摘要：主要介绍了悬架系统的功能和种类，介绍其主要的动力学分析方法，阐述了汽车悬架系统的发展现状和应用前景。
关键词：悬架、发展、动力学
1. 引言
汽车在现在人们的生活中已经的不可或缺，汽车的整车性能不仅影响到驾驶的操纵稳定性、舒适性和经济性，也影响到汽车安全。悬架系统对于整车性能的作用可以说是最重要的。研究悬架系统，就是要使车辆能够满足人们对舒适性、安全性、动力性的要求。
我们都知道悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺地行驶。悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总
成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相矛盾的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的振动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定。
悬架的组成部分包括弹性元件、导向机构以及减振器等，个别的还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。减振器的功能是产生阻尼力的主要元件，其作用是迅速衰减汽车的振动，改善汽车的行驶平顺性，增强车轮和地面的附着力。另外，减振器能够降低车身部分的动载荷，延长汽车的使用寿命。目前在汽车上广泛使用的减振器主要是筒式液力减振器，其结构可分为双筒式、单筒充气式和双筒充气式三种。弹性元件的主要功能是支撑垂直载荷，缓和和抑制不平路面引起的振动和冲击。弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧等。导向机构的作用是传递力和力矩，同时兼起导向作用。在汽车的行驶过程当中，能够控制车轮的运动轨迹。
2. 悬架的发展历史
早在马车的时代，人们就为追求乘坐的舒适性，开始对马车的悬架一一叶片弹簧就行了不断的探索。一直到20世纪30年代，叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧所取代，汽车诞生以后，随着对悬架研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件。1934年出现了第一个被动悬架，它是由螺旋弹簧组成的。被动悬架的参数是根据经验或者优化设计的方法确定的，在行驶过程中保持不变，它很难适应各种复杂的路况，减震效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度的弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定的效果，但是仍然没有完全解决被动悬架的弊端。被动悬架主要应用在中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊悬架，后悬架可选择纵摆臂式悬架和多连杆式悬架。
在1973，人们开始了对半主动悬架的研究工作。半主动悬架就是通过传感器感知路面平坦情况，调整悬挂系统的阻尼，稳定行车状态的装置。半主动悬架并不改变悬架的刚度，仅改变悬架的阻尼，因此它无动力源且只有可控的阻尼元件组成。半主动悬架原理图如图1。半主动悬架根据阻尼级有无级式和有级式两种。但是半主动悬架有结构简单，工作时不消耗车辆的动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能的优点，因而半主动悬架有很好的应用前景。
主动悬架的概念早在1954年，就由美国的通用公司率先提出。但是当时受到一定的技术限制，发展较慢。主动悬架是在近十几年发展起来的，由电脑控制的新型悬架，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。主动悬架是在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置。控制装置通常由执行结构、测量系统、反馈系统、能源系统等组成。主动悬架原理图见图2。
图1
图2
主动悬架能够根据汽车的运行状态和路面状况，适时的调节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳减振状态，使车辆在各种路面状况下都会有良好的舒适性。主动悬架的关键部位是执行机构，也就是可以调节的悬架阻尼系统。主动悬架的一个重要特点是它要求动作器所产生的力能够很好的跟踪任何力控制信号。因此，它的控制策略就需要确定，以使系统能够使车辆达到最佳的总体性能。
3. 悬架的种类
根据弹性元件的差别可分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、气体弹簧悬架以及橡胶弹簧悬架。
按照性能能否可控制，可分为：被动悬架、半主动悬架和主动悬架。
汽车的悬架根据结构特点可分为非独立悬架和独立悬架；独立悬架根据车轮运动形式可分为横臂式、纵臂式、滑柱连杆式（包括烛式和麦弗逊式）和单斜臂式。非独立悬架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与车架（或车身）连接。当一侧的车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内摆动。独立悬架是车桥做成了断开的，每一侧的车轮可以单独地通过弹性悬架与车架（或车身）相连，两侧的车轮可以单独跳动，互不影响。
4. 悬架的研究现状及控制方法
现在大部分车辆上仍然在使用的还是被动悬架，但是我们已经认识到被动悬架已经不能满足人们对于车辆驾驶性能的要求，因此，今后的发展趋势必然是半主动悬架和主动悬架越来越普及。
4.1 半主动悬架
半主动悬架的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。半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。
