被动悬架发展新方向

创新性产品设计第页1汽车被动悬架发展创新技术汽车被动悬架发展创新技术三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）悬架部件的发展两基本元件被动悬架（弹簧和阻尼）三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件）创新性产品设计第页2汽车被动悬架发展创新技术悬架导向机构金属弹簧气体弹簧摩擦式减振器液力减振器钢板弹簧螺旋弹簧扭杆弹簧空气弹簧油气弹簧摇臂式减振器筒式减振器1悬架部件的发展弹性元件阻尼元件创新性产品设计第页3汽车被动悬架发展创新技术18世纪，法国人在车轮上首先使用钢质弹簧悬架，那是一种扁平状的单片弹簧。1763年，美国的特雷德韦尔取得螺旋弹簧悬架的第一个专利。1804年，英国伦敦的奥巴代亚·艾略特发明了叶片弹簧悬架，但只是简单地把一块块钢板叠起来夹紧，再在两端与车子用钩环连接。1878年，法国勒芒的大阿米迪·博利发明了采用片簧做前轮独立悬架的装置。福特T型车上的板簧1悬架部件的发展创新性产品设计第页4汽车被动悬架发展创新技术1897年，世界上第一个有记录的简单的减振器由美国的吉明发明。1898年，第一个实用的减振器由法国人特鲁芬特安装到摩托赛车上。1899年，美国一个名叫哈德福特的人制成了特鲁芬特摩擦阻尼件的变型结构，并将其装到他的奥斯莫比尔汽车上。这是汽车上的第一个减振器。1906年，美国一个名叫威廉·布鲁什的年轻人，首次将前螺旋弹簧和车轮上的减振器结合在一起，以便吸收车轮的振动。他的这种螺旋弹簧独立悬架应用在他的布鲁什两座轻便小汽车上。1908年，法国的霍迪立设计出第一个实用的液压减振器。摇臂式减振器福特T型车上的摇臂式减振器1悬架部件的发展创新性产品设计第页5汽车被动悬架发展创新技术1909年，英国考文汽车厂研究成功第一个以压缩空气作为弹簧的减振器。一个圆柱形的空气筒，用压缩空气经上部气阀充入空气筒，空气筒的下半部则容纳一个橡胶膜片，其工作原理就象充气轮胎似的。但由于容易漏气而未能推广。1921年，美国的利兰汽车公司生产出第一个使用扭杆弹簧悬架的汽车。后来，德国的波尔舍将扭杆弹簧规格化，并推广应用。1933年，第一个实用的空气弹簧悬架由美国的费尔斯通公司研制成功，用在一辆试验车上，以四个经过橡胶液浸渍处理的给皮膜气囊来代替传统的钢板弹簧，小型压缩机与气囊连接并供给压缩气体。1933年，美国的孟洛埃为赫德森汽车制成第一个原始的双作用筒式液压减振器。油气弹簧扭杆弹簧1悬架部件的发展创新性产品设计第页6汽车被动悬架发展创新技术1934年，通用汽车公司等厂家再次推广前轮螺旋弹簧悬挂，使前轮的弹跳都成为各自独立。1938年，美国别克汽车第一次把螺旋弹簧应用到汽车后悬挂上。1960年，通用公司的麦克弗逊研制成功麦克弗逊柱式减振器。它由螺旋弹簧、液压减振器和上悬挂臂杆组成一个紧凑的部件。1982年，西德的本茨汽车公司率先在轿车上装用多杆式悬挂系统。这种悬挂能提高汽车行驶的机动性能，在汽车起动及制动时保持车体始终处于水平位置。多杆式悬挂系统将成为轿车悬挂系统主流。福特T型车上的螺旋弹簧麦克弗逊柱式减振器1悬架部件的发展创新性产品设计第页7汽车被动悬架发展创新技术1906年，美国一个名叫威廉·布鲁什的年轻人，首次将前螺旋弹簧和车轮上的减振器结合在一起，以便吸收车轮的振动。正是他的发明奠定了现代车辆悬架系统的基础，引领悬架技术走进了两基本元件（弹簧和阻尼）时代。1悬架部件的发展创新性产品设计第页8汽车被动悬架发展创新技术2两基本元件被动悬架（弹簧和阻尼）ckkc1kc2kc1k2kc1k2k3k2c1k2k3k1c(a)Voigt悬架(b)Maxwell悬架(c)Maxwell悬架同弹簧并联悬架(d)Voigt悬架同弹簧串联悬架(e)Voigt悬架同弹簧串联再与弹簧并联悬架(f)Voigt悬架同弹簧串联再与Maxwell悬架并联悬架为了挖掘传统被动悬架（由弹簧和阻尼器并联组成）性能，科研人员用各种方法对其参数进行优化，但进一步提高其性能的潜力已接近极限。为了获得更好的乘坐舒适性和行驶安全性，人们曾尝试将弹簧和阻尼两基本元件进行不同的组合，形成新的悬架系统，并对这些不同形式的悬架系统进行优化，但其性能提高有限。创新性产品设计第页9汽车被动悬架发展创新技术3三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件）雷诺车队2005年首次使用了运动质量减振器(TMD),在鼻锥处布置9公斤的移动质量，以抵消轮胎的自然振动频率。2006年，国际汽车运动联合会(FIA)决定因其空气动力效应而禁止其使用，其实它同时还有存有安全性的问题。为了挖掘被动悬架的潜力，人们尝试将质量元件加入悬架系统，以改善悬架的性能。创新性产品设计第页10汽车被动悬架发展创新技术动力吸振器可以改善轮胎和车身在高频段的剧烈振动。在惯容器出现之前，想要把质量元件加入悬架来改善其性能，只能以动力吸振器的形式，即把质量元件当作吸振子应用到悬架中。3三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件）创新性产品设计第页11汽车被动悬架发展创新技术质量元件（吸振子）吸收车轮振动能量吸收车身振动能量DaimlerChrysler专利2000年这里展示的是著名汽车公司戴姆勒—克莱斯勒的一种悬架专利技术，该种悬架采用级联的方式将吸收车轮振动的一级和吸收车身振动的另一级串联起来，来改善车辆的行驶平顺性。可以看到，质量元件以吸振子的形式存在。