汽车悬架技术现状及发展趋势

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

半主动悬架控制策略

近年来，国内外学者对半主动悬架控制方法进行了大量的研究，控制方法几乎涉及到所有的控制理论的所有分支，许多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制等在半主动悬架上得到了应用。

天棚阻尼控制

天棚阻尼控制方法是最早提出的控制方法。该控制方法是由美国D。KARNOPP教授提出，在早期的半主动悬架上得到了广泛应用，但天棚阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。因此，目前研究的重点是改进型的天棚阻尼控制方法。

最优控制

最优控制是一种理论上最成熟、应用最广泛的控制方式，它一般可分为线性最优控制、最优预测控制和H∞最优控制。线性最优控制是；阵LQ（Linear—Quadratic）控制理论应用于车辆悬架系统中，其性能指标函数采用系统的状态响应与输入的加权二次型，在保证受控结构动态稳定性的条件下，把线性二次型调节控制器理论和线性二次高斯型控制理论用于车辆半主动悬架系统中实现最优控制。H∞最优控制是在闭环系统各回路稳定的条件下，相对于噪声干扰的输出取极小值的一种最优控制方式，在车身质量、轮胎刚度、减振阻尼系统、车辆结构等存在不确定变化误差时，采用H∞最优控制可使车辆悬架系统的减振控制具有较强的鲁棒性。

自适应控制

自适应控制具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持其性能最优。应用于车辆悬架系统自适应控制方法主要有模型参考自适应控制和自校正控制两类，其中自校正控制是目前应用较广的一类。采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统能改善车辆的行驶特性，在德国大众汽车公司的底盘得到了应用。

预测控制

车辆悬架系统的预测控制是指通过传感器；阵车辆前方路面信息预先传给悬架装置，使参数的调节与实际需求同步。预测控制可以通过某种方法提前测得前方路况的信息，使得控制系统有足够的时间采取措施。预测控制可以分为两类：一是用前轮悬架的状态信息对后轮悬架进行预测控制；二是测量车辆行驶过程中前方道路的状态信息，以此信息来对前后轮悬架进行预测控制。采用预测控制的关键是要获得具有一定精度、不受干扰和反映路面真实情况的信息。由于车辆参数的时变性和非线性对系统性能的影响，使得具有预测控制性能的半主动悬架研究具有一定困难。

神经网络控制

神经网络是近20年来迅速发展起来的一门新兴交叉学科，它是以大量处理单元（神经元）为节点，按某种拓扑结构所构成的高度并行的非线性动力学系统，其特点是具有自学习能力和大规模并行处理的能力，因而在车辆悬架系统减振控制中有着广泛的应用前景。

目前，神经网络控制方法越来越多地应用在特定环境以及采用固定描述方式的多种目的的设计中。汽车半主动悬架系统具有非线性特点，常规的控制策略对非线性系统有一定的局限性，神经网络的控制方法在车辆悬架控制系统中有着广泛的应用前景。

滑模变结构控制

滑模变结构控制是控制理论的一个重要分支。它适用于线性或非线性系统，方法简单，易于实现，对模型参数的不确定性和外界扰动具有高度的鲁棒性。滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性，这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识，物理实现简单等优点。

模糊控制

自20世纪90年代以来，模糊控制被应用到汽车半主动悬架系统的控制中。模糊控制是一种新型智能控制技术，与传统控制相比，其系统的鲁棒性好，尤其适用于非线性、时变和滞后系统。它的最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量，与人的智能行为相似，由于车辆的部分参数经常变化以及在不同道路条件下行驶等特点，模糊控制尤为使用。

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。

（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。

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。

电控悬架系统的新技术

随着人类生活水平的提高，人们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载荷、行驶速度，以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节。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，为了满足人们对汽车舒适性的要求，20世纪90年代以来，各汽车公司相继开发了提高汽车舒适性的电控悬架系统(ECS)。在装备电控悬架系统的汽车上，当汽车急转弯、急加速或紧急制动时，乘坐人员能够感到悬架较为坚硬，而在正常行驶时能够感到悬架比较柔软；电控悬架还能平衡地面反力，使其对车身的影响减小到最低程度。因此，随着汽车电子技术的发展与进步，许多中高档轿车、大客车以及越野汽车都装备了电控悬架系统。

电控悬架系统由传感器、控制开关、电控单元(ECU)和执行元件组成。传感器和控制开关向ECU输入信号，ECU接收传感器和控制开关输入的电信号，并向执行元件发出控制指令，执行元件产生一定的机械动作，从而改变车身高度、空气弹簧的刚度或减振器的阻尼。电控悬架系统中，输入信息主要有车身高度和车速，驾驶员是加速还是制动，或驾驶员在仪表板上选择并操作的某种悬架控制功能开关的位置等等。

电控悬架系统采用的控制方式有控制车身高度、控制空气弹簧的刚度和控制油液减振器的阻尼等。根据电控悬架系统的功能不同，目前采用的电控悬架系统主要有以下几种类型：电控变高度悬架系统；电控变刚度空气弹簧悬架系统；电控变阻尼减振器悬架系统；电控变刚度空气弹簧与变阻尼减振器悬架系统；电控变高度变刚度空气弹簧和变阻尼减振器悬架系统。

车身高度控制系统的主要功用是当车内乘员或载荷变化时，自动调节车身高度，使汽车行驶稳定，提高乘坐舒适性。车身高度控制系统分为两大类型，一类是仅对两个后轮悬架进行控制；另一类是对全部四个车轮的悬架进行高度控制。两种类型的控制原理基本相同。

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，电控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“智能传感器”进行预知控制的“智能控制悬架”。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。

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。