目前半主动悬架的控制研究中对阻尼控制的研究居多。阻尼可调分为有级可调式和连续可调式，有级可调式只能取几个离散的阻尼系数，而连续可调式半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可以连续变化。有级可调式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、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，但是在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面仍然有局限性。
连续可调式主要采用两种阻尼调节方式：节流孔径调节和减振液黏性调节。早起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他行驶的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。减振液黏性可调的减振器是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。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、黏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，使电流变液体的黏度改变，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，不需要复杂的驱动电机，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择，但是电流变存在一些不足，如：电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场黏度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间的比重相差较大，易分离、沉降、稳定性差，对杂质敏感等。必须通过设计解决以下问题：体积小、重量轻、能保证电流变液体的正常工作温度、有一个散热系统、高压电源的绝缘与封装。磁流变液体与电流变类似，就是在外加磁场的作用下，磁流变材料性能发生急剧的变化的液体，通过改变磁场强度可实现减振器阻尼的连续可调，该减振器响应速度快，并且其稳定性塑形黏度和温度范围都优于电流变液体。
4.2 主动悬架
主动悬架系统采用一个可控的执行器代替了被动悬架的响应部件，是有源控制系统。主动悬架系统采用的执行元件具有较宽的响应频带，为0~15赫兹，有的高达100赫兹，对车轮的高频共振也可以控制。主动悬架系统结构复杂，主要由执行元件、各种传感器、信号处
理器和控制单元等组成，执行元件多采用电控液压或电控气压私服系统。近年来，有学者提出一种集馈能和减振功能于一体的馈能型主动悬架概念。这种悬架带有能量回收装置，能将悬架间被减振器所消耗的振动能量转化为可供汽车其他液压耗能部件使用的能量，同时保持汽车良好的行驶平顺性，这项研究已经在理论上得到证明。随着现代技术的发展，主动悬架系统会和电子控制技术越来越多的结合在一起，电子控制汽车悬架系统会包括（车高、转向角、加速度、路况预测）传感器、电子控制ECU、悬架控制的执行器等组成，系统控制功能一般分为：
1）车高调整
通过调整车高，使汽车适应起伏不平路面和良好路面，不仅提高了通过性，还减少空气助力，提高操纵稳定性。
2）阻尼力控制
在急转弯、急加速和紧急制动时，可以抑制车身姿态的变化
3）弹簧刚度控制
主要改变弹簧刚度来满足车辆运动或舒适的要求。
采用主动悬架，汽车对侧倾、俯仰、横摆跳动和车身的控制都能迅速、精确，汽车高速行驶和转弯的稳定性提高，车身侧倾减少。制动时车身前倾小，启动和急加速可减少后仰，即使在环路面，车身的跳动也较少，轮胎对地面的附着力提高。因此主动悬架又成为智能悬架系统。目前主动悬架一般装配在高端车型上，比如别克新君越、宝马7系、奔驰S级以及奥迪，甚至雷克萨斯上面也装有。
5. 悬架的动力学分析方法
悬架运动学主要研究内容是车轮定位参数（轮距、前束、外倾角、主销后倾角、主销内倾角），与悬架的弹簧的变形（或车轮跳动量）的关系，悬架动力学则主要研究轮胎和路面之间的力（侧向力、驱动力及制动力）和力矩（回正力矩）作用下的车轮定位参数的变化规律。车轮定位参数在行驶过程中会不断变化，这些车轮定位参数的变化对汽车的操纵稳定性会产生很大影响。因此系统地开展悬架运动学和动力学的研究，并由此指导现代汽车悬架的开发设计，提高汽车的行驶稳定性，是现代汽车悬架研究开发中面临的重大课题。
5.1 悬架系统的建模与分析方法
汽车悬架振动控制系统大多由传感器拾取车身绝对速度、车身对车轮的相对速度，车身的加速度等信号，经计算机处理并发出指令进行控制。由于悬架系统是很复杂的非线性动力系统，因此基于模型的线性反馈控制是不适用的，利用线性控制理论，以主动悬架为例，建立数学模型，进行垂直分析时常采用1 /4整车模型所简化的模型如图3。
另一方面又和反馈控制系统相连，反馈系统从本身振动参数中获得信息，经过反馈系统中控制单元计算机处理，然后发出指令给执行机构，就能调节给车身和车轴的力以保证所需的舒服性和安全性。如需要控制垂直振动和前后起伏振动需要用1/2研究包括垂直、俯仰和侧倾响应的控制，则需要建立整车模型。
图3
主动悬架的运动方程为：
m
式中：G为执行机构的传递函数。将以上各式进行拉式变换得到：
先求车身位移和路面激励之间的传递函数再求车身位移和车身上干扰力之间的传递函数。
令，得到
整理得
代入得：
汽车悬挂合并得到
令，则有
得到：
5.2 悬架的仿真软件的使用
在对悬架参数进行优化的过程中，可以借助动力学仿真软件ADAMS，在ADAMS/Car专业模块中可以快速建立悬架物理模型，并且检验模型的自由度及正确性，获得模型的动力学参数，定义模型中部件、铰链与弹性元件及外界条件，对模型进行调整与仿真计算，然后对计算结果进行后处理。利用ADAMS/Car来建立车辆的动力学模型具有可视性强，建模概念清晰，可利用标准模板种类多等优点。在建立分析模型的过程中，ADAMS/Car的建模顺序是自下而上的，所有的分析模型都是建立在子系统基础之上的，而子系统又是建立在模板的基础上，模板是整个模型中最基本的模块。建模过程，首先建立模型零部件之间的连接关系以及与其他子系统的通讯器，然后利用建立好的模板创建各个子系统，调整子系统中的部分参数，最后通过各个子系统之间的通讯器，装配为整车动力学模型，然后调整整车的质量参数、力学参数，使之与实际情况相同。
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