悬架及磁流变减振器概述

悬架及磁流变减振器概述newmaker1悬架的构造|创$|割繭悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总成，它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力），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传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都有弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。

弹性元件：使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间做弹性联系，但弹性系统受到冲击后，将产生振动。

持续的振动容易是乘员感到不舒服和疲劳，故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减,为此，在许多结构型式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

车轮和车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则，汽车的某些性能（特别是操纵稳定型）有不利的影响。

因此，悬架中某些传力机构同时还承担着使车轮按一定的轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因此这些传力机构还起导向作用，故称导向机构。

由此看这三者分别起着：缓冲，减振和导向的作用。

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，在悬架中还设有辅助弹性元件-----横向稳定器。

并非所有的悬架都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 元件起缓冲作用而外，当它在汽车上纵向安置，并且一端与车架作固定铰接连接时，既可 负担起传递所有各向力和力矩，以及决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要在另行设 置导向机构。

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，因而在对减振的要求 不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架中，也可以不装减振器。

由悬架的刚度和悬架弹簧支撑的质量（弹簧质量）所决定的车身自然振动频率（或称振动 系统的固有频率）是影响汽车的行驶平顺性的悬架重要性能指标之一，人体所习惯的频率 是步行身体上下运动的频率，约为 1〜6Hz 。

车身自然振动频率应当尽可能地处于或接近这一频率范围，根据力学分析，如果将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的自然振动频率（固有频率）为:其中，g ----- 重力加速度；f-——悬架垂直变形（挠度）；M ---- 悬架簧载质量；K （=Mg/f ）------悬架刚度（不一定等于弹性元件的刚度）指使车轮中心相对车架和车身向上 移动的单位距离（即使悬架产生单位垂直压缩变形）所需加于悬架上的垂直载荷。

由上式可见:（1） 在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度愈小，则汽车自然振动频率愈低。

但悬架刚度1 •弹性元件；2.纵向推力杆；3.减振器；4.横向稳定器；5.横向推力杆图1汽车悬架结构示意图愈小，在一定载荷下悬架垂直变形就愈大，这对于簧载质量大的货车，在结构上难以保证。

故实际上货车的车身自然振动频率往往偏高，而大大超过上述理想的频率范围。

（2）当悬架刚度一定时，簧载质量愈大，则悬架垂直变形愈大，而自然振动频率愈低。

故空车行驶时的车身自然振动频率要比满载行驶时的高。

簧载质量变化范围愈大，贝y频率变化范围也愈大。

为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身自然振动频率保持不变或变化很小，就需要讲悬架的刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架的刚度随之增加。

有些弹性元件本身的刚度是可变的，如气体弹簧；有些悬架所用的弹性元件的本身的刚度随是不变的，但如果在悬架中采取了某些措施，可使整个悬架具有可变的刚度，例如渐变刚度钢板弹簧。

悬架可以分为两大类：非独立悬架和独立悬架（图 2 ）。

图2非独立悬架与独立悬架示意图非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架挂在车架或车身的下。

独立悬架则是每一侧的车轮单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。

采用独立悬架时，车桥都做成断开的。

为了加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器。

减振器和弹性元件都是并联安装的。

汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。

液力减振器的作用原理是当车驾与车桥做往复相对运动，而活塞在缸筒内往复移动时，减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。

此时，孔壁与油液的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散到空气中。

减振器阻尼力的大小随车架和车桥相对运动速度的增减而增减，并且与油的黏度有关。

因此要求减振器所用油液的黏度受温度变化的影响尽可能小；且具有抗汽化，抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。

减振器的阻尼力越大，振动消减得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。

为解决弹性元件和减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：（1 ）在悬架压缩行程（车桥和车架互相移近的行程）内，减振器阻尼力应小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。

（2）在悬架伸张行程内（车桥与车架相对远离的行程）内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振。

（3）当车桥（或车轮）与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道面积，使阻尼力始终保持在一定的限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。

