶员选择或根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。

5.汽车悬架系统的新技术为提高汽车的安全性、可靠性和乘坐舒适性，近年汽车悬架系统采用了许多新部件和新式装置。

悬架和转向系统中出现的新技术有空气弹簧、电控减振器、主动悬架电控平顺性和操纵性等。

(1)新型悬架电控系统随着汽车结构和功能的不断改进和完善，研究汽车振动，设计新型悬架电控系统，将振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的重要措施。

汽车振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性，以及汽车零部件疲劳寿命的重要因素。

严重的振动还会影响汽车的行驶速度，并产生环境噪声污染。

汽车减振主要使用悬架系统。

悬架系统一般由弹性元件和阻尼元件构成，用以缓冲和吸收因路面不平而产生的激振力，同时承受汽车转向时产生的侧倾力。

而汽车行驶的平顺性与操纵稳定性在汽车设计中又是矛盾的，故传统悬架系统难以同时满足这种要求。

工业发达国家在70年代就己经开始研究基于振动主动控制的悬架系统，这种悬架系统是典型的非线性机、电、液一体化动力系统。

近年来，随着现代控制理论的发展，对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等的研究，不仅在理论上取得令人瞩目的成绩，同时已开始应用于汽车悬架系统的振动控制。

现代汽车悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。

按导向机构的形式，可分为独立悬架和非独立悬梁两大类。

但一般按控制力进行分类，分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架3种基本类型。

电控空气悬架是利用压缩空气充当弹簧作用，弹簧的刚度和车身的高度是根据汽车行驶状况进行自动控制，减振器的减振力控制也用来抑制汽车行驶和停驶时车身姿态的变化。

其具体功能：在水平路面上高速行驶时, 使车身变低、弹簧变软，以提高舒服性;在凹凸不平的路面行驶时，车身变高，使悬架变硬，以消除颠簸，提高通过性;防止纵向仰头和栽头及横向倾斜，保持前照灯光轴不变，提高安全性;电子调节空气悬架的控制包括减振力和弹簧刚度控制以及汽车高度控制两方面。

减振力和弹簧刚度的控制：防侧倾控制：侧倾发生于汽车在横向坡道高速行驶和汽车高速转弯时，根据汽车行驶速度和转向角度，使减振力和弹簧刚度转换为"坚硬"状态，抑制转变期间的侧倾，这种控制持续时间大约为2s，然后恢复到最初减振力和弹簧刚度，持续时间较长。