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轿车的悬架新技术
作者: 杨忠敏 来源: 汽车与配件杂志 日期: 2007年第43期

汽车的悬架装置是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称,主要由弹簧(如板簧、螺旋弹簧、扭杆等)、减振器和导向机构三部分组成。当汽车行驶在不同路面上而使车轮受到随机振动时,由于悬架装置实现了车体和车轮之间的弹性支承,有效地抑制、降低了车体与车轮的动载和振动,从而保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性,达到提高平均行驶速度的目的。由螺旋弹簧和液压筒式减振器所组成的普通悬架,其弹簧刚度和减振器的阻尼系数在汽车行驶过程中都不能人为地加以控制改变,即具有固定的悬架刚度和阻尼系数,因而称之为被动悬架。

采用电子控制的半主动悬架已经实现了商品化,可以进行悬架刚度与减振器阻尼系数的有级调节和车高的自动调节控制。

随着汽车工程技术的进步,决定乘坐舒适性和操纵稳定性的汽车悬架技术得到了广泛重视和深入研究,在汽车工业领域中主动悬架受到日益广泛的重视,已成为悬架技术发展的重要趋势。

现代轿车悬架系统的种类、结构特点

舒适性是轿车重要的性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关,而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以,汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时,汽车悬架作为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件,又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此,轿车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表,作为衡量轿车质量的指标之一。

现代轿车中的悬架有两种,一种是从动悬架,另一种是主动悬架。从动悬架即传统式的悬架,是由弹簧、减振器(减振筒)、导向机构等组成,它的功能是减弱路面传给车身的;中击力,衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用,减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的,所以也称为从动悬架。而主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置,采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架能够自行产生作用力,因此称为主动悬架。

主动悬架是近十几年发展起来的,由电脑控制的一种新型悬架,具备三个条件:具有能够产生作用力的动力源;执行元件能够传递这种作用力并能连续工作;具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。因此,主动悬架汇集了力学和电子学的技术知识,是一种比较复杂的高技术装置。例如装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅,该车悬架系统的中枢是一个微电脑,悬架上有5种传感器,分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较,选择相应的悬架状态。同时,微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件,通过控制减振器内油压的变化产生抽动,从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动。因此,桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择,驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮,轿车就会自动设置在最佳的悬架状态,以求最好的舒适性能。另外,主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或转向时的惯性引起弹簧变形时,主动悬架会产生一个与惯力相对抗的力,减少车身位置的变化。

轿车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种:非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端,当一边车轮跳动时,影响另一侧车轮也作相应的跳动,使整个车身振动或倾斜,轿车的平稳性和舒适性较差,但由于构造较简单,承载力大,目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。独立悬架的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面,当一边车轮发生跳动时,另一边车轮不受波及,汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂,承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架,并已成为一种发展趋势。

独立悬架的结构分有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种,其中烛式和麦克弗逊式形状相似,两者都是将螺旋弹簧与减振器组合在一起,但因结构不同又有重大区别。烛式采用车轮沿主销轴方向移动的悬架形式,形状似烛形而得名。特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化,有利于汽车的操纵性和稳定性。麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式,减振器可兼做转向主销,转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化,这点与烛式悬架正好相反。这种悬架构造简单,布置紧凑,前轮定位变化小,具有良好的行驶稳定性。所以,目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架。

悬架系统功能与工作原理

现代轿车的悬架都有减振器。当轿车在不平坦的道路上行驶,车身会发生振动,减振器能迅速衰减车身的振动。利用本身的油液流动的阻力来消耗振动的能量。当车架与车轴相对运动时,减振器内的油液会通过一些窄小的孔、缝等通道反复地从一个腔室流向另一个腔室,这时孔壁与油液间的摩擦和油液内的分子间的摩擦形成了对车身振动的阻力,这种阻力工程上称为阻尼力。阻尼力会将车身的振动能转化为热能,并被油液和壳体所吸收。人们为了更好地实现轿车的行驶平稳性和安全性,将阻尼系数不固定在某一数值上,而是能随轿车运行的状态而变化,使悬架性能总是处在最优的状态附近。因此,有些轿车的减振器是可调式的,将阻尼分成两级或三级,根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。

在现代轿车悬架上,麦弗逊式及烛式悬架都将螺旋弹簧和减振器组合在一起,这是因为乘坐的舒适性有赖于对冲击的缓冲和对;中击产生的振动的消减两个方面,缺一不可。只有缓冲没有消振只能暂时缓和;中击力的影响而不能最终使它消失;只有对振动的消减而没有缓;中则不能有效地避免;中击所造成的破坏。螺旋弹簧是缓冲元件,形似螺旋线而得名,它具有不需润滑,不怕污垢,重量小且占空间位置少的优点。当路面对车轮的冲击力传到螺旋弹簧时,螺旋弹簧产生变形,吸收车轮的动能,转换为螺旋弹簧的位能(势能),从而缓和了地面的冲击对车身的影响。

