车辆被动悬架技术发展新方向*

聂佳梅， 张孝良， 胡 贝， 陈 龙

(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

车辆悬架是车轮和车架之间一切传力连接装置的总称，是车辆行驶系统中的一个重要组成部分，其性能在很大程度上决定了车辆的行驶平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定性.因此，悬架设计一直是汽车设计人员关注的焦点问题之一.

目前，在汽车上普遍采用的仍多为以“弹簧-阻尼”结构体系为基础的传统机械悬架，其结构和主要参数不能随着汽车行驶速度和路面状况自动进行调节，悬架性能只是在车辆运行的某个工况下是最好的，不可能在各种工况下都达到期望的性能要求.“弹簧-阻尼”悬架结构体系自确立至今已有百年历史，但一直未获得结构上的突破性进展.为了改善车辆的乘坐舒适性，协调操纵稳定性和行驶平顺性之间的矛盾，有些研究人员通过优化被动悬架的结构参数来提高悬架的隔振性能，还有些研究人员则采用了半主动悬架和主动悬架［1-3］.半主动悬架仍然基于“弹簧-阻尼”结构体系，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，但它要求执行机构的时滞要小，这对执行机构提出了很高的要求.主动悬架基于现代控制理论，用作动器取代了“弹簧-阻尼”结构体系，采用振动主动控制技术，使车辆的隔振性能产生了质的飞跃，其隔振效果比较明显，能够适应路况和载荷的变化，同时还解决了平顺性和操纵稳定性之间的矛盾，但主动悬架成本高、结构复杂，尤其是能量消耗大，这与车辆发展中的节能主题相违背.

因此，如何突破基于经典隔振理论的“弹簧-阻尼”结构体系对悬架隔振性能进一步提高的瓶颈制约，探索基于新结构机理和体系，且便于在汽车上实现的被动悬架系统，使其既吻合车辆节能这一发展主题，又满足人们对车辆行驶平顺性和操纵稳定性提出的更高要求，成为了车辆工程界关注的焦点问题.惯容器 (Inerter)的出现，“惯容-弹簧-阻尼” (Inerter-Spring-Damper，ISD)悬架结构体系概念的提出，打破了基于经典隔振理论的“弹簧-阻尼”结构体系对悬架隔振性能进一步提高的瓶颈制约，为悬架新技术的发展提供了一个崭新的平台，引起了车辆工程界的高度重视.

1 被动悬架技术发展现状

1.1 “弹簧-阻尼”悬架结构体系

1906年，William Brush［4］将螺旋弹簧和减振器结合，建立了“弹簧-阻尼”悬架结构体系 (如图1所示)，奠定了现代车辆悬架系统的基础.自现代车辆悬架产生到二十世纪七、八十年代，车辆上采用的几乎都是由弹簧和阻尼器并联组成的被动悬架系统.这种系统具有结构简单、性能可靠、造价低和无能耗等诸多优点.

图1 “弹簧-阻尼”悬架结构示意图

基于“弹簧-阻尼”结构体系的被动悬架系统，是根据汽车的综合性能要求，针对特定的车型进行设计的，系统振动特性固定不变.为了获得良好的操纵稳定性，需配备大阻尼减振器，若追求良好的乘坐舒适性，则配备小阻尼减振器.大阻尼能充分隔离低频振动，然而大阻尼却不利于吸收高频振动，相反，小阻尼能充分吸收高频振动，但必须以牺牲低频隔振性能为代价.传统被动悬架不能协调共振响应和高频衰减之间的矛盾，只能采用折中阻尼来兼顾操纵稳定性和乘坐舒适性.采用非线性弹性元件和非对称特性的阻尼元件，以及具有一定自适应性的车身高度调节装置，可以不同程度的改善传统悬架的性能，但是由于传统悬架的参数不可调节，仍然不能提供各种情况下行驶平顺性和操纵稳定性的合理匹配.为了获得更好的行驶平顺性和操纵稳定性，人们曾基于“弹簧-阻尼”结构体系，尝试将弹簧和阻尼两基本元件进行不同的组合，形成新的悬架系统，如图2所示［5］。对这些不同形式的悬架系统，用各种方法对其参数进行优化，但未能获得大幅度的性能提升.

