1.6　汽车悬架技术发展

1.6.1　被动悬架

被动悬架是指刚度和阻尼都不能变化，无额外作动力的悬架。它由弹簧、减振器和导向机构组成。被动悬架是传统的机械结构，它结构简单、性能可靠，成本低且不需额外能量，因而应用最为广泛。但是被动悬架的刚度和阻尼都是不可调的，按照随机振动理论，它只能保证在特定的工况下达到最优减振效果，难以适应不同的道路和使用状况；同时利用被动悬架还难以同时获得良好的乘坐舒适性和操纵稳定性，因为两者对悬架的要求是矛盾的。根据研究，要获得良好的舒适性，悬架应该软一点；为得到良好的操纵稳定性，悬架应该硬一点。实际应用中往往两者折中，根据需要偏重一个方面。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、赛欧等，后悬架的选择稍多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。弹性元件一般采用螺旋弹簧加橡胶衬套，减振器多选用筒式液力减振器。不同的悬架主要是由于导向机构的变化。改进被动悬架性能的研究集中在三个方面：

1）如何寻找最优的悬架参数，主要通过建模仿真来实现。

2）研究渐变刚度弹簧和机械可变阻尼减振器，使悬架参数能在一定范围内适应不同的工况。

3）悬架导向机构的研究，这方面的重点是带有横向稳定杆的多连杆悬架。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，主动悬架日益受到广泛的重视，已成为悬架技术发展的主要趋势。

1.6.2　主动悬架

随着高速公路的发展，汽车车速有了很大的提高，传统被动悬架的缺点逐渐成为提高汽车性能的限制因素，为此人们开发了能同时提高舒适性和操纵稳定性的主动/半主动悬架。主动悬架的概念是1954年通用汽车公司在悬架设计中提出的。主动悬架能够根据悬架质量的振动加速度，利用电控部件主动地控制汽车的振动。主动悬架一般由隔振弹簧、控制器和作动器组成。

主动悬架不但能很好地隔离路面振动，而且能控制车身运动，比如起动和制动时的俯仰、转向时的侧倾等，另外还可以调节车身的高度，提高轿车在恶劣路面的通过性。不过主动悬架结构复杂，能耗大且成本很高，故目前主要应用于赛车和高级轿车。奔驰公司最新的主动悬架系统（简称ABC）则通过抑制车身在行驶时的起伏、倾斜及跳动来提高舒适性。

对主动悬架的研究目前主要集中在两个方面：一个是控制策略；另一个是作动器。最早的主动悬架控制策略是天棚原理，假设车身上方有一固定的惯性参考。在车身和惯性参考之间有一阻尼器，作动器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制方法简单，在国外某些车型上已经得到了应用。随着现代控制理论的发展，主动悬架的最优控制方法被提出，它比天棚原理考虑了更多的变量，控制效果更好，目前最优控制规律有三种：线性最优控制、HQ最优控制和最优预见控制。实际悬架系统中有许多非线性的、时变的、高阶动力系统，使最优控制方法变得不稳定，为此又发展了自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类。德国大众汽车公司生产的汽车的底盘上就应用了自适应控制规律。目前发展最迅速的控制策略是智能控制（模糊控制和神经网络控制）。模糊控制方法具有制动调节输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，计算机仿真结果表明该方法更有效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学习适应性和并行处理，研究表明它比传统控制有更好的性能。作动器是实现控制目标的重要环节，因此作动器的研究也是主动悬架研究的重要内容。为保证主动悬架的良好性能，作动器必须具有灵敏、稳定、可靠、能耗低、成本低和总量低等特点。目前主动悬架上应用的作动器主要是液力式结构。日产公司则开发了蓄能式减振器，它将压力控制阀同小型蓄能器及液压缸结合起来，使路面不平度引起的振动被蓄能缸吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不过液压动力系统尚有许多不足之处，比如对工作环境有一定要求：元件制造精度要求高、成本难以下降；处理小信号的数字运算，误差的检测与放大、测试与补偿、自动化与实现远距离等功能不如电气系统灵活准确等。因此现在作动器的研究主要集中在直线伺服电动机、电磁蓄能器的方向。

电气动力系统中的直线伺服电动机具有较多的优点，永磁直流直线伺服电动机，其驱动性能优于液压系统，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，有望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架。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，悬架设计长期以来成为轿车设计中的难点。采用新型电控技术，研究和开发一类控制有效、能耗低、造价合理的汽车悬架系统具有较高的经济效益和社会效益。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。

1.6.3　半主动悬架

虽然通过主动悬架能获得比较理想的减振系统，但主动悬架能量消耗大、成本高、结构复杂，目前还难以在商业上得到大规模的推广和应用。为此Crosby和Karnop在1974年提出了基于天棚阻尼的半主动悬架的概念。半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度或减振器的阻尼系数可以根据需要进行调节控制的悬架。由于弹簧刚度调节相对较难，半主动悬架主要通过调节减振器的阻尼系数实现。半主动悬架没有专门产生控制力的元件，它按照传感器传递的数据由控制器算出所需的控制力，然后通过调节减振器的阻尼来模拟控制力，以衰减车身的振动。

半主动悬架的研究同样集中在两个方面，一方面是执行器的研究，即阻尼可调减振器；另一方面是控制策略的研究。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，另一种是通过改变减振液的黏性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电动机进行有级或无级调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减振液的黏性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本不高、无噪声和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。在国外，改变减振液的黏性主要有电流变液体和磁流变液体两种类型，两者也都有了一些产品问世。

1.6.4　各种悬架比较

据分析和模型试验的结果，主动悬架的减振效果最好，同时还解决了平顺性和操纵稳定性的矛盾；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；被动悬架的性能相对最差。但是主动悬架的元件都比较昂贵，工作时又需要比较多的能量，同时主动悬架还使整车质量增加。因此主动悬架会大大增加成本和能量消耗，这也是主动悬架不能大规模批量生产的原因。半主动悬架以控制阻尼为主，因此成本和能耗比主动悬架要低得多。被动悬架的成本最低，也不需消耗能量。综合考虑性能和成本的因素，则半主动悬架的性价比是最高的，这也是半主动悬架商业应用多于主动悬架的原因。