淺析新能源汽車懸架設計

許宇佳 周峰

【摘 要】在人們對汽車駕駛性能要求日益重視的情況下，汽車前懸架性能分析和研究、前懸架的運動學以及動力仿真學分析的作用日益突出，這種新的計算分析方式為汽車前懸架的設計提供了一種新的方法和思路。并對汽車前懸架的集合定位參數、減震器、襯套、扭桿等組成部分進行實驗設計以及對各項參數進行分析，使得汽車車輪的角度、前懸架的垂直剛度得到進一步改善或強化，改善了前懸架的設計。

【關鍵詞】汽車懸架設計；發展；趨勢

1汽車懸架的種類和工作原理

根據懸架的阻尼和剛度是否隨著行駛條件的變化而變化，可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架，半主動懸架還可以按阻尼級分為有級式和無級式兩類。傳統的懸架系統的剛度和阻尼系數，是按經驗設計或優化設計方法選擇的，一經選定后，在車輛行駛過程中，就無法進行調節，因此其減振性能的進一步提高受到限制，這種懸架稱為被動懸架。為了克服被動懸架的缺陷，國外在20世紀60年代就提出了主動懸架的概念，主動懸架就是由在懸架系統中采用有源或無源可控制的元件組成。它是一個閉環控制系統，根據車輛的運動狀態和路面狀況主動作出反應，以抑制車體的運動，使懸架始終處于最優減振狀態。所以主動懸架的特點就是能根據外界輸入或車輛本身狀態的變化進行動態自適應調節。因此，系統必須是有源的。半主動懸架則由無源但可控制的阻尼元件組成。

在車輛懸架中，彈性元件除了吸收和存貯能量外，還得承受車身重量及載荷，因此，半主動懸架不考慮改變懸架的剛度而只考慮改變懸架的阻尼。由于半主動懸架結構簡單，在工作時，幾乎不消耗車輛動力，又能獲得與主動懸架相近的性能，故應用較廣。

由于路面輸入的隨機性，車輛懸架阻尼的控制屬于自適應控制，即所設計的系統在輸入或干擾發生大范圍的變化時，能自適應環境，調節系統參數，使輸出仍能被有效控制，達到設計要求。它不同于一般的反饋控制系統，因為它處理的具有“不確定性”的反饋信息。

自適應控制系統按其原理不同，可分為校正調節器和模型參考自適應控制系統兩大類。由于要建立一個精確的“車輛―地面”系統模型還很困難，故目前的主動懸架，多采用自校正調節器。

雖然現代汽車的懸架種類較多，結構差異較大，但一般由彈性元件、減振元件和導向構件組成。工作原理是：當汽車輪胎受到沖擊時，彈性元件對沖擊進行緩沖，防止對汽車構件和人員造成損傷。但彈性件受到沖擊時會產生長時間持續的振動，容易使駕駛員疲勞。故減振元件應快速衰減振動。當車輪受到沖擊而跳動時，應使其運動軌跡符合一定的要求，否則會降低汽車行駛的平順性和操縱穩定性。導向構件在傳力的同時，必須對方向進行控制。

2 新能源汽車懸架的現狀分析

新能源汽車懸架是車架與車橋之間的連接和傳動裝置，組成包括彈性元件、力和振動阻尼裝置，以減輕和消除道路條件差造成的車輛運行過程中的振動和沖擊，在汽車運行中起著關鍵的作用，在保證過程的穩定性。車輛多體動力學性能的研究對汽車懸架的設計和優化具有重要意義，從80年代中后期開始，國內各高校逐漸將多體系統動力學分析納入汽車總體性能分析中。

在運動和動力學的研究，新的計算和分析技術對國內汽車設計效果顯著，特別是懸架作為汽車的重要組成部分，大大加快了中國汽車產業的創新與發展。目前，在中國多體系統動力學結合經典力學的理論體系與現代的計算機技術，可以完成復雜的建模和數據計算。在設計前懸架時，采用多體系統力學進行數學建模，輸入基本參數，計算機對這些數據進行處理和計算，大大保證了操作結果的可靠性，減少了數據運算時間。作為懸架的基本性能，其一是保護車輛、機組人員、貨物等，以抑制路面不平的振動和噪聲。其次，為了有效地傳遞車輛的前、后載荷，如驅動力、制動力和橫向力，使汽車輪胎和路面達到最佳狀態，達到車輛運動的理想狀態。