图2 几种典型的被动悬架模型结构

1.2 “质量-弹簧-阻尼”悬架结构体系

为了挖掘被动悬架的潜力，人们尝试将质量元件加入悬架系统，以改善悬架的性能.在惯容器出现之前，想要把质量元件加入悬架来改善其性能，只能以动力吸振器的形式，即把质量元件当作吸振子应用到悬架中，如图3所示.

图3 “质量-弹簧-阻尼”悬架结构示意图

1935年，Lindenberg［6］等人基于 “质量-弹簧-阻尼”结构体系，尝试用动力吸振和动力反共振隔振技术提高悬架的性能.动力吸振技术在悬架中的应用研究主要包括两个方面：一方面为了抑制车身振动，改善行驶平顺性，将质量元件通过弹簧悬置于车身，作为动力吸振器来吸收车身的振动能量;另一方面为了抑制车轮振动，改善操纵稳定性，用动力吸振器吸收车轮的振动能量［7］.1999年，Daimler Chrysler公司［8］基于 “质量-弹簧-阻尼”结构体系，将隔振与吸振有效地结合起来，提出了一种两级串联型“质量-弹簧-阻尼”悬架，一级隔离低频振动，另一级隔离高频振动.在“质量-弹簧-阻尼”悬架结构体系中，无论是动力吸振还是反共振隔振技术，质量元件都以吸振子的形式工作，不便于在悬架上布置，而且吸收车身振动能量所需的质量元件较重，大大增加了悬架系统的重量，因此，这种结构体系的悬架系统无法实现商业化应用.

2 被动悬架技术发展新方向——“惯容-弹簧-阻尼”悬架结构体系

2.1 ISD悬架结构体系的提出

通过对比研究机械网络与电子网络的动力学方程，发现机械网络中的质量、阻尼和弹簧分别与电子网络中的电容、电阻和电感相对应.但机械元件中阻尼和弹簧都具有两个独立、自由的端点，而质量元件的一个端点是它的质心，另一个端点却是惯性参考系中的固定点，这使得质量元件只能和接地的电容相对应，因此，这种对应关系是不严格的.2001年，剑桥大学学者Smith创造性地提出了惯容器的概念［9-10］，它是一种真正的两端点装置，与电容器完全对应相似，使得机械网络与电子网络严格对应起来.惯容器的出现使得被动机械阻抗都可以通过惯容器、弹簧和阻尼3个元件组合来加以实现.通过对惯容器元件特性的研究，Smith发现惯容器能够满足悬架的隔振要求，进而开展了将其应用于车辆悬架的研究工作［11-12］.从此打破了由弹簧和阻尼器组成的传统悬架结构形式，探索出了一条改善传统悬架性能的新途径，即建立ISD悬架新结构体系，如图4所示.

到目前为止，已经研发出了3种惯容器实现装置，分别是齿轮齿条惯容器、滚珠丝杠惯容器和液力惯容器，如图5所示.

2.2 ISD悬架网络综合与分析

ISD悬架新结构体系概念的提出，不仅拓宽了悬架的研究空间，还带来了悬架设计方法的变革.变革之一：惯容器的出现，使得“惯容-弹簧-阻尼”机械网络系统与“电容-电感-电阻”电子网络系统严格地对应起来，极大地方便了人们运用电子网络理论和研究方法对机械网络进行研究．例如，可以将“滤波”的概念完整地引入到悬架中来，从机电相似的意义上来讲，悬架的隔振其实就是电子网络中的滤波，但滤波理论要比隔振理论直观、形象、丰富得多;变革之二：实现了对悬架的网络综合.悬架网络综合与电子网络综合相对应，就是将悬架系统作为一个机械网络，根据路面输入和期望的车辆性能输出，先求出悬架的传递函数，据此用惯容器、弹簧和阻尼器3种基本元件构建出整个悬架系统，这一过程称为悬架网络综合.悬架网络综合实际上是一个“黑箱”问题，悬架的结构和参数都是待定的，包含在“黑箱”里，如图6所示.悬架网络综合是ISD悬架结构体系所带来的设计方法上的变革，而“弹簧-阻尼”悬架结构体系不具备网络综合的条件.

图6 两自由度悬架系统的网络综合

运用电子网络理论，借鉴电子网络分析和综合的方法，使“电容-电感-电阻”电子网络体系与“惯容-弹簧-阻尼”悬架结构体系严格地对应起来，进行基于“惯容-弹簧-阻尼”结构体系的悬架网络分析与综合，极大地拓展了悬架技术的发展空间，建立在这一体系上的悬架系统，必然会进一步提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性等综合性能.

