一汽大众迈腾车前悬架系统设计综述

汽车121 XXX

1、 前言

汽车行驶时，路面的不平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定程度时，将使乘客感到不舒适或使运载货物损坏。同时，由于车轮与路面之间的动载荷，还会影响到它们的附着效果，因而也会影响到汽车的操纵稳定性。另外，汽车由于加速、制动、转向等还会引起车身姿势发生变化（俯仰和侧倾等），也会使乘客感到不舒适。因此，研究车辆振动和受力，采取有效措施，将其控制在最低水平，对改善车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，具有重要的意义。为减少汽车振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另一方面要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振一般有三个环节，即轮胎、悬架和座椅，其中起主要作用的是车辆的悬架系统，它由弹性元件和阻尼元件共同完成。汽车悬架是车身和车轮之间的一切传力连接装置的总称。它把路面作用于车轮的支承力、牵引力、制动力和侧向反力和这些力所产生的力矩传递到车身上，用以保证汽车的正常行驶。悬架系统是汽车重要的组成部分，汽车悬架系统的性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和安全性的重要因素。

2、 汽车悬架系统的发展状况

汽车技术的发展，可以说是伴随着悬架设计技术与性能的提高同时发展的，该项目研究已有很长的历史，按年代与研究内容分为三个阶段：

第一阶段：1939年以前，是凭借经验对动力学性能的观察，认识到乘坐舒服性是汽车的重要性能。

第二阶段：1939-1952年，建立简单的二自由度运动方程，发明了独立悬架。

第三阶段：自1952年至今，通过实验研究轮胎的性能，开发研究各种悬架及控制策略，应该随机振动理论预测各种性能。

被动悬架是发展最早、应用最为普通的一种悬架。其中的弹性元件及阻尼元件分别为弹簧与减振器。该类悬架又分为独立与非独立两类。非独立悬架的特点是左右车轮用一根刚性轴连接起来，并通过悬架与车架相连。与独立悬架相比，其优点是结构简单，制造成本低，维修方便；其缺点是非簧载质量大，对高速工况下车辆的行驶平顺性不能充分保证，用于前悬架容易发生摆振现象。因此现代轿车上主要采用独立悬架。独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车身或车身弹性连接，车桥为断开式，因此具有以下优点：

（1） 在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以独立运动，而互不影响，这样在不平道路上行驶时可减少车架和车身的振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。

（2） 减少汽车的非簧载质量。在道路条件和车速相同时，非簧载质量越小，则悬架所受到的冲击载荷也越小，故可以提高汽车的行驶速度。

（3） 采用断开式车桥，发动机总成的位置便可以降低和前移，使汽车重心下降，提高了汽车行驶稳定性。同时能给予车轮较大的上下运动空间，因此可以将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低，改善行驶平顺性。

由于以上优点，早在1878年，独立悬架已被采用，二次世界大战后随着汽车工业的发展，该类悬架已被广泛采用。

双横臂式独立悬架系统设计的早期研究可追溯到20世纪30年代。传统的设计方法采用平面作图法或平面解析法等经验方法，其缺陷是忽略了主销后倾角及上、下摆臂轴线的空间角度的影响，所以很难获得精确的设计结果。同时，设计过程也是相当的繁复。0世纪30年代，国外对其数学建模与分析进行了较多的研究，并取得了一定的成果。1990年Wallaschek提出了非线性数学模型谐波及统计线性化的方法。1997年Duym用一种代数学形式饿经验公式来描述双横臂式独立悬架系统的非线性特性，仿真结果与实验结果基本吻合。1998年Kuti以有限元为工具，建立了一种客车悬架系统的非线性数学模型。这些研究表明，建立双横臂式独立悬架系统的简单而比较准确的非线性数学模型，并将其用于乘坐动力学的非线性研究有重要意义。特别是近几年来，摒弃了传统设计方法，比较流行的优化设计方法多是基于空间机构运动学原理及多刚体动力学理论，采用计算机辅助设计，获得理想的设计结果，并有效地提高了工作效率。所应用的优化设计软件也如雨后春笋般开发，如常用的ISCAD，ADAMS，DADS，MDCP，MATLAB，VISKC等。20世纪90年代四连杆式独立悬架系统率先应用于奥迪A4平台，并逐渐成为德国大众旗下中高档轿车的标准配置。经过多年的发展与完善，双横臂独立悬架的设计、制造已比较成熟，而且成本低、工作可靠，是当今世界汽车工业中悬架的主导产品。

双横臂独立悬架系统的研究在国内也有较长的历史。吉林大学的郭孔辉院士的文章是较早的论文，随后的一些学者也对该问题做了研究。近几年来，北京理工大学、浙江大学等高校正在开展此方面的研究，并发表了一些论文。对于双横臂独立悬架系统的研究，主要是应用线性理论研究汽车乘坐动力学。目前，双横臂独立悬架产品已经实现国产化。但从总体上来看，国内对于双横臂独立悬架系统的研究相对较少，产品主要是仿造国外，自主开发能力差，并且缺少具有主版权的专用软件。在双横臂独立悬架系统的研究中，国内基于线性理论的建模与仿真仍处于主导地位，而基于非线性理论的非数学建模与分析也已经引起重视，并有了一定的研究成果。

