主动悬挂

主动悬挂一、概述（一）汽车悬挂系统的作用及组成悬挂是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。汽车悬挂尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成（图1）。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车身时，可能引起汽车机件的早期损坏；传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬挂中还必须装有弹性元件，使车身与车轮之间作弹性联系。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。故悬挂系统还应具有减振作用，以使振动迅速衰减，振幅迅速减小。为此，在许多形式的悬挂系统中都设有专门的减振器。车轮相对于车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则就会影响汽车的操纵稳定性，因此，悬挂系统中还应具有导向机构（如图1中的横、纵向推力杆），以使车轮按一定的轨迹相对于车身跳动。由此可见，上述这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三者共同的任务则是传力。在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬挂系统中还设有辅助弹性元件--横向稳定器。应当指出，悬挂系统只要求具备上述各个功能，在结构上并非一定要设置上述这些单独的装置不可。例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，就可担负起决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要再设置其它导向机构。此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减振能力，因而对减振要求不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬挂系统中，就可以不装减振器（例如，一般中型货车的后悬挂和重型货车悬挂中都不装减振器）。（二）对汽车悬挂系统的要求汽车悬挂系统对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性都有较大的影响。所谓行驶平顺性是指汽车在行驶过程中，保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度，或保持所载物资完好的能力。汽车的操纵稳定性则包括两方面的含义：一是汽车是否具有正确遵守驾驶员操纵转向机构所给规定方向行驶的能力，即所谓的操纵性；二是汽车在外界条件（如地面不平、坡道、大风等）干扰下，能否保持原方向行驶的能力，即所谓的稳定性。在悬挂系统设计时应尽可能做到既能使行驶平顺性（即乘坐舒适性）达到令人满意的程度，又能使其操纵稳定性（即行驶安全性）也达到最佳的状态。然而，这两个要求在悬挂系统的设计中往往是矛盾的。平顺性和操纵稳定性对汽车悬挂系统这一互为矛盾的要求，在传统的被动悬挂系统设计中几乎无法同时满足。即使经过慎重的权衡，通过最优控制理论使悬挂系统在平顺性和操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案，而这种最优的折衷也只能是在特定的道路状态和速度下达到。为了克服传统的被动悬挂系统对其性能改善的限制，在现代汽车中采用和发展了新型的电子控制悬挂系统。电子控制悬挂系统可以根据不同的路面条件，不同的载重质量，不同的行驶速度等，来控制悬挂系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。（三）汽车悬挂的分类及性能悬挂的结构形式很多，分类方法也不尽相同。若按导向机构的形式来分可分为独立悬挂和非独立悬挂两大类。如果从控制力的角度来分，则可把悬挂分为被动悬挂、半主动悬挂和主动悬挂三大类。1、被动悬挂一般的汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬挂。由于这种常规悬挂系统内无能源供给装置，悬挂的弹性和阻尼参数不会随外部状态而变化，因而称这种悬挂为被动悬挂。这种悬挂虽然往往采用参数优化的设计方法，以求尽量兼顾各种性能要求，但在实际上由于最终设计的悬挂参数是不可调节的，所以在使用中很难满足高的行驶要求。2.半主动悬挂半主动悬挂可视为由可变特性的弹簧和减振器组成的悬挂系统，虽然它不能随外界的输入进行最优控制和调节，但它可按存贮在计算机内部的各种条件下弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。半主动悬挂又称无源主动悬挂，因为它没有一个动力源为悬挂系统提供连续的能量输入，所以在半主动悬挂系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼状态困难得多，因此在半主动悬挂系统中以可变阻尼悬挂系统最为常见。半主动悬挂系统的最大优点是工作时几乎不消耗动力，因此越来越受到人们的重视。3.主动悬挂主动悬挂是一种具有作功能力的悬挂，通常包括产生力和扭矩的主动作用器（油缸、汽缸、伺服电机、电磁铁等）、测量元件（如加速度、位移和力传感器等）和反馈控制器等。因此，主动悬挂需要一个动力源（液压泵或空气压缩机等）为悬挂系统提供连续的动力输入。当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时，主动悬挂系统能自动调整悬挂刚度（包括整体调整和各轮单独调整），从而同时满足汽车的行驶平顺性，操纵稳定性等各方面的要求，其优点可归纳为如下几个方面：（1）悬挂刚度可以设计得很小，使车身具有较低的自然振动频率，以保证正常行驶时的乘坐舒适性。汽车转向等情况下的车身侧倾，制动、加速等情况下的纵向摆动等问题，由主动悬挂系统通过调整有关车轮悬挂的刚度予以解决。而对于传统的被动悬挂系统，为同时兼顾到侧倾、纵摆等问题，不得不把悬挂刚度设计得较大，因而正常行驶时汽车的乘坐舒适性受到损失。（2）采用主动悬挂系统，因不必兼顾正常行驶时汽车的乘坐舒适性，可将汽车悬挂抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，即汽车的行驶安全性得以提高。（3）先进的主动悬挂系统，还能保证在车轮行驶中碰抵砖石之类的障碍物时，悬挂系统在瞬时将车轮提起，避开障碍行进，因而汽车的通过性也得以提高。（4）汽车载荷发生变化时，主动悬挂系统能自动维持车身高度不变。在各轮悬挂单独控制的情况下，还能保证汽车在凸凹不平的道路上行驶时，车身稳定。（5）普通悬挂在汽车制动时，车头向下俯冲。而装有某些主动悬挂系统的汽车（如沃尔沃740型小轿车）却不存在这种情况。制动时，该车尾部下倾，因而可以充分利用后轮与地面间的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。（6）装有某些主动悬挂系统的汽车在转向时，车身不但不向外倾斜，反而向内倾斜，从而有利于转向时的操纵稳定性。（7）主动悬挂可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，保持与地面垂直，因而可提高车轮与地面间的附着力，使车轮与地面间相对滑动的倾向减小，汽车抗侧滑的能力得以提高。轮胎的磨损也得以减轻，转向时车速可以提高。（8）在所有载荷工况下，由于车身高度不变，保证了车轮可全行程跳动。而传统的被动悬挂系统中，当汽车载荷增大时，由于车身高度的下降，车轮跳动行程减少，为不发生运动干涉，不得不把重载时的悬挂刚度设计得偏高，因而轻载时的平顺性受到损失。而主动悬挂系统则无此问题。（9）由于车身高度不变，侧倾刚度、纵摆刚度的提高，消除或减少了转向传动机构运动干涉而发生的制动跑偏、转向特性改变等问题，因而可简化转向传动机构的设计。（10）因车身平稳，不必装大灯水平自调装置。主动悬挂系统的主要缺陷是成本较高，液压装置噪音较大，功率消耗较大。（四）电子控制悬挂系统主动悬挂和半主动悬挂系统按其控制方式又可分为机械控制悬挂系统和电子控制悬挂系统。图2为最早在英国伦敦的公共汽车上首先采用的一种主动悬挂系统，这是一种纯机械式控制系统。系统中有四个油气弹簧和高度控制阀，油泵和贮压器可使供油管路中维持稳定的高压，四个高度控制阀则分别控制四个油气弹簧中的油压，从而控制了四个油气弹簧的刚度。汽车载荷增大时，高度控制阀动作，油气弹簧中油压上升，反之则油压下降，直至车身高度达到设定值为止。