3三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件）创新性产品设计第页12汽车被动悬架发展创新技术由弹簧、阻尼和质量元件构成被动悬架存在以下不足：1.质量元件只以吸振子的形式存在于在悬架中，布置不便；2.如果所需的质量元件质量较大，会导致悬架过重；3.性能改善有限。人们期望找到一种类似于质量的元件具有下列优点：1.像弹簧和减振器那样布置方便；2.轻巧，不会导致悬架过重；3.能大幅改善悬架性能。3三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和质量元件）创新性产品设计第页13汽车被动悬架发展创新技术4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.1惯容器(Inerter)出现背景4.1.1“力—电流”对应相似关系创新性产品设计第页14汽车被动悬架发展创新技术4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.1惯容器(Inerter)出现背景4.1.1“力—电流”对应相似关系功率Pu×i电压u电流iR×=C×=L×=q电荷磁通m2Wie2Wuq·=ddt·=电子网络中各基本量之间的关系机械网络中各基本量之间的关系功率Pv×f速度v力fc=×m×=k=×p动量s位移f2Wfsd2Wvp·=ddt·=创新性产品设计第页15汽车被动悬架发展创新技术i2v10vf2v10v传统的“力—电流”机电对应相似关系存在着弊端。在这种对应关系中，力和电流是“流变量”(Through-variables)，速度和电压是“跨变量”(Across-variables)，质量、阻尼和弹簧分别与电感、电阻和电容对应。机械元件中的阻尼和弹簧都具有两个独立、自由的端点，而质量元件的一个端点是它的质心，另一个端点却是惯性参考系中的固定点，这使得质量元件只能和接地的电容相对应。因此，这种对应关系是不严格的。质量元件与接地的电容对应才是真实的。这种不严格的对应关系导致机械与电子网络之间不能严格地对应起来，使得机械网络不能像无源电子网络那样进行综合，更谈不上网络的物理实现了。这是机械网络发展严重滞后于电子网络的客观因素之一。4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.1惯容器(Inerter)出现背景4.1.1“力—电流”对应相似关系创新性产品设计第页16汽车被动悬架发展创新技术惯容器又称为惯性质量蓄能器或惯性蓄能器。惯容器的出现，在机械与电子网络之间建立起了严格的对应，使得机械网络可以像无源电子网络那样进行综合，可以用弹簧、阻尼和惯容器来物理实现网络。修正后的机械与电子元件对应关系4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.2惯容器(Inerter)的创新思想创新性产品设计第页17汽车被动悬架发展创新技术惯容器的优点和作用：惯容器的最大作用在于：它带来了机械网络研究方法的变革，以前机械网络只能分析，不能综合，现在可以综合了。因为，所有的被动机械阻抗都可以用弹簧、阻尼和惯容器这三个基本元件来实现了。1.像弹簧和减振器那样布置方便；2.质量较小；3.解决低频振动与悬架动行程不能大这一矛盾。4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.2惯容器(Inerter)的创新思想创新性产品设计第页18汽车被动悬架发展创新技术齿轮齿条惯容器工作原理图12齿轮齿条惯容器实体图当等大反向的力沿齿条方向施加于两端点时，端点1相对于端点2做直线运动，产生相对位移，由齿条驱动小齿轮和大齿轮旋转，从而驱动飞轮旋转。4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.2惯容器(Inerter)的创新思想4.2.1齿轮齿条惯容器惯容器惯容的单位为kg，惯容通常是飞轮质量的几百倍，因此惯容器的质量很小却能表现出巨大的惯性。创新性产品设计第页19汽车被动悬架发展创新技术滚珠丝杠惯容器工作原理图12滚珠丝杠惯容器实体图当等大反向的力沿轴向施加于端点时，端点1相对于端点2做直线运动，产生相对位移，螺母和丝杠将直线运动转化螺母的旋转运动，由螺母驱动飞轮旋转。4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.2惯容器(Inerter)的创新思想4.2.2滚珠丝杠惯容器创新性产品设计第页20汽车被动悬架发展创新技术液力惯容器工作原理图液力惯容器实体图4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.2惯容器(Inerter)的创新思想4.2.3液力惯容器液力惯容器两端点分别为液压缸与液压缸内活塞，x代表两端点相对位移，L代表各段管线长度。当向右施加推力于液压杆时，液压缸的活塞向右移，P2、P3形成高压区，P1、P4为低压区，由于P3、P4间有一压力差，此压力差将带动液压马达作功，液压马达出口液体再经回流管流回液压缸中。施加反向力时原理相同。创新性产品设计第页21汽车被动悬架发展创新技术J-damperJ-damper（J-阻尼）2005年，为了抑制过弯道时轮胎的剧烈振动，迈凯伦车队首次使用了惯容器。J-damper是迈凯伦车队为了诱骗对手，不使自己技术机密外泄的一种叫法。4三基本元件被动悬架（弹簧、阻尼和惯容器）4.2由弹簧、阻尼和惯容器组成的被动悬架创新性产品设计第页22汽车被动悬架发展创新技术车身横梁车身隔振体摇臂车轮隔振体摆臂