新型双弹簧悬架耦合振动特性及应用

邱肖盼

摘 要：操稳性和平顺性是评价汽车性能的两个重要指标，分析研究表明，操稳性主要源于悬架对车身扰动的响应，响应越小，操稳性越好；平顺性主要源于悬架对路面激励的响应，响应越充分，平顺性越好。传统的单弹簧悬架对扰动和激励只能进行单一响应，无法同时提高车辆的操稳性和平顺性；新型双弹簧悬架对扰动采用不响应的设计，对激励进行充分响应的同时还可以保持底盘的平衡，其操稳性和平顺性远超过传统单弹簧悬架。本文结合双弹簧悬架的耦合振动进行分析，在提高车辆操稳性的同时，找到提高平顺性的参数范围和设计方法。

关键词：扰动；激励；耦合振动；操稳性；平顺性

中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0063-05

Abstract： Handling stability and ride comfort are two important indexes to evaluate vehicle performance. Analysis results show that handling stability is mainly due to the response of suspension to vehicle body disturbance. The smaller the response is， the better the handling is； while the ride comfort comes from the response from suspension to the excitation of road surface， the more responsive， the better the ride comfort. The traditional single-spring suspension can only respond to disturbance and excitation singly， which can not simultaneously improve the handling stability and ride comfort. The novel double-spring suspension adopts the unresponsive design to the disturbance and can fully respond to the excitation while maintaining the balance of the chassis， its handling stability and ride comfort far exceed the traditional single spring suspension. In this paper， combining with the analysis of double spring suspension coupling vibration， to find the parameters to improve ride comfort and design methods while improving vehicle handling stability.

Key Words： Disturbance； Excitation； Coupling vibration； Handling stability； Ride comfort

1 前言

操穩性和平顺性是衡量汽车性能的两大重要指标，一般来说，平顺性主要取决于悬架对车轮冲击时的响应能力，操稳性主要取决于悬架对车身冲击的响应能力[1]，但是这种冲击区别很大，冲击强度不在一个数量级上，作用时间也相差至少一个数量级。对于目前的单弹簧悬架技术，采用一个弹簧响应两个不同数量级的冲击，导致减振器的阻尼设定存在不可调和的矛盾，阻尼较大时，有利于提高操稳性，但平顺性降低，阻尼较小时，有利于提高平顺性，但操稳性降低[2]。虽然一些高级车辆配备的主动悬架可以根据路况和驾驶状态适时调整阻尼的大小，但也仅是通过牺牲一定的操稳性或平顺性以满足车辆的实时需求，无法同时提高这两个指标[3]。从原理上说，单弹簧悬架导致底盘振动是不可避免的，现有的技术只能减弱振动或选择性调控，本文提出的双弹簧悬架技术能够有效区别这两种冲击并分别响应，使底盘在受到冲击时减少甚至消除振动，在理论上可以同时提高汽车的操稳性和平顺性，大大提高车辆的综合性能。

2 悬架的“扰动”与“激励”

为便于讨论和分析，需要对汽车悬架在垂直方向上的受力重新进行定义，普通车辆的悬架受到的冲击主要包括两个来源，一个是来自车身的冲击，这个冲击的主要特点是作用时间长，强度低，本文定义为“扰动”，另一个是来自于车轮的冲击，主要特点是作用时间短，强度高，本文定义为“激励”。为了研究其作用机制，本文对扰动和激励的特征和参数进行了比较（以总重量为2吨的轿车为例），表1所示为扰动和激励的区别，从对比中可以看出，扰动和激励对悬架的要求及影响有很大区别，为了同时提高操稳性和平顺性，悬架就必须对扰动和激励进行区分并采取不同的响应方法，这也正是该新型双弹簧悬架的设计思路和基本原则。

3 单弹簧悬架和双弹簧悬架的区别

为寻找双弹簧悬架的作用机制，本文将单弹簧悬架和双弹簧悬架的结构、激活特性和特性曲线进行对比分析，以找到双弹簧悬架提高操稳性的参数范围和设计要求。

3.1 结构与激活特性对比

单弹簧悬架只配置一个弹簧，无法对扰动和激励进行区分，对悬架受到的扰动和激励只能进行单一的响应，弹簧和减振器始终处于激活状态，而双弹簧悬架通过配置两个弹簧和设定合理的参数，在受到激励时，主弹簧或者副弹簧有一个被激活，而对于扰动，悬架的两个弹簧都不响应，均处于未激活状态，图1所示为单弹簧和双弹簧悬架的结构对比，该新型双弹簧悬架可以保证车辆具有最佳的操稳性[4]。

3.2 特性曲线对比

单弹簧悬架由一个弹簧响应所有的扰动和激励，虽然有的悬架装置中配备了两个及以上的弹簧，但这些弹簧都是简单并联或串联，其工作原理与单弹簧悬架一致，如图2所示，其载荷F与弹簧形变f之间的关系特性曲线大致分为三种类型：1）直线型；2）渐增型；3）渐减型，其悬架载荷F和弹簧形变f均是连续变化的。另外，有些悬架弹簧的特性曲线可以是以上两种或三种特性曲线的组合，称之为组合型特性曲线[5-7]。

