汽车主动悬架及控制方法的研究(2)

葛金龙：汽车主动悬架及控制方法的研究

1车辆悬架概述

1.1车辆悬架的定义、作用及性能要求

1.1.1车辆悬架的定义

车辆悬架是指汽车的悬架与车桥或车轮之间的一切连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓和汽车在行驶的过程当中的由于路面不平引起并传递给车架或车身的冲击力，衰减由此引起的震动，以保证汽车能够平顺行驶，保证乘员的乘坐舒适性并保证货物的完好。悬架决定着车辆的操纵稳定性、乘坐的舒适性和行驶的安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。

由汽车构造可知，车辆底盘包含了位于车身下方的所有重要系统，其中包括以下几项。

（1）车架——承载负荷的结构性部件，用于支撑汽车的发动机和车身，而它本身由悬架支撑。

（2）悬架系统——用于支撑重量、吸收和消除震动以及帮助维持轮胎接地的装置。 （3）转向系统——使驾驶员能够控制车辆行驶方向的装置。 （4）行驶系统——利用抓地与路面的摩擦力使车辆能够运动的部件。 因此，车辆悬架在任何系统中都是主要系统之一。 1.1.2车辆悬架的作用

汽车悬架的工作是最大限度的增加轮胎与路面之间的摩擦力，并能够提供良好的转向稳定性，以及乘客的舒适度。但是由于路面往往并不平坦，即使是新铺的高速公路，其路面也会有凹凸不平面而对汽车车轮造成影响，路面将力作用在车轮上。总之，车辆在通过颠簸不平的路面时，车轮垂直于路面上下运动，并使车轮产生一个垂直加速度。如果没有一个居间构件，所有车轮的垂直能量都将直接传递给相同方向上运动的车架。在此情况下，车轮会完全丧失与地面的接触，然后在向下的重力作用下再次冲击路面。因此，车辆需要一个能够吸收垂直加速车轮的能量，使车轮顺着路面上下颠簸的同时车架和车身不受干扰的系统，即悬架系统。

行驶中车辆的动力学特性包括行驶特性和操纵特性，其中，车辆的行驶特性是指汽车平稳行驶过崎岖不平路面的能力；而车辆的操纵稳定性是指汽车安全的加速，制动及转弯的能力。这两个特征可以通过路面隔离性能、抓地性能以及转弯性能指标要求来实现。

车辆悬架及各个部件提供了上述所有性能指标要求，即路面隔离性能，抓地性能和转弯性能的全部解决方案。

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山东交通学院毕业设计（论文）

1.1.3车辆悬架系统的性能要求

汽车悬架性能是影响汽车行驶平顺性，操纵稳定性和行驶速度的重要因素，在悬架的设计中应该满足以下性能的要求：

（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的震动频率，乘客在车子中承受的振动加速度应满足国际标准ISO-2631-97规定的人体承受震动极限值。

（2）有合适的减震性能。它应该与悬架的弹性很好的匹配，保证车身和车轮在共振区内的振幅小，振动衰减快，使汽车具有良好的乘坐舒适性。

（3）保证汽车有良好的操纵稳定性。导向机构在车轮跳动时，应该不使主销定位参数变化过大，车轮运动应该与导向运动机构协调，不出现摆振现象，转向时应有一些不足转向特性。

（4）汽车制动和加速时能够保证车身稳定，减少车身纵向倾斜（“点头”或“后仰”）的可能性。

（5）能够可靠地传递车身和车轮之间的一切力和力矩，零部件足够轻并有一定的强度和寿命，保证轮胎的正行和减少轮胎磨损的能力。

1.2车辆悬架的组成

典型的悬架系统结构由弹簧，减震器，导向机构及稳定杆等组成，个别机构中还有缓冲块。

图1-1悬架示意图 Fig1-1 suspension diagram

1.2.1弹簧

悬架弹簧的软硬对车辆行驶的安全性和乘坐舒适性有重要的影响。弹簧较软的汽车（如林肯城市这样的豪华车）可以彻底消除颠簸并提供平稳的行驶感觉，车辆的舒适性高，但同时在加速和制动过程中易产易产生俯冲和蹲伏现象但在转弯时容易产生侧倾和翻滚趋势，即车辆的安全性差。然而弹簧较硬的汽车（如马自达）在颠簸路面上的平顺性较差，乘坐舒适性差，但是车身移动非常小，这意味着即使在转弯处，也可以用较激

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烈的方式来驾驶，即车辆的行驶安全性高。

现在的弹簧系统均以钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧、空气弹簧或油气弹簧等多种弹簧中的之一为基础。 1.2.2减震器