汽车转向时，外侧两个高度控制阀增大两个外侧油气弹簧的油压，内侧两个油气弹簧油压则下降，从而维持车身水平，即提高了车身抗侧倾能力。制动（或加速）时，则前面两个（或后面两个）高度控制阀使前面两个（或后面两个）油气弹簧中的油压上升，另外两个油气弹簧中的油压下降，维持车身水平，即提高了车身的抗纵摆能力。为了保证车轮正常跳动时防止高度控制阀误动作，在高度控制阀与车轮摆臂的连接传感元件中装有缓冲减振装置（图中未画出）。该缓冲减振装置的振动特性必须与车轮悬挂的振动特性良好匹配才能保证系统正常工作。这一点完全靠机械振动系统的合理设计来保证。图3为法国某些雪铁龙汽车上采用的主动悬挂系统（由英国开发）。也是一种纯机械控制系统，其主要特点是：前桥采用了两个高度控制阀，两个油气弹簧；后桥采用了一个高度控制阀，一个油气弹簧。两个前油气弹簧的液压缸分别于对角线处的两个对应的后液力滑柱的下腔相通，两个后液力滑柱的上腔均与后油气弹簧的液压腔相通。主液压管路中的液压由油泵和贮压器维持。机械控制悬挂系统的特点是结构简单，成本低，但是机械控制悬挂系统存在着控制功能少，控制精度低，不能适应多种使用工况等问题。所以，近年来随着电子技术的飞速发展，随着车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命的大幅度提高，电子控制技术被有效地应用于悬挂系统控制中。二、主动悬挂系统工作原理主动悬挂系统能够根据车身高度、车速、转向角度及速率、制动等信号，由电子控制单元（ECU）控制悬挂执行机构，使悬挂系统的刚度、减振器的阻尼力及车身高度等参数得以改变，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。（一）主动式空气悬挂系统工作原理图4所示为丰田索阿拉高级轿车电子控制主动式空气悬挂系统的构成图。它主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬挂控制执行器、悬挂控制选择开关及电子控制单元等组成。空气压缩机由直流电机驱动，形成压缩空气，压缩空气经干燥器干燥后由空气管道经空气电磁阀送至空气弹簧的主气室。当车身需要升高时，电子控制单元控制空气电磁阀使压缩空气进入空气弹簧的主气室（见图5（b）），使空气弹簧伸长，车身升高；当车身需要降低时，电子控制单元控制电磁阀使空气弹簧主气室中压缩空气排到大气中去（见图5（a）），空气弹簧压缩，车身降低。在空气弹簧的主、辅气室之间有一连通阔，空气弹簧的上部装有悬挂控制执行器（图中未画出）。电子控制单元根据各传感器输出信号，控制悬挂执行器，一方面使空气弹簧主、辅气室之间的连通阀发生改变，使主、辅气室之间的气体流量发生变化，因此而改变悬挂的弹簧刚度；另一方面，执行器驱动减振器的阻尼力调节杆，使减振器的阻尼力也得以改变。丰田索阿拉轿车采用的主动式空气悬挂系统中，车高、弹簧刚度和减振器阻尼力可同时得到控制，且各自可以取三种数值，其所取数值由电子控制单元根据当时的运行条件和驾驶员选定的控制方式决定。驾驶员可以任意选择四种自动控制模式，即控制车身高度的“常规值自动控制”和“高值自动控制”，以及控制弹簧刚度和减振器阻尼力的“常规值自动控制”和“高速行驶时自动控制”，具体控制内容如下：1.利用弹簧刚度/减振器阻尼力进行控制（1）抗后坐：通过传感器检测油门踏板移动速度和位移。当车速低于20km/h且加速度大时（急起步加速），ECU通过执行器将弹簧刚度和减振器阻尼力调到高值，从而抵抗汽车起步时车身后坐。如果此时驾驶员选择了“常规值自动控制”状态，则弹簧刚度和减振器阻尼力由软调至硬；如果此时驾驶员选择了“高速行驶自动控制”状态，则刚度和阻尼力由中调至硬。（2）抗侧倾：由装于转向轴的光电式转向传感器检测转向盘的操作状况。在急转弯时，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力转换到高（硬）值，以抵抗车身侧倾。（3）抗“点头”：在车速高于60km/h时紧急制动，ECU通过执行器使弹簧刚度和减振器阻尼力调到高（硬）值，而不管驾驶员选择了何种控制状态，以抵抗车身前部的下俯。（4）高速感应：当车速大于110km/h时，系统将使弹簧刚度和减振器阻尼力调至中间值，从而提高高速行驶时操纵稳定性。既使驾驶员选择了“常规值自动控制”状态（刚度和阻尼处于低、软值），系统