双弹簧悬架的特性曲线如图3所示，图中悬架在平衡静止时的静载荷为G0，主弹簧预紧力F1，设定F1≥1.2G0，副弹簧预紧力F2，此图设定F2≤0.8G0，主弹簧在悬架的压缩行程工作，副弹簧在悬架的拉伸行程工作，压缩行程和拉伸行程之间为设计的高刚性区间，在这个区间内，悬架载荷F发生变化时，悬架的行程变化值f很小甚至为0，悬架受到激励时，其负荷变化超过了刚性区间，激活主弹簧或者副弹簧，使特性曲线处于压缩行程或者伸长行程，而对于一般的扰动，因为载荷变化在刚性区间内，主弹簧和副弹簧都处于未激活状态[8]。

通过以上对比，单弹簧悬架会对悬架所受扰动和激励进行同等响应，而双弹簧悬架能够区分扰动和激励，响应激励，但可以不响应扰动。此时悬架行程依然保持在静挠度点，悬架的行程不发生变化，悬架的导向机构也就不会变化，综上分析，采用双弹簧悬架技术可以使汽车达到理想的操稳性。

4 双弹簧悬架的振动耦合特性

双弹簧悬架不仅可以在受到扰动时，通过采用不响应的设计获得理想的操稳性，还可以消除激励对底盘的冲击，使汽车具备理想的平顺性。本文通过双弹簧悬架的振动耦合特性进行建模和分析，证明双弹簧悬架在保证车辆操稳性的同时可以保证车辆具有理想的平顺性。

4.1 双弹簧悬架耦合振动特性及物理模型

如图3-1是普通四轮汽车的简化物理模型，A、B、C、D四点代表底盘的4个垂直受力点，FA、FB、FC、FD代表双弹簧悬架的高刚性载荷范围，fA、fB、fC、fD代表车轮传递到受力点的冲击载荷，以底盘A受力点为例，FA受到向上冲击，这个冲击大于FA向上的高刚性载荷范围，主弹簧被激活，这个悬架对激励产生的响应是积极的。如果把一个底盘看作一个杠杆进行分析，将D点看作支点，假设B点产生向上的力fB，如果保持在fB≤FB的设计范围内，与B点连接的悬架的主弹簧和副弹簧仍然处于未激活状态，同理，与C点连接的悬架的主弹簧和副弹簧也处于未激活状态，如果将B点和C點看做支点，那么D点受到向下的压力，同理，如果保持在fD≤FD的设计范围内，D点的主弹簧和副弹簧全部处于未激活状态，也就是说与BCD三个点连接的悬架没有发生行程上的变化，根据三点确定一个平面的原理，最终结果是车身所在的平面并没有发生变化，车辆在与A点连接处产生的冲击经过悬架传导到车身时，这个激励在底盘上消失了，这就是双弹簧悬架的耦合振动特性，这个特性可以使车辆获得很好的平顺性。

4.2 双弹簧悬架的耦合振动特性及参数设计

以配置4个悬架的普通车辆为例，当悬架处于平衡静止位置时，设定悬挂的载荷为G0，如果悬架的主弹簧预紧力F1和副弹簧的预紧力F2同时满足以下关系式：

那么，双弹簧悬架就可以使车辆在设计参数范围内具备同时提高操稳性和平顺性的基础，使车身保持自动平衡，原因如下：

在此悬架中，我们设定F1=1.2G0，F2=0.8G0，车辆在运动或装载过程中，悬架所受力F在0.8F0～1.2F0之间变化时，主弹簧和副弹簧均处于未激活状态，悬架行程f不发生变化，在悬架的静止平衡点上的刚性区间内，悬架的刚性是无穷大的，f的变化接近于0，当单个悬架受到来自于路面对车轮的激励时，悬架主弹簧或者副弹簧的受力超过0.8F0～1.2F0范围时，相应的弹簧被激活，悬架的行程发生相应的变化，通过车身传导到其它悬架后形成的扰动，一般情况下依然在0.8F0～1.2F0范围内，其它悬架不会发生形变，始终保持车身的平衡。

4.3 双弹簧悬架的“穿越耦合”现象

双弹簧悬架对于车身导致的扰动具备不响应的特性可以使车辆保持在操稳性最佳的状态，同时，当一个悬架受到激励时，该悬架在响应激励的同时会通过车身对其他悬架产生扰动，通过调整双弹簧悬架的刚性区间，使其他三个悬架对这个扰动仍然可以处于不响应的状态，也就是没有受到激励的悬架会继续保持在静挠度行程上，根据三点确定一个平面的原理，这时候就会出现车身没有被激励影响的情况。车身继续保持在原平衡状态，最终表现为单个车轮在垂直方向上的冲击经过双弹簧悬架后传导到底盘上时，多个悬架互相作用后，底盘和车身受到的冲击消失了，或者说，车轮的冲击在底盘垂直方向上的耦合出现了穿越，对底盘的影响变为0的现象，我们将其称为“穿越耦合”现象。