弹簧具有极佳的能量吸收和释放功能，但在耗散能力方面要稍差一点。因此，如果汽车不使用阻尼结构，也无其他阻尼部件，汽车弹簧以不可控的速率弹开并释放它所吸收的振动能量，并继续按其自身频率往复振动，直到耗尽当初施加在它身上的所有能量。所以，仅仅构建在弹簧上的悬架自身会使汽车根据地形以弹跳方式行驶且不受控制，势必使汽车振动加剧，甚至发生共振，因此，为了满足车辆的行驶安全性，乘坐平顺性和操纵稳定性的要求，车辆悬架一般都安装一个重要的阻尼部件，即悬架减震器，并且使阻尼特性与元件特性相适应。

减震器也称为缓冲器，它通过一种称为阻尼的过程来控制不希望发生的弹簧运动。减震器通过悬架运动的能量转换为可通过液压油散热的热能，来降低和减少车辆的振动。因为减震器和滑柱与汽车操纵性能密切相关，可以视其为非常重要的安全性能。已经磨损的减震器和滑柱会使过多的车身重量向前后左右移动，这会降低轮胎的抓地性能以及操纵和振动性能。

按不同的结构，工作介质和作用方式等，减震器有不同的分类。 1.2.3稳定杆

稳定杆也叫横向稳定杆或防侧滑杆，它是汽车悬架系统的一部分，与减震器或滑柱配合使用，以便为行驶的汽车提供附加稳定性。

稳定杆是一个横跨整个车轴的金属杆，它连接到前方的车架上，但要用衬套链接以便使其可以旋转，两臂连接到两侧的水平摆臂上，将悬架的两侧有效的连接在一起。

1.3车辆悬架的类型

汽车的4个车轮是在两个独立的系统上协同工作的，其中，两个车轮通过前轴相连，另外两个通过后轴相连，也就是说，汽车可以并且通常在前后轴上具有不同的悬架类型，即车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。因此，根据汽车导向机构的不同，汽车悬架可以分为独立悬架和非独立悬架。根据阻尼和刚度是否根据行驶条件的改变而改变，悬架系统又可以分为主动悬架，半主动悬架和被动悬架。而半主动悬架又可以分为有级式半主动悬架和无级式半主动悬架两类。由此可知，悬架系统的分类如图1-1所示。

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非独立悬架 悬架系统 独立悬架 被动 悬架系统 半主动 主动 无级式半主动 有级式半主动

图1-2悬架系统分类框图

Figure 1-2The classification of suspension system block diagram

1.3.1被动悬架

被动悬架, 由弹性元件和不可变参数的减振器组成, 只能在特定工况下达到最优, 缺少对变载荷、变车速、不可预测路况的适应性。被动悬架是传统的机械结构，由弹簧、减震器和导向机构组成。被动悬架的刚度和阻尼系数均不可调，只能在特定的工况下达到最优减振效果，存在明显的共振峰，难以同时获得良好的乘坐舒适性和操纵稳定性，缺乏灵活性。但被动悬架因结构简单、设计容易和制造方便，且无须额外的能量输入，目前在中低档轿车上应用最为广泛。为了进一步改善被动悬架的减振效果,满足现代汽车对悬架提出的更高的性能要求，在桑塔纳、夏利和赛欧等轿车上采用了带有横向稳定杆的多连杆机构悬架系统， 在一定程度上改善了被动悬架减振效果。 1.3.2半主动悬架

随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求越来越高，传动的被动悬架系统已经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，减震器阻尼的大小能随着汽车行驶速度和路面状况的变化而自动调节，从而提高乘坐舒适性。

1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念，其基本原理是；用可调刚度弹簧或可调阻尼的减震器组成悬架，并根据弹簧载质量度加速度响应等反馈信号，按照一定的规律调节弹簧的刚度或减震器的阻尼，从而达到较好的减震效果。

半主动悬架由无源但可控制的阻尼元件组成，在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和

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存储能量外，还得承受车身载荷和重量，此外，半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单，成本低，在工作时几乎不消耗车辆动力，又能获得与主动悬架相近的性能，因而具有巨大的发展潜力，故应用较广。

半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多，阻尼可调半主动悬架又可以分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定范围内可以连续变化。 1.3.3主动悬架

为了克服被动悬架的缺陷，国外在20世纪60年代就提出了主动悬架的概念，主动悬架由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆悬架的运动状态和路面状况，由中央控制单元ECU实时进行运算，而后ECU马上对减震器发出命令,主动做出反应,使悬架始终处于最优减震状态,并抑制和控制车身震动,当汽车震动和转弯时的惯性引起弹簧变形时,主动悬架系统会产生一个与惯性力相对抗的力,减少车身位置的变化.目前绝大多数的主动悬架系统都是通过空气,液压,电磁液这3种方式之一来实现悬架可调的,所以主动悬架的特点就是根据外界输入的变化进行动态自适应调整,因此,系统必须是有源的.

图1-3某汽车上的主动悬架 Fig 1-3 Active suspension on a car

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