3 汽車懸架的系統特性分析

3.1汽車車輪角度

汽車懸架的設計是合理的，最重要的性能是車輪在行駛過程中的狀態。車輛在行駛過程中，車輪的外傾角會隨著車輪的跳動而發生變化。車輛的彎度應控制在±1度以內，以保證車輛的正常行駛。在汽車的車輪主銷內傾角自動返回發揮作用是在主銷橫向偏移和主銷內傾角的過程中，兩個坐標方向盤上的驅動作用，方向盤驅動應用在實現轉向盤。

3.2汽車車輪輪間距

汽車行駛過程中車輪間距的變化會引起不同側的輪胎發生反向偏移，影響汽車行駛的穩定性。因此在汽車前支架設計過程中需要對汽車車輪間距進行合理的設計。所謂前束角是指當汽車直線行駛時，汽車縱向、中心面與車輪水平直徑形成的角，影響汽車的直線行駛；所謂外傾角是指車輪中心面和鉛直線形成的角，影響輪胎的接地性。

3.3懸架的垂直剛度

在汽車荷載發生上下垂直運動時，汽車前懸架的垂直剛度對于保證汽車的整個底盤的穩定性具有重要作用，前懸架在汽車垂直運動過程中給車身以彈性恢復力。

4新能源汽車懸架的發展趨勢

由于汽車行駛的平順性和操縱穩定性的要求，具有安全、智能和清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發展的趨勢。

4.1被動懸架是傳統的機械結構，剛度和阻尼都是不可調的，依照隨機振動理論，它只能保證在特定的路況下達到較好效果。但它的理論成熟、結構簡單、性能可靠、成本相對低廉且不需額外能量，因而應用最為廣泛。在我國現階段，仍然有較高的研究價值。被動懸架性能的研究主要集中在三個方面：通過對汽車進行受力分析后，建立數學模型，然后再用計算機仿真技術或有限元法尋找懸架的最優參數；研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運行狀態；研究導向機構，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩定性有較大的提高。

4.2半主動懸架的研究集中在兩個方面：執行策略的研究；執行器的研究。阻尼可調減振器主要有兩種，一種是通過改變節流孔的大小調節阻尼；一種是通過改變減振液的粘性調節阻尼。節流孔的大小一般通過電磁閥或步進電機進行有級或無級的調節，這種方法成本較高，結構復雜。通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數，具有結構簡單、成本低、無噪音和沖擊等特點，因此是目前發展的主要方向。

4.3主動懸架研究也集中在兩個方面：可靠性；執行器。由于主動懸架采用了大量的傳感器、單片機、輸出輸入電路和各種接口，由于元器件較多，降低了懸架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一個不可逾越的階段。執行器的研究主要是用電動器件代替液壓器件。電氣動力系統中的直線伺服電機和永磁直流直線伺服電機具有較多的優點，今后將會取代液壓執行機構。運用電磁蓄能原理，結合參數估計自校正控制器，可望設計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應主動懸架，使主動懸架由理論研究轉化為實際應用。

5結論

懸架是汽車上的重要總成之一，它把車身和車彈性地連接在一起。汽車懸架是車身和車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱。一般由彈性元件、減振器和導向元件組成。在汽車行駛過程中，懸架的作用是彈性地連接車橋和車架，減緩行駛中車輛受到由路面不平引起的沖擊力，保證乘坐舒適和貨物完好，迅速衰減由于彈性系統引起的振動，傳遞垂直、縱向、側向反力及其力矩，并起導向作用，使車輪按一定軌跡相對車身運動。懸架決定著新能源汽車的穩定性、舒適性和安全性，是現代汽車十分重要的部件之一。

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（作者單位：精誠工科汽車系統有限公司底盤研究院）