汽車懸架的發(fā)展歷程

汽車的懸架系統是指車身、車架和車輪之間的一個連接結構系統，而這個結構系統包含了避震器、懸架彈簧、防傾桿、懸吊副梁、下控臂、縱向桿、轉向節(jié)臂、橡皮襯套和連桿等部件。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和車架，減緩行駛中車輛受到由路面不平引起的沖擊力，保證乘坐舒適和貨物完好，迅速衰減由于彈性系統引起的振動，傳遞垂直、縱向、側向反力及其力矩，并起導向作用，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、舒適性和安全性，是現代汽車十分重要的部件之一。典型的懸架結構由彈性元件、導向機構以及減震器等組成，個別結構則還有緩沖塊、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，而現代轎車懸架多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，高檔豪華大客車則使用空氣彈簧。懸架的種類和工作原理根據懸架的阻尼和剛度是否隨行駛條件的變化而變化，可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架，半主動懸架還可以按阻尼分為有級式和無級式兩類。傳統的懸架系統的剛度和阻尼系數，是按經驗設計或優(yōu)化設計方法選擇的，一經選定后，在車輛行駛過程中，就無法進行調節(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，根據車輛的運動狀態(tài)和路面狀況主動作出反應，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外界輸入或車輛本身狀態(tài)的變化進行動態(tài)自適應調節(jié)。因此系統必須是有源的。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，彈性元件除了吸收和貯存能量外，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。由于半主動懸架結構簡單，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控制，即所設計的系統在輸入或干擾發(fā)生大范圍的變化時，能自適應環(huán)境，調節(jié)系統參數，使輸出仍能被有效控制，達到設計要求。它不同于一般的反饋控制系統，因為它處理的具有“不確定性”的反饋信息。自適應控制系統按其原理不同，可分為校正調節(jié)器和模型參考自適應控制系統兩大類，由于要建立一個精確的“車輛-底面”系統模型還很困難，故目前的主動懸架，多采用自校正調節(jié)器。雖然現代汽車的種類較多，結構差異較大，但一般由彈性元件、減振元件和導向構件組成。工作原理是：當汽車輪胎受到沖擊時，彈性元件對沖擊進行緩沖，防止對汽車構件和人員造成損傷。但彈性件受到沖擊時會產生長時間持續(xù)的振動，容易使駕駛員疲勞。故減振元件應快速且牽涉到許多學科，一直很難有大的突破。進入20世紀90年代，扔僅應用于排氣量大的豪華汽車。未見國內汽車產品采用此技術的報道，只有北京理工大學和同濟大學等少數幾個研究機構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和操縱穩(wěn)定性的要求，具有安全、智能和清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢。被動懸架是傳統的機械機構，剛度和阻尼都是不可調的，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、結構簡單、性能可靠、成本相對較低廉且不需要額外能量，因而應用最為廣泛。在我國現階段，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，建立數學模型，然后再用計算機仿真技術或有限元方法尋找懸架的最優(yōu)參數；研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運行狀態(tài)；研究導向機構，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。阻尼可調減振器主要有兩種，一種是通過改變節(jié)流孔的大小調節(jié)阻尼；一種是通過改變減振液的粘性調節(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節(jié)，這種方法成本較高，結構復雜。通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數，具有結構簡單、成本低、無噪音和沖擊等特點，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、輸入輸出電路和各種接口，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。電氣動力系統中的直線伺服電機和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。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，使主動懸架由理論研究轉化為實際應用。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有更高的要求。汽車懸架系統把路面作用于車輪上的支撐力、縱向反力和側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，因此汽車懸架系統對整車的行駛有著至關重要的影響，汽車懸架系統的動力學仿真在整車設計和開發(fā)中占有很高的地位。在汽車工程領域，仿真軟件能在產品開發(fā)過程中避免零部件和樣機的重復制造，減少資源、時間和資金的浪費，可以運用仿真軟件在汽車工程領域更好地進行運動學的動力性研究。國外已經研制了IMP、ADAMS和DAMN等仿真軟件，用于汽車運動學領域。結論隨著Solidworks,Pro/E,CATIA,UG,ADAMS,ANSYS等CAD/CAE軟件的發(fā)展，對汽車懸架的研究和發(fā)展起了關鍵性的作用，通過有限元法，計算機仿真技術，計算機優(yōu)化設計等方法降低了企業(yè)的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期?？傮w來說，主動懸架的減振效果好，性能優(yōu)越，解決了“平順性和操縱穩(wěn)定性”的矛盾。但元件成本較高，工作時需要較多的能量，整車質量也有所增加，因此主動懸架會大大增加成本和能量消耗；半主動懸架的減振性能接近主動懸架，操縱穩(wěn)