技术

现代轿车悬架的新潮流

ainet.cn   2009年04月01日

由于操纵稳定性与乘坐舒适性在汽车悬架结构设计上是很难获得统一的,因此,长期以来成为轿车设计中的重要难点。现代轿车除了保证其基本性能,即行驶性、转向性和制动性以外,目前正致力于提高安全性与舒适性,向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。对此,作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。随着汽车工程技术的进步,决定乘坐舒适性和操纵稳定性的汽车悬架技术得到了广泛重视和深入研究,在汽车工业领域中主动悬架受到日益广泛的重视,已成为悬架技术发展的重要趋势。

 

舒适性是轿车最重要的使用性能之一。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,汽车悬架做为车架(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。

 

现代轿车中的悬架有两种,一种是从动悬架,另一种是主动悬架。从动悬架即传统式的悬架,是由弹簧、减振器(减振筒)、导向机构等组成,它的功能是减弱路面传给车身的冲击力,衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。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。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的,所以称为从动悬架。而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。当汽车制动或拐弯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。例如德国奔驰2000CL型跑车,当车辆拐弯时悬架传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度,电脑根据传感器的信息,与预先设定的临界值进行比较计算,立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上,使车身的倾斜减到最小。

 

轿车悬架包括弹性元件,减振器和传力装置等三部分,这三部分分别起缓冲,减振和力的传递作用。从轿车上来讲,弹性元件多指螺旋弹簧,它只承受垂直载荷,缓和及抑制不平路面对车体的冲击,具有占用空间小,质量小,无需润滑的优点,但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器指液力减振器,是为了加速衰减车身的振动,它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件,用来传递纵向力,侧向力及力矩,并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。

 

轿车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种:非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端,当一边车轮跳动时,影响另一侧车轮也作相应的跳动,使整个车身振动或倾斜,轿车的平稳性和舒适性较差,但由于构造较简单,承载力大,目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。独立悬架的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面,当一边车轮发生跳动时,另一边车轮不受波及,汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂,承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架,并已成为一种发展趋势。

 

独立悬架的结构分有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种,其中烛式和麦克弗逊式形状相似,两者都是将螺旋弹簧与减振器组合在一起,但因结构不同又有重大区别。烛式采用车轮沿主销轴方向移动的悬架形式,形状似烛形而得名。特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化,有利于汽车的操纵性和稳定性。麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式,减振器可兼做转向主销,转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化,这点与烛式悬架正好相反。这种悬架构造简单,布置紧凑,前轮定位变化小,具有良好的行驶稳定性。所以,目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架。

 

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。当车架与车轴相对运动时,减振器内的油液会通过一些窄小的孔、缝等通道反复地从一个腔室流向另一个腔室,这时孔壁与油液间的摩擦和油液内的分子间的摩擦形成了对车身振动的阻力,这种阻力工程上称为阻尼力。阻尼力会将车身的振动能转化为热能,并被油液和壳体所吸收。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,形似螺旋线而得名,它具有不需润滑,不怕污垢,重量小且占空间位置少的优点。当路面对轮子的冲击力传到螺旋弹簧时,螺旋弹簧产生变形,吸收轮子的动能,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。减振器形似筒状,是一种消振元件。它就是利用本身的油液流动的阻力来消耗振动的能量。当减振器内的油缸活塞受外力作用移动时,油液高速流经阻尼孔道,通过摩擦消耗动能,转换为热量,从而使地面对汽车的冲击作用减弱直至消失。但是,能量的消耗是需要时间的,要产生有效的摩擦,孔道必须做得很小,由于单位时间流过的液体有限,产生的摩擦损耗也有限,减振器不能在短时间内消除振动。如果单独使用减振器而没有缓冲元件,地面冲击的作用将直接加在车身上,使乘员不堪忍受。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。

 

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。

 

随着电子技术的飞速发展,车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命都大幅度提高,电子控制技术被有效应用于悬架控制中。为了确保悬架的主要特性,即避震性(振动衰减力)、弹性常数、减振器行程,不断研制成功了能适应各种行驶工况的最优控制机构。1980年首次应用了车高调节控制技术。1981年又开发成功手动变换减振力的新技术。此后又开发了自动变换减振力、弹性常数的电子控制悬架。1987年世界上首先推出装有主动悬架的轿车,这是备有控制悬架特性能量的空压式主动悬架。1989年又出现了装有油压式的主动悬架轿车。机械控制的方法存在着控制功能少,不能适应多种使用工况的问题。机械式车高调整系统的典型例子称为高度选择器的利用水平校验阀控制车高的装置。在微小突起路面行驶时,输入悬架的主要频率成分为2050Hz,与弹簧下共振区以上部位,充分应用振幅小的输入特性,利用机械方式改变减振器油的通路面积,控制减振力,提高乘坐舒适性。

 

90年代以来,随着电子技术的飞速发展,研制成功应用电子控制的车高调整装置,接着出现了减振力控制装置。车高调整装置可分为油压式与空压式二大类。一般采用价格便宜、结构简单的空压式车高调整装置。空压式又可分为兼用螺旋弹簧与只使用空气弹簧的二种。只控制减振力的系统由于结构简单,能有效控制车辆的过渡状态运动,所以开发了包含手动式变换的多种控制装置。当采用电子控制时,由最初车速传感器等少数传感器进行减振力的2段控制,发展到多个传感器3段控制,以适应多种行驶状态变化。传感器与执行元件也应用了压电阻元件,提高了响应性。在复合式主动悬架控制系统中,采用了控制减振力和车高调整的装置、另增加了弹性常数的控制。为了进一步提高行驶性能和乘坐舒适性,车辆备有储能器,能在恶劣路面上,或者紧急转向、紧急制动时控制车辆运动状态,并能显著降低路面冲击力。1985年出现了四轮转向装置,这是一种首先控制悬架元件,主动控制后轮,显著提高车辆运动性能的装置。此后,开发了具有后轮转向功能的四轮转向系,其型式分为机械式、油压式、电动方式等。