但是,螺旋弹簧本身不消耗能量,储存了位能的弹簧将恢复原来的形状,把位能重新变为动能。如果单独使用弹簧而没有消振元件,汽车就会像杂技演员跳“蹦蹦床”一样,受到一次;中击后连续不断地上下运动。减振器形似筒状,是一种消振元件。它就是利用本身的油液流动的阻力来消耗振动的能量。当减振器内的油缸活塞受外力作用移动时,油液高速流经阻尼孔道,通过摩擦消耗动能,转换为热量,从而使地面对汽车的;中击作用减弱直至消失。因此,螺旋弹簧与减振器组合使用是一种力学上的巧妙组合,充分利用二者的特点,能够即时缓冲地面的;中击,并在螺旋弹簧几个来回过程中拖动减振器活塞,驱动油液把大部分振动能量吸收掉,使得汽车迅速平稳下来。

为了提高轿车的舒适性,现代轿车悬架的垂直刚度值设计得较低,用通俗话来讲就是很“软”,这样虽然乘坐舒适了,但轿车在转弯时,由于离心力的作用会产生较大的车身倾斜角,直接影响到操纵的稳定性。为了改善这一状态,许多轿车的前后悬架增添横向稳定杆,当车身倾斜时,两侧悬架变形不等,横向稳定杆就会起到类似杠杆作用,使左右两边的弹簧变形接近一致,以减少车身的倾斜和振动,提高轿车行驶的稳定性。

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电控悬架系统的新技术

随着人类生活水平的提高,人们对汽车舒适性的要求也越来越高,传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车载荷、行驶速度,以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。随着电子技术的飞速发展,车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命都大幅度提高,为了满足人们对汽车舒适性的要求,20世纪90年代以来,各汽车公司相继开发了提高汽车舒适性的电控悬架系统(ECS)。在装备电控悬架系统的汽车上,当汽车急转弯、急加速或紧急制动时,乘坐人员能够感到悬架较为坚硬,而在正常行驶时能够感到悬架比较柔软;电控悬架还能平衡地面反力,使其对车身的影响减小到最低程度。因此,随着汽车电子技术的发展与进步,许多中高档轿车、大客车以及越野汽车都装备了电控悬架系统。

电控悬架系统由传感器、控制开关、电控单元(ECU)和执行元件组成。传感器和控制开关向ECU输入信号,ECU接收传感器和控制开关输入的电信号,并向执行元件发出控制指令,执行元件产生一定的机械动作,从而改变车身高度、空气弹簧的刚度或减振器的阻尼。电控悬架系统中,输入信息主要有车身高度和车速,驾驶员是加速还是制动,或驾驶员在仪表板上选择并操作的某种悬架控制功能开关的位置等等。

电控悬架系统采用的控制方式有控制车身高度、控制空气弹簧的刚度和控制油液减振器的阻尼等。根据电控悬架系统的功能不同,目前采用的电控悬架系统主要有以下几种类型:电控变高度悬架系统;电控变刚度空气弹簧悬架系统;电控变阻尼减振器悬架系统;电控变刚度空气弹簧与变阻尼减振器悬架系统;电控变高度变刚度空气弹簧和变阻尼减振器悬架系统。

车身高度控制系统的主要功用是当车内乘员或载荷变化时,自动调节车身高度,使汽车行驶稳定,提高乘坐舒适性。车身高度控制系统分为两大类型,一类是仅对两个后轮悬架进行控制;另一类是对全部四个车轮的悬架进行高度控制。两种类型的控制原理基本相同。

按照路面行驶工况最优控制,悬架性能以确保车辆行驶性能与乘坐舒适性,电控悬架将进一步向高性能方向发展。作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一,是利用“智能传感器”进行预知控制的“智能控制悬架”。目前已提出了多种的方案,并期待着这种新式传感器的出现。另一方面,从地球环境来考虑,为进一步节约能源,悬架控制向高压力化、高电压化、小型轻量化发展。在控制理论方面正在致力于模糊逻辑控制、神经网络控制等应用于悬架方面的研究。

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。目前,汽车悬架系统已进入到利用电子控制器进行控制的时代。运用较优的控制方法,得到高性能的减振效果,且使能耗尽可能的低,是汽车悬架系统发展的主要方向。

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