汽车空气悬架的应用与发展

汽车空气悬架的应用与发展

空气悬架诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备隔振。1947年，美国首先在普耳曼汽车上使用空气悬架，意大利、英国、法国及日本等国家相继对汽车空气悬架作了应用研究。经历了一个世纪的发展，到二十世纪五十年代才被应用在载重车、大客车、小轿车及铁道汽车上。目前国外高级大客车几乎全部使用空气悬架，重型载货车使用空气悬架的比例已达80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。部分轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯等。在一些特种车辆(如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等)上，空气悬架的使用几乎为唯一选择。

国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧→气囊复合式悬架→被动全空气悬架→主动全空气悬架(即ECAS电控空气悬架系统)”的变化型式。主动全空气悬架应用了电子控制系统，使传统的空气悬架系统的性能得到很大改善，汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能(如故障诊断功能等)。目前ECAS系统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用，随着人们生活水平的提高，对汽车舒适性的要求越来越高，可以预见，ECAS这一先进的空气悬架系统在汽车上的应用将越来越普及。

悬架系统的作用

汽车悬架是汽车中弹性的连接车架与车轴的装置。它一般由弹性元件、导向机构、减震器等部件构成，主要任务是缓和由不平路面传给车架的冲击，以提高乘车的舒适性。

汽车悬架上的零部件

汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和

力的传递作用。

螺旋弹簧：是现代汽车上用得最多的弹簧。它的吸收冲击能力强，乘坐舒适性好；缺点是长度较大，占用空间多，安装位置的接触面也较大，使得悬架系统的布置难以做到很紧凑。由于螺旋弹簧本身不能承受横向力，所以在独立悬架中不得不采用四连杆螺旋弹簧等复杂的组合机构。出于乘坐舒适性的考虑，希望对于频率高且振幅小的地面冲击，弹簧能表现得柔软一点，而当冲击力大时，又能表现出较大的刚性，减小冲击行程，因此需要弹簧同时具有两种甚至两种以上的刚度。可采用钢丝直径不等的弹簧或螺距不等的弹簧，它们的刚度随负载的增加而增加。

钢板弹簧：多用于厢式车及卡车，由若干片长度不同的细长弹簧片组合而成。它比螺旋弹簧结构简单，成本低，可紧凑地装配于车身底部，工作时各片间产生摩擦，因此本身具有衰减效果。但如果产生严重的干摩擦，就会影响吸收冲击的能力。重视乘坐舒适性的现代轿车很少使用。

扭杆弹簧：是利用具有扭曲刚性的弹簧钢制成的长杆。一端固定于车身，一端与悬架上臂相连，车轮上下运动时，扭杆发生扭转变形，起到弹簧的作用。

气体弹簧：利用气体的可压缩性代替金属弹簧。它最大的优点就是具有可变的刚度，随气体的不断压缩渐渐增加刚度，且这种增加是一个连续的渐变过程，而不象金属弹簧是分级变化的。它的另一个优点是具有可调整性，即弹簧的刚度和车身的高度是可以主动调节的。

通过主副气室的配合使用，使弹簧可以处在两种刚度的工作状态下：主副气室同时使用，气体容量变大，刚度变小，反之(只使用主气室)则刚度变大。气体弹簧刚度由计算机

控制，在汽车高速、低速、制动、加速以及转弯等状态下，根据所需刚度进行调节。气体弹簧也有弱点，*压力变化控制车高必须装备气泵，还有各种控制附件，如空气干燥器，如保养不善会使系统内部生锈发生故障。另外如果不同时采用金属弹簧，一旦发生漏气，汽车将无法行驶。

前言

基于经典隔振理论的传统被动悬架系统无须外部能量输入，结构简单，因而获得广泛应用，但其只是一种优化折衷方案，不能适应变化的行驶工况和任意道路激励。主动悬架是一种具有作功能力的悬架，在提高系统性能上具有较大的潜力[1]，但能量消耗大、液压装置噪声大、成本高、结构复杂，到目前为止，仅有少数几种主动悬架系统成为商业化产品[2]，限于装载在一些排量较大的高档车型上。

半主动悬架系统输入少量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性(刚度或阻尼系数)，结构简单、可靠性高，因系统动特性变化很小，仅消耗振动能量，故稳定性好，而减小振动的能力几乎和主动悬架一样[3](见表1)。半主动悬架系统所涉及的关键技术是设计并实现可控制减振环节和控制策略，这并不比主动控制简单，有时甚至更加复杂[4]，故而汽车半主动控制悬架系统已成为当今国内外学者和生产商研究和开发的热点。

2 半主动悬架系统的产生和发展

2．1 发展简况

半主动悬架的概念首先由Crosby和Karnopp于1973年提出，Karnopp还提出天棚阻尼控制模型和实现方法[5]。直到20世纪80年代初期才有试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多。随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂。1975年，Margolis等人提出了“开关”控制的半主动悬架，1983年日本丰田汽车公司开发了具有3种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于Toyota Soarer 280GT型轿车上。1986年，Kim Brough在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法，改进了控制算法的稳定性。1988年日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用于Maximas轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态。20世纪90年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的运用。1994年，Prinkos等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。2002年，采用美国德尔福(Delphi)公司磁流变减振器的MagneRide半主动悬架系统应用在Cadillac Seville STS高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼。

模糊控制和神经网络控制不需要建立系统精确的数学模型，可以避免因系统建模误差带来的影响。另外，模糊控制能减少控制器的存储空间，降低成本，缩短悬架延时，使控 制更加及时、可靠，但这种控制自适应能力差，精度不够高。神经网络的特点是可学习性和巨量并行性，在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。但不适于表达基于规则的知识因其需要较长的训练时间，另外它的控制参数没有物理意义，因而很难进行精确调节。神经网络须与其它控制方法相结合构成复合控制模式才能具有更大的实际应用。

鲁棒控制的H∞控制可使振动控制系统对车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系统和车身振动模态等不确定和未知信息的影响具有较强的鲁棒性，同时可大大缩短控制时间和降低能量消耗，文献[23]设计了H∞控制器，比较了其和“天棚”阻尼方法的减振性能，证实了鲁棒控制性能的优越性。滑模变结构控制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。文献[24]证明其效果显著。

除以上控制方法外，许多学者尝试采用一些新的控制理论来解决半主动悬架的控制问题，在一定程度上取得了一些进展，但都停留在数字仿真阶段。作者运用基于分数导数的复合控制策略来优化半主动悬架系统的控制参数，提高其综合性能。

4 研究和开发工作展望

4．1 注重刚度可调半主动悬架的研究

刚度可调半主动悬架在汽车的应用中有其不可替代的作用，特别是在重型载货车和大客车上，我国对其研究较少，与汽车发达国家差距较大。刚度和阻尼均连续可调的智能型半主动悬架具有很好的应用前景。

4．2 阻尼可调减振器的研究

传统可调减振器的研究开发仍有较大的潜力，特别是在原有汽车的改造上。新型可调减振器，特别是磁流变应是研究的重点，包括以下两个方面：一是磁流变材料相关技术研究，二是磁流变阻尼器相关技术研究。

5 结束语

随着经济的发展和技术的进步，人们对汽车悬架性能要求的进一步提高，以及近年来具有越野功能汽车的流行(如多功能运动车SUV，多功能商务车MPV)，半主动悬架系统的商业化进程必将进一步加快，必将在轿车、多功能车、重型汽车和军用汽车上得到普及。