 

车高调整控制系统的功能是:消除因乘员人数或装载量的变化而引起的车身高度变化(车身下倾), 适当保持悬架的定位和行程,防止行驶稳定性和乘坐舒适性的恶化。在车辆高速行驶时不受空气作用力的影响。

 

2003年新投放市场的部分轿车车型悬架有:丰田系列Raum前悬架为压杆式;后悬架,前驱车款为扭力臂杆式,四驱车款则采用附带后摆臂的连杆式。SIENTA前悬架采用了威驰系列的压杆式,后悬架则由于车身重量的增加而直接沿用了高级车花冠Spacio的扭力臂杆式。RX330:选购装项包括空气悬架。配备后,除了在高速行驶时最大可将车身高度降低15mm之外,考虑到停车时人员上下车的方便,一旦关闭点火开关钥匙,车身高度就会降低30mmAVENSIS双叉骨式后悬架。皇冠前、后悬架分别为双叉骨式及多连杆式,采用单管减振器,改善了衰减力的反应性能,并通过增加采用铝合金材料的部位,减轻了簧下重量。

 

大众系列有奥迪A3:前悬架采用麦弗逊支柱式,后悬架则采用新开发的具有4根连杆的多连杆式。高尔夫Ⅴ:悬架系统与A3同样采用最新开发的多连杆方式。减振器、车簧和平衡器的规格不同于A3。戴-克:奔驰CLK320敞篷车:前悬架为由2根横向配置的麦弗逊臂杆式,后悬架为多连杆式。

 

本田:奥德赛:后悬架采用双叉骨式。标致-雪铁龙:雪铁龙概念车C-Airlounge:悬架减振系统采用该公司的油压系统“Hydractive3”。

 

福特:福特Freestar:前悬架采用麦弗逊臂杆式,后悬架采用扭力臂杆式。福特概念车雷鸟SH:采用“KWCoilover”悬架减振系统,可防止前轮切角及后轮间隙损坏。

 

通用:中型皮卡H3T:后悬架减振系统为多连杆式小型SUVEquinox:前悬架及后悬架分别采用麦弗逊臂杆式和独立4连杆式。雪佛兰Aveo:前悬架采用麦弗逊臂杆式,后悬架采用扭杆式。

 

日产:无限QX56:悬架减振系统前、后均为双叉骨式。标准配备全车空气悬架系统,可调整后部车高。无限概念车Triant:四轮均采用多连杆方式。March:前悬架为压杆式,但由于采用了带防振绝缘体的副车架,因而提高了整车的安静性;后悬架五连杆式改为扭杆式,从而实现了小型化。

 

三菱ECLIPSE SPYDER:前、后分别为麦弗逊臂杆式及多连杆式。小型车i:前、后悬架分别采用麦弗逊臂杆式及扭力臂杆式。概念车SE·RO:悬架减震系统前、后分别为麦弗逊臂杆及De Dion Axle式。Grandis:前、后悬架分别采用麦弗逊支柱式及半拖曳臂式。

 

马自达:AXELA:前、后悬架减振系统分别采用麦弗逊臂杆式及多连杆式。    Roadster改进款:前、后悬架分别为双叉骨式及多连杆式。概念跑车KUSABI:前、后悬架分别采用麦弗逊臂杆式及扭力臂杆式。鹫羽:悬架减振系统前、后分别为双叉骨式及多连杆式。RX-8 混合动力款:前悬架为双叉骨式式,后悬架为多连杆式。欧宝雅特:配备了附带持续减震控制的悬架减振系统“IDSPlus”,只需一键操作即可将减振器特性等切换到运动模式。

 

美洲豹XJ:悬架减振系统为全轮双叉骨式,前后均配有钢制副车架。该车全部车型在所有车轮上均采用了空气悬架。 阿尔法·罗密欧概念车Kamal:前后均采用双叉骨式。在超过一定车速时,通过可调节车高的气压式悬架减振系统可自动降低车高。起亚Opirus:前、后悬架分别为双叉骨式及多连杆式的悬架减振系统。

 

悬架位于车身与轮胎之间,对车辆的运动性能、乘坐舒适性有重大的影响。按照路面行驶工况最优控制,悬架性能以确保车辆行驶性能与乘坐舒适性,电子控制悬架将进一步向高性能方向发展。作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一,是利用“预知传感器”进行预知控制的“预知控制悬架”。目前已提出了多种的方案,并期待着这种新式传感器的出现。另一方面,从地球环境来考虑,为进一步节约能源,悬架控制向高压力化、高电压化、小型轻量化发展。在控制理论方面正在致力于模糊逻辑控制、神经网络控制等应用于悬架方面的研究。

 

从外表上看似简单的悬架,包含着多种力的合作,决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性,是现代轿车十分关键的部件之一。随着汽车结构和功能的不断改进和完善,研究汽车振动,设计新型悬架电控系统,将振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的重要措施。目前,汽车悬架系统已进入到利用电子控制器进行控制的时代。运用较优的控制方法,得到高性能的减振效果,且使能耗尽可能的低,是汽车悬架系统发展的主要方向。

 

 

 

 

(转载)

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