4.4 “穿越耦合”现象发生的条件

“穿越耦合”的发生需要四个以上悬架在同一个底盘上连接并同时受到冲击作用，因为当一个悬架受到激励时，其它悬架必须保证三个以上不响应，才能保证车身所在的平面保持平衡，这也是车辆平顺性的重要来源。

在设计双弹簧悬架时，在主弹簧或者副弹簧的激活方向上，阻尼越小越好，在主弹簧或者副弹簧恢复时可以设计较大的阻尼，以保证悬架在激活和恢复过程中对其他悬架的扰动保持在设计范围内，使车身在垂直方向上受到的冲击最小，从而保证车辆具备良好的平顺性。

该新型双弹簧悬架在设计时，要求主弹簧配置的减振器的压缩阻尼相对系数小于0.1，回弹阻尼相对系数大于0.5。这样的设计可以使弹簧在激活过程中降低刚性，减弱对车身的冲击，将其对其它悬架的主动干扰控制在较小的范围内，当一个车轮受到冲击时，通过限制底盘传导到车身的冲击，避免激活其他悬架的弹簧。

5 “穿越耦合”现象的应用

5.1 悬架“扰动”和“激励”的概率分析

悬架受到的激励主要来自于不平整的路面，可以说所有的实际路面都是不平整的，但是在相对平整道路上行驶时，两个以上的悬架同时被激励的概率很低，在同一时刻，绝大部分的激励都发生在单个悬架上，其他悬架仅仅是受到扰动，并没有行程上的变化。相比于悬架的每一次激励都会影响到车身平衡的单弹簧悬架，双弹簧悬架中单个悬架被激励时并不会导致车身平衡的破坏，在保证车辆平顺性方面的有着明显的优势。在路面激励中，不可避免存在两个甚至三个车轮同时受到激励的情况，但这种激励发生的概率很低，主要存在于减速带或人为设置障碍以及非铺装路面或者越野时，因为弹簧激励时的阻尼很小，依然可以降低底盘的受冲击强度，相比单弹簧悬架的平顺性也会提高很多。

车辆在行驶状态时，悬架受到的扰动时刻都在发生。在单弹簧悬架中，悬架时刻都有在响应扰动，车身始终都在处在不平衡状态，而双弹簧悬架对扰动表现为高刚性，悬架的主弹簧和副弹簧处于未激活状态，因此，双弹簧悬架在保证车辆操稳性方面同样优势明显。在特殊路况或者激烈驾驶状态时，也可能发生扰动激活双弹簧的情况，但是由于有预压力的存在，弹簧可以很快恢复到平衡状态，因此其操稳性相比单弹簧悬架也有着明显的改善。

5.2 悬架扰动和激励的动态分析

车辆在正常行驶时，悬架受到的扰动通常是叠加在一起的，而且常常会超过悬架的刚性区间，主弹簧和副弹簧也可能被扰动激活，但是在实车测试过程中，这样的扰动很快就会被修正，悬架很快便可以恢复到平衡状态，与单弹簧悬架相比，在操稳性和平顺性方面具有明显的技术优势。

悬架在受到激励时，还会受到扰动的影响，但扰动与激励相比，其形成的冲击小1到2个数量级，可以忽略不计。综合起来，只要设计范围合理，能够尽可能地减少车辆在行驶状态所受的冲击，使悬架实现车身的自动平衡。经过实车验证，双弹簧悬架能够同时提高车辆的操稳性和平顺性。

6 结论

新型双弹簧悬挂系统与当前的单弹簧悬架系统相比具有明显的技术优势，有望成为单弹簧悬架的升级换代产品。其技术优势主要包括：

（1）车辆自动平衡功能：避免或最大程度地减少车辆的横摇、纵摇和斜摇，具备实现车身自动平衡的基础，技术效果优于现有技术。

（2）车辆高度保持功能：在负载变化时可以保持车身高度不变，使车辆在最佳参数范围内运行，提高驾驶安全性。

（3）同时提高车辆的操稳性和平顺性：这是现有技术无法实现的，即使是复杂的智能控制和伺服机构也只是对舒适性和操控性的折中选择。

（4）低成本，长寿命和高可靠性：在很大程度上减少了车身的振动，大幅度降低了振动能量消耗和悬架的动作频次，有效提高了悬架弹簧和减振器的使用寿命并节油10%以上，同时还降低了生产成本和后期的维护保养成本。

参考文献：

[1]杨荣山，袁仲荣，黄向东，等.车辆操纵稳定性及平顺性的协同优化研究[J].汽车工程，2009， 31（11）：1053-1059.

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[4]席玉林.双弹簧减震器总成：中国，CN201710589104[P]. 2017.09.29.

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