2悬架的分类传统的悬架系统的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，根据这些参数设计的悬架结构，在汽车行驶过程中，其性能是不变的，也是无法进行调节的，使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性受到一定影响。

故称传统的悬架系统为被动悬架系统。

如果悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶调节（车辆的运动状态和路面状况等）进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，则称为主动悬架。

主动悬架系统按其是否包含动力源可以分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。

2.1全主动悬架全主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。

它是在被动悬架（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控作用力的装置。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

2.2半主动悬架半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它无动力源且只由可控的阻尼元件组成。

由于半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能，故有较好的应用前景。

半主动悬架按阻尼级有可以分成有级式和无级式两种。

（1）有级式半主动悬架它是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择悬架所需要的阻尼级。

也就是说，可以根据路面条件（好路或坏路）和汽车的行驶状态（转弯或制动）等来调节悬架的阻尼级，使悬架适应外界环境的变化，从而可以较大幅度地提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。

半主动悬架中的三级阻尼可调减振器的旁路控制阀是由调节电动机来带动阀芯转动，使控制阀孔具有关闭，小开和大开3个位置，产生3个阻尼值。

该减振器应用于OPEL SENTOR 和OPELGA轿车上。

（2）无级式半主动悬架它是根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内有最小变到最大进行无级调节。

无级半主动微处理器从速度、位移、加速度等传感器处接受到信号，计算机出系统相适应的阻尼值，并发出控制指令给步进电动机，经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的通道节面积，从而改变系统的阻尼。

该系统虽然不必外加能源装置，但所需传感器较多，故成本仍较咼。

3半主动悬架系统的研究进展现代汽车正朝着安全、智能化和清洁化的方向发展，悬架系统智能化解决了传统被动悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题并能适应变化的行驶工况和任意道路激励，代表了悬架系统发展的方向。

主动悬架能获得一个优质的隔振系统实现理想悬架的控制目标，但能量消耗大，成本高，结构复杂，其中能量，成本和可靠性是限制主动悬架发展的瓶颈。

半主动悬架通过改变减振器的阻尼特性适应不同的路面和行驶状况的需要，改善乘坐舒适性和操纵稳定性。

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，无需力源，能耗小，因而是近期最能走向市场被推广应用的新兴技术。

3.1新型的半主动悬架系统前人基于天棚阻尼的概念发明了半主动阻尼器，并应用于生产，但对悬架性能的改善是极其有限的。

后来，有人提出了开关控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，这种悬架已应用到实车上，其后又有人在半主动悬架控制中引入了此方法，并改进了控制算法的稳定性。

日产公司研制了一种声纳式半主动悬架，它可通过声纳装置预测路面信息，悬架减振器有柔和、适中和稳定3种选择状况。

随后有研究人员利用了电流变和磁流体作为工作介质，研究了新型的半主动悬架系统。

半主动悬架系统除了少量的开启电液阀的能量以外，几乎不需要外加能源，研究表明，只要恰当选择控制逻辑，半主动阻尼器可以达到像主动减振器一样的减振效果。

通常，半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节的悬架。

目前，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号实现对减振器阻尼系数的有级可调和无级可调。

3.2有级可调减振器有级可调减振器阻尼在三档之间快速切换，切换时间通常为几毫秒，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。

有级可调减振器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，有级可调减振器的设计关键是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数缩短切换时间从而使复杂的控制策略应用成为可能，以进一步提高悬架的控制品质。

3.3无级可调减振器无级可调减振器的阻尼调节可采取以下几种方法：（1）节流孔径调节：通过步进电机驱动减振器的阀杆连续调节减振器的通流面积，阻尼节流来改变阀或其他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）减振液黏性调节：使用黏性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，电流变液体在外加电场作用下，其流变材料性能（如剪切强度，表观黏度等会发生显著的变化，将这种电流装入减振器并在内外筒之间加上电场通过改变电场强度使电流液体的黏度改变，从而改变减振器的阻尼力。