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1第1章绪论1.1悬架技术现状及发展趋势悬架系统是汽车的重要组成部分之一。汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹簧、减振器和导向机构三大部分组成，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平顺行驶。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。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。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冲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冲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冲则不能有效地避免冲击所造成的破坏。螺旋弹簧是缓冲元件，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，受到一次冲击后连续不断地上下运动。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冲击，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。2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。1.1.1车辆半主动悬架技术现状及发展趋势根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。1.半主动悬架技术发展现状随着生活水平的不断提高，用户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行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。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振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。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的范围内可连续变化。阻尼可调减振器有以下两种：1）有级可调减振器有级可调减振器阻尼可在2－3档之间快速切换，切换时间通常为10－20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。2）连续可调减振器连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：(1)节流孔径调节3早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。（2）减振液粘性调节使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但电流变液体存在着一些问题，如电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降，稳定性差，对杂质敏感等。要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题：①设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源。②为保证电流变液体的正常工作温度，有一个散热系统。③高压电源的绝缘与封装。国外如德国Bayer公司和美国Lord公司都已有电流变减振器产品。磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级调节。磁流变减振器具有电流变减振器相似的特点，磁流变液是一种由细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中形成的液体。其黏度随着外加磁场强度的增加而递增，直至半固态，而一旦外加磁场消失，它又自行恢复原状，整个过程可在毫秒级时间内完成。美国Lord公司、福特公司、德国BASF等纷纷投入巨资进行了研究，如Lord公司开发的磁流变液MRX－126PD，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统。电流变液与磁流变液的特性如下表所示，它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。2.半主动悬架发展趋势汽车悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题，开发具有安全、舒适和清洁高效、节能、智能控制的悬架是车辆悬架系统发展的方向。（1）控制策略的研究。半主动悬架系统的控制几乎涉及了所有的现代控制理论和方法，但由于每种控制方法都有其各自的优缺点，因此，综合应用多种控制方法是半主动悬架控制发展的方向。（2）控制器的研究。智能化控制器能够根据路况和汽车振动等信息，自动地调节悬架系统的参数，使汽车具有良好行驶平顺性和稳定性。4（3）可控减振器的研制。研究与开发可靠的电流变和磁流变可控减振器。开发低成本和高可靠性的传感器，以及高性能微处理器是半主动悬架实用化的前题。目前，磁流变液虽然已进入商品化阶段，但在减振器上使用还存如噪声、耐久性、稳定性等问题，还需进一步深入研究。1.1.2车辆主动悬架技术现状及发展趋势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。1.2减振器现状及发展趋势1.2.1减振器的现状现代汽车大部分都装有减振器，且减振器和弹性元件是并联安装的。现今汽车大部分采用的是液力减振器。液力减振器的作用原理是当车架与车桥作往复相对运动时，减振器中的活塞在钢筒内也做往复运动，于是减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身与车架的振动能转化为热能，被油液和减振器壳体所吸收，然后散到大气中。减振器的阻尼力的大小随车架和车桥相对速度的增减而增减，并且与油液的粘度有关。要求减振器所用油液的粘度受温度变化的影响尽可能小，且具有抗汽化、抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。5由于减振器的阻尼力越大，振动消除得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥；同时过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。为解决上述问题对减振器提出以下几种要求：(1)在悬架压缩行程（车桥和车架相互移近的行程）内，减振器的阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性老缓和冲击。(2)在悬架伸张行程（车桥与车架相互远离的行程）内，减振器的阻尼力应较大，以求迅速减振。(3)当车桥（或车轮）与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。双向筒式减振器一般都有内外两个筒活塞在内筒中运动，由于活塞杆的进入与抽出，内筒中油的体积随之增大与收缩，因此要通过与外筒进行交换来维持内筒中油的平衡。所以其具有4个阀，其中流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很若。当阀上的油压作用力与弹簧力反向时，只要有很小的油压，阀便开启。而压缩阀和伸张阀则是卸载阀，弹性较强，预紧力较大，而只有当油压升高到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。双向作用筒式液力减振器在悬挂的压缩和伸张两个行程内均能起到减振的作用。充气式减振器也是运用较多的减振器。充气式减振器又称为单筒式减振器，其缸筒下部装有浮动活塞，工作原理与双筒式液力减振器类似。其优点是减少了一套阀门系统，仅有压缩阀和伸张阀，结构得到简化，浮动活塞下方构成的密闭气室内充有高压气体，可减少高频振动。其缺点是对油封密闭性要求搞，充气工艺复杂，在缸体变形时，减振器即失效，不能修理，只能更换。1.2.2减振器的发展趋势正在成为主流减振器的是阻力可调式减振器，特别是电子控制式减振器，其可通过传感器检测行驶状态，由计算机计算出最佳阻尼力，使减振器上的阻尼力调整机构自动工作，通过改变节流孔的大小等方式来调节减振器的阻尼力。汽车行驶的平顺舒适性和操纵稳定性是衡量悬挂以及减振性能好坏的主要指标，但这两个方面是相互排斥的性能要求，因此要在操纵性和舒适性之间取得理想的最佳点是比较困难的。特别