乘用车悬架系统新技术分析(上)

2018-12-28江苏高惠民

汽车维修与保养 2018年10期

◆文/江苏高惠民

悬架是汽车上的一个重要总成，它将车身与车轮弹性地连接起来，两者保持恰当的几何关系。其主要任务是在车轮和车身之间传递所有的力和力矩，缓冲由路面不平传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，隔离来自路面、轮胎输入的噪音，控制车轮运动轨迹。因此，悬架性能的优劣不仅决定了汽车乘坐舒适性(平顺性)和操纵稳定性，还关系关系着汽车的动力性发挥，平均技术速度的的高低，特别还关系着承载系统和行驶系统的动载。

一、悬架性能与车辆运动模式

车辆运动及车辆乘坐舒适性和操纵稳定性由悬架性能所决定。悬架抗俯仰性能决定了车身俯仰角运动响应和车辆丛向载荷转移率，悬架抗侧倾性能决定了车身侧倾角响应和车辆侧向稳定性。另外，悬架的垂向振动特性直接决定了车身的垂向跳动响应和乘坐舒适性，悬架侧倾角刚度及阻尼在前后车轴的分配，间接影响车辆的乘坐舒适。上述悬架的四个性能由悬架刚度和悬架阻尼特性共同决定，又分别对应汽车行驶中发生的4种运动模式，侧倾运动(Roll)、俯仰运动(Pitch)、垂向跳动(Bounce)和翘曲运动(Warp)，如图1所示。

图1 汽车悬架运动4种模式

这4种运动模式相互耦合影响，使得采用传统被动悬架系统就无法同时实现对这4种运动模式进行独立调节，也就无法同时兼备最佳乘坐舒适性和最优操纵稳定性。因此，针对车辆的运动模式，现代车辆越来越多采用悬架弹簧刚度和悬架减振阻尼可调的主动悬架系统和半主动悬架系统。

二、悬架构件之弹性元件

汽车悬架构件是悬架系统的基础。一个完整的悬架总成，其组件构成如图2所示：弹性元件(弹簧)—吸收来自路面的冲击。阻尼元件(减振器)—通过限制弹簧的振动来改善乘坐的舒适性。稳定器(横向稳定杆或侧倾稳定杆)—防止车辆横向摆动。导向机构—使上述部件保持就位和控制车轮的纵向或横向运动。

图2 汽车悬架构件组成

其中弹簧也是悬架中“承载”元件，由弹簧支撑的车身重量称为车辆悬挂质量(簧上质量)，车轮和车轴以及不是弹簧支撑的汽车其他部件称为非悬挂质量(簧下质量)。如图3所示。

原则上应使非悬挂质量尽量小，这样才能将非悬挂质量对振动特性(车身固有频率)的影响降至最小。同时非悬挂质量的减小也降低了惯量所产生的冲击负荷，大大改善悬架的响应特性，明显提高乘坐舒适性。另外悬挂质量和弹簧的特征参数(弹簧刚度)，确定了车身固有频率，悬挂质量较大或弹簧较软，车身固有频率就低一些，而弹簧的行程(振幅)就大。悬挂质量较小或弹簧较硬，车身固有频率就高一些，而弹簧的行程(振幅)就小。试验结果表明如果车身固有频率超过1.5Hz时，会使乘坐舒适性恶化，超过5Hz，车辆行驶会强烈振动。

汽车悬架的弹性元件分类：钢质弹簧、空气弹簧、橡胶弹性体。轿车上普遍采用螺旋钢质弹簧悬架，空气弹簧悬架过去多用在商用车上，由于其本身的优点，现在越来越多的乘用车开始采用管状气囊式空气弹簧悬架了。空气悬架是一种可调节式悬架，除能实现车身底盘高低自动调节水平外，还具有下列优点：①由于空气弹簧内的压力根据载荷来调整，因此弹簧的刚度与悬挂质量就会成比例变化，车身固有频率和乘坐舒适性与载荷无关。并且弹簧静态压缩量与载荷保持恒定，这样就可以大大减小车轮拱罩内为车轮自由转动预留空间，提高车辆总体空间利用，如图4所示。②车身支承在较软的弹簧上，提高了乘坐舒适性。③不论载荷变化，均能保证弹簧压缩和回弹行程不变，使车辆离地间隙不变。④加载时不需变动车轮外倾角和前束。⑤不会恶化车辆的风阻系数与外形。而且在车辆高速行驶，由于车身自动下沉，降低了空气阻力，改善了行驶动力性。

图3 悬挂质量与非悬挂质量

图4 弹簧压缩量与车辆载荷恒定

管状气囊式空气弹簧由上端盖、管状气囊、活塞(下端盖)、张紧环构成，如图5所示。

图5 与减振器同轴布置型空气弹簧结构

气囊内外保护层采用优质弹性材料制成，这种材料能满足各种气候要求和耐机油要求。优质弹性材料和尼龙制成织物芯层(高强度支架)使得管状气囊具有良好的开卷特性和反应灵敏性。所要求特性在-35℃～+90℃的范围内均可以得到满足。上端盖和活塞之间的管状气囊由金属张紧环夹紧，气囊在活塞上伸展。根据车桥设计形式，空气弹簧与减振器可以分开布置，或者与减振器组合在一起同轴布置，如图6所示是空气弹簧与减振器可以分开布置形式。