3、 汽车悬架系统的分类、原理和特点

悬架是车架或承载式车身与传统意义车桥或车轮之间传力连接装置的总称它的最主要功用是把路面作用于车轮上的垂直反力 (支承力)纵向反力牵引力与制动力 和侧向反力以及由这些反力所造成的力矩传递到车架或承载式车身上，并缓和汽车行驶过程中因路面不平所造成的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性为此必须在悬架总成中提供弹性联接元件 (悬架弹簧)以达到缓冲的目的，并设置阻尼元件减振器来吸收振动能量 因而可将汽车视为是由悬挂质量非悬挂质量弹簧阻尼器组成的振动系统，承受来自不平路面等的激励另外，悬架总成中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递，并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化情况，以及汽车前后侧倾中心和纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响着整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。

（1）悬架按导向装置形式分为独立悬架半独立悬架

非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一侧车轮受到冲击时，会直接影响另一侧车轮，使整个车身振动或倾斜，汽车的平顺性和舒适性较差 但由于构造较简单，承载力大，工作可靠，目前仍有多数商用车前后悬和部分乘用车的前后悬架采用这种型式典型的结构是纵置钢板弹簧悬架独立悬架的车轴分成两段，每只车轮独立地安

装在车架(或车身)两侧，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平顺性和舒适性好 同时由于独立悬架的簧载质量小，可提高车轮的附着性能 现代乘用车前后悬架大都采用了独立悬架，高端商用车也采用了独立悬架，并已成为一种趋势但与非独立悬架相比，独立悬架构造相对复杂，成本相对高（见图 1）典型的独立悬架如双横臂悬架麦弗逊悬架

（2）悬架按性能是否可变分为不可变悬架和可变悬架

不可变悬架是指刚度和阻尼都不能变化的悬架；可变悬挂是指通过手动或车辆自动改变悬挂的刚度和 / 或阻尼以适应工况行驶需求的悬架 目前市面上主流的可变悬挂主要有三种形式：空气悬挂液压悬挂和电磁悬挂。

（3）悬架按控制力作用原理分为被动悬架半主动悬架主动悬架

被动悬架即传统式的悬架，指刚度和阻尼都不能随路况车速等而变，无做功能力（无额外做动力）的悬架，由弹簧减振器导向机构等组成其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动这种悬架是由外力驱动而起作用的由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能被动悬架的优点是成本低 有较高的可靠性缺点是无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求主动悬架是能够根据簧载质量的振动加速度，利用电控部件主动地控制汽车振动（悬架刚度和阻尼）的悬架，同时能控制车身的启动和制动时的仰俯转弯时的侧倾，还能主动调节离地间隙，提高不同路面的通过性 因此，能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求可以认为主动悬架是可变悬架的高端部分主动悬架是具有做功能力的悬架它通常包括产生力和力矩的主动作用器（液压缸汽缸伺服电机电磁铁等）测量元件（加速度位移力传感器等）和控制器等。

半主动悬架，是指刚度和阻尼之一能随路况车速等变化调节，但无做功能力（无额外做动力）的悬架由于是无做功能力，在汽车转向制动等工况时，不能对刚度和阻尼进行有效控制 其优缺点介于被动悬架与主动悬挂之间。

（4）悬架按是否电子控制分为非电控悬架电控悬架

一般地说，将半主动悬架主动悬架等借助电子控制技术对汽车使用程中力求使悬架系统保持最佳状态的悬架系通称为电控悬架电磁悬架也常称为磁流变液减震器悬架，是电控悬架的一种磁流变液，简称（MR Fluid)是一种新型智能材料它可用于智能阻尼器(即磁流变液减震器)，制成阻尼力连续顺逆可调的新一代高性能智能化减振装置该装置结构简洁，功耗极低，控制应力范围大并可实现对阻尼力的瞬间精确控制且对杂质不敏感 工作温度范围宽，可在 -50 140 内工作磁流变液减震器可以直接通过普通低伏电源供电，避免高伏电压带来的危险和不便与传统的汽车减振器相比，其运动部件大为减少，几乎无碰撞，故噪声低不同的悬架有不同的舒适性和操稳性；不同车型对悬架也有不同的要求。

4、 悬架的发展趋势

由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势，被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面： 通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技或有限元法寻找悬架的最优参数； 研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。

半主动悬架的研究集中在两个方面： 执行策略的研究；执行器的研究。阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼；一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。主动悬架研究也集中在两个方面： 可靠性； 执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转化为实际应用。悬架技术的每次跨越，都和相关学科的发展密切相关。

计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。同时，悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求，使人类的认识迈向新的、更高的境界。

5、 结论

总体来说，主动悬架的减振效果好，性能优越，解决了“平顺性和操纵稳定性”的矛盾。但元件成本较高，工作时需要较多的能量，整车质量也有所增加，因此主动悬架会大大增加成本和能量消耗；半主动悬架的减振性能接近主动悬架，操纵稳定性优于被动悬架。性能可靠，调节方便的可调阻尼减振器和算法简单有效的控制策略将是半主动悬架发展的必经之路。被动悬架的性能相对最差，但它的成本最低，也不需消耗能量。被动悬架在一定的时间内仍将是应用最广泛的悬架系统，通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。

悬架技术的技术创新和相关学科的发展密切相关。先进的计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。同时，悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求，二者相辅相成，相互促进，从而实现真正的可持续发展。

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