2.3 ISD悬架结构体系的研究现状

近年来，惯容器在车辆悬架系统、转向系统、建筑隔振系统、动力吸振系统中的应用研究成为了热点.2005年，一种惯容器、弹簧和阻尼3元件并联的ISD悬架应用于一级方程式赛车，改善了赛车的操控性和轮胎接地性［13］.文献 ［14］采用了线性矩阵不等式和双线性不等式的方法对ISD悬架进行了网络综合研究和悬架性能优化.2006年，Wang Fucheng等［15］提出一种串联结构的ISD火车悬架，改善了火车的乘坐舒适性、系统动态性能及稳定性.2008年，他们又通过网络综合的方法提出了一种机电悬架［16］，该悬架由滚珠丝杠惯容器和永磁电机组成，研究表明，这种机电悬架的性能优于传统ISD悬架.2009年，Scheibe和Smith基于1/4车辆悬架模型，用网络分析的方法，获得了行驶平顺性和操纵稳定性的全局最优［17］.随着研究的深入，文献 ［18］和 ［19］研究了惯容器的非线性，包括摩擦、背隙和弹性效应，用台架试验证实了惯容器存在非线性.惯容器的非线性会轻微降低ISD悬架的性能，尤其是当悬架刚度较大时，但它仍然优于传统被动悬架.2007年江苏大学开始开展应用齿轮齿条惯容器和滚珠丝杠惯容器的ISD悬架研究［20-22］，并构建了一种两级串联型ISD悬架(如图7所示)，使悬架的乘坐舒适性和轮胎的接地性能得到有效改善.

图7 两级串联型ISD悬架

3 两级ISD悬架实车实现方法

基于“惯容-弹簧-阻尼”结构体系的悬架结构形式多样，每种结构都有自己独有的特点.图7所示的两级串联型ISD悬架包括两级，一级为车身隔振体，由惯容器、弹簧和阻尼器并联组成，另一极为车轮隔振体，由弹簧和阻尼器并联组成.两级协同作用能够有效的改善被动悬架性能，但是这种串联实现形式使得悬架整体高度比较大，不易于实车安装.为解决这个问题，在此提出两种两级ISD悬架实车实现方法.

3.1 串联实现方法

实车ISD悬架串联实现方法采用左、右悬架贯通的方式，如图8所示.左、右车身隔振体与车轮隔振体串联，用车身隔振体抑制车身加速度的低频峰值，同时也抑制了悬架动行程和轮胎动载荷的低频峰值，用左、右车轮隔振体抑制轮胎动载荷的高频峰值.这种实现方法降低了悬架高度，使悬架结构紧凑，易于布置.

图8 串联式ISD悬架实车布置示意图

3.2 并联实现方法

实车ISD悬架并联实现方法如图9所示，将车轮隔振体和车身隔振体铰接于支点在中间的等臂杠杆的两端，通过车身隔振体来抑制车身垂直加速度的低频 (车身固有频率)峰值，通过车轮隔振体来抑制轮胎动载荷的高频 (车轮固有频率)峰值，从而达到协调乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾的目的.这种方法利用等臂杠杆只改变力的方向不改变大小的原理，将两级串联式ISD悬架“对折”，降低了悬架高度，使悬架结构紧凑，易于布置.

图9 并联式ISD悬架实车布置示意图

4 总结和展望

传统被动悬架由弹簧和减振器并联组成，通过参数优化，被动悬架的性能潜力已被挖掘到接近于极限.惯容器的出现，打破了悬架由弹簧和减振器两基本元件组成的局面，使得悬架可以由弹簧、减振器和惯容器3种基本元件组成.基于“惯容-弹簧-阻尼”结构体系的悬架结构形式多样，其特性及多种组合形式，为研究改善悬架隔振性能提供了广阔的空间，研究基于新结构体系的悬架各种组合型式，探索新的悬架结构，必将进一步拓展经典隔振理论，从而大幅度改善悬架隔振性能，提高整车综合性能.而且长期以来积累的大量的电子网络理论和研究电子网络的方法可以方便的应用于悬架网络的分析与综合，对被动悬架性能的提高极为有利.未来还可以发展弹簧刚度、阻尼和惯容均可控的电控悬架，从而开辟一条悬架发展的新途径.

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