图6 空气弹簧与减振器分开布置

空气弹簧的承载力与其内部的压力和有效作用面积有关，一方面，通过改变气囊内的压力来静态地(车身不动)改变承载力，如图7所示。

因为载荷不同，充入气囊的压力不同，就会有相应的弹簧特性曲线和弹簧刚度，弹簧刚度的变化率与车身重量的变化率是相同的，这样就可以保证与行驶性能相关的车身固有频率保持不变，轿车空气悬架是按照1.1Hz的车身固有频率来进行匹配的。另一方面，空气弹簧的原理决定了它的特性曲线是逐级上升的，弹簧特性曲线的走向(平坦/倾斜)由弹簧容积来决。弹簧容积大，其特性曲线就平坦(软弹簧)；弹簧容积小，其特性曲线就较陡(硬弹簧)。通过改变活塞的截面(空气弹簧活塞有效作用直径就是管状气囊褶皱最低点的直径)，来影响弹簧特性曲线的走向，从而改变了空气悬架的承载力。如图8所示。

图7 空气弹簧内压力与车辆承载力

图8 空气弹簧容积与车辆载荷力

三、悬架构件之阻尼元件

在汽车悬架系统中，如果只有弹性元件而没有阻尼元件，那么车身的振动将会永无休止地延续下去。使汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性变坏，为了尽可能快地消除悬架所吸收的振动能量，悬架设计必须考虑带有衰减振动的阻尼力元件。汽车悬架中广泛采用的阻尼元件就是内部充有液体的液压减振器，它并联在悬架弹簧中。当车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔产生的摩擦和液体的黏性摩擦就会形成减振阻尼力，其将振动能量转变为热能，并散发到空气中去，实现衰减振动的目的。在确定减振器的阻尼力特性时，必须考虑到车辆乘坐舒适性、操纵稳定性等因素。造成乘坐舒适性与操纵稳定性相矛盾的因素有很多，阻尼力特性也是其中之一。若重视车辆行驶操纵稳定性而将阻尼特性设定较高，有损害乘坐舒适性的倾向，相反，若设定过低。则车辆的稳定性较差。因此，根据车辆规格使两方面适当地得到协调以进行选择，是特性选择的要点。以阻尼系数比表示车辆的阻尼特性时，其平均值为：式中C-减振器的阻尼系数，是减振器阻尼力-速度特性曲线的斜率。 Cc-悬架系统的临界阻尼系数。K—悬架弹簧的刚度。W-所承受的悬挂质量。G-加速度。

阻尼系数比是评价悬架性能好坏的重要参数之一，是悬架“软”或“硬”的标志，也是振动衰减快慢的标志。为缓冲由不平路面传入的向上冲击，减振器的回弹(拉伸)阻尼力一般大于压缩阻尼力，其值在6比4-8比2。

对悬架系统减振器所要求的阻尼力如图9所示。

图9 减振器要求阻尼力作用范围

即使减振器运动活塞速度相同，根据其行驶条件，其阻尼力也有所不同。因此，采用了根据各种行驶条件可变阻尼力机构。通常，在良好路面行驶时，阻尼力设计得较低，可确保乘坐舒适性。而在急转弯，快速起步及急制动时，通过提高阻尼力可减少车身姿态的变动。在凸起或不平路面上行驶时通过提高阻尼力，可快速吸收车身的振动，减少轮胎抓地力的变化。可变阻尼力机构由阻尼力可变减振器，电子控制器，各种传感器及各种阻尼力转换促动器构成，如图10所示是阻尼力控制功能。

图10 减振器阻尼控制功能

为了满足阻尼力可变要求，阻尼力可变减振器在常规液压减振器基础上增加了调整阻尼力的附加功能，主要附加功能除了空气弹簧功能系统之外，近年来还有使用气动减振控制(PCD减振器)；比例电磁阀(或步进电机)调整阻尼力减振器以及磁流变液体减振器，

1.PDC减振器

带有自动调平机构的奥迪A6后空气悬架以及奥迪四轮驱动SUV车的四级空气后悬架都装有PDC减振器。PDC减振器构造如图11所示，PDC减振器阻尼力特性如图12所示。

这种减振器阻尼力的变化是通过一个单独的PDC阀来实现的。该阀集成在减振器内，它用一根软管与空气弹簧气室相连。空气弹簧的压力(该压力与载荷成比例)作为可调参数来控制PDC阀上的可变节流口，这影响了减振器内的液压油流动阻力，因而也影响了回弹和压缩时的阻尼力。为了平衡空气弹簧中不希望出现的动态压力变化(压缩和回弹状态)，PDC阀的空气接口上装有一个节流阀。工作腔1通过一个小孔与PDC阀相连，当空气弹簧压力较小时(空载或很小的部分负荷)，PDC阀所形成的液压油流动阻力小，使一部分减振液压油流过阻尼阀，于是阻尼力就减小。PDC阀的流动阻力与控制压力(空气弹簧压力)有固定的对应关系，阻尼力由相应的阻尼阀和PDC阀形成的流动阻力来决定。

①气弹簧压力较小时的伸长过程：活塞被拉着向上运动，一部分油液流过活塞阀，另一部分油液通过工作腔1内的孔流往PDC阀。由于控制压力(空气弹簧压力)及油液流过PDC阀的阻力变小，因而减振器阻尼力就减小，如图13所示。