浅析新能源汽车悬架设计

许宇佳 周峰

【摘 要】在人们对汽车驾驶性能要求日益重视的情况下，汽车前悬架性能分析和研究、前悬架的运动学以及动力仿真学分析的作用日益突出，这种新的计算分析方式为汽车前悬架的设计提供了一种新的方法和思路。并对汽车前悬架的集合定位参数、减震器、衬套、扭杆等组成部分进行实验设计以及对各项参数进行分析，使得汽车车轮的角度、前悬架的垂直刚度得到进一步改善或强化，改善了前悬架的设计。

【关键词】汽车悬架设计；发展；趋势

1汽车悬架的种类和工作原理

根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，半主动悬架还可以按阻尼级分为有级式和无级式两类。传统的悬架系统的刚度和阻尼系数，是按经验设计或优化设计方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中，就无法进行调节，因此其减振性能的进一步提高受到限制，这种悬架称为被动悬架。为了克服被动悬架的缺陷，国外在20世纪60年代就提出了主动悬架的概念，主动悬架就是由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和路面状况主动作出反应，以抑制车体的运动，使悬架始终处于最优减振状态。所以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。因此，系统必须是有源的。半主动悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成。

在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和存贮能量外，还得承受车身重量及载荷，因此，半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单，在工作时，几乎不消耗车辆动力，又能获得与主动悬架相近的性能，故应用较广。

由于路面输入的随机性，车辆悬架阻尼的控制属于自适应控制，即所设计的系统在输入或干扰发生大范围的变化时，能自适应环境，调节系统参数，使输出仍能被有效控制，达到设计要求。它不同于一般的反馈控制系统，因为它处理的具有“不确定性”的反馈信息。

自适应控制系统按其原理不同，可分为校正调节器和模型参考自适应控制系统两大类。由于要建立一个精确的“车辆―地面”系统模型还很困难，故目前的主动悬架，多采用自校正调节器。

虽然现代汽车的悬架种类较多，结构差异较大，但一般由弹性元件、减振元件和导向构件组成。工作原理是：当汽车轮胎受到冲击时，弹性元件对冲击进行缓冲，防止对汽车构件和人员造成损伤。但弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振动，容易使驾驶员疲劳。故减振元件应快速衰减振动。当车轮受到冲击而跳动时，应使其运动轨迹符合一定的要求，否则会降低汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。导向构件在传力的同时，必须对方向进行控制。

2 新能源汽车悬架的现状分析

新能源汽车悬架是车架与车桥之间的连接和传动装置，组成包括弹性元件、力和振动阻尼装置，以减轻和消除道路条件差造成的车辆运行过程中的振动和冲击，在汽车运行中起着关键的作用，在保证过程的稳定性。车辆多体动力学性能的研究对汽车悬架的设计和优化具有重要意义，从80年代中后期开始，国内各高校逐渐将多体系统动力学分析纳入汽车总体性能分析中。

在运动和动力学的研究，新的计算和分析技术对国内汽车设计效果显著，特别是悬架作为汽车的重要组成部分，大大加快了中国汽车产业的创新与发展。目前，在中国多体系统动力学结合经典力学的理论体系与现代的计算机技术，可以完成复杂的建模和数據计算。在设计前悬架时，采用多体系统力学进行数学建模，输入基本参数，计算机对这些数据进行处理和计算，大大保证了操作结果的可靠性，减少了数据运算时间。作为悬架的基本性能，其一是保护车辆、机组人员、货物等，以抑制路面不平的振动和噪声。其次，为了有效地传递车辆的前、后载荷，如驱动力、制动力和横向力，使汽车轮胎和路面达到最佳状态，达到车辆运动的理想状态。

3 汽车悬架的系统特性分析

3.1汽车车轮角度

汽车悬架的设计是合理的，最重要的性能是车轮在行驶过程中的状态。车辆在行驶过程中，车轮的外倾角会随着车轮的跳动而发生变化。车辆的弯度应控制在±1度以内，以保证车辆的正常行驶。在汽车的车轮主销内倾角自动返回发挥作用是在主销横向偏移和主销内倾角的过程中，两个坐标方向盘上的驱动作用，方向盘驱动应用在实现转向盘。

3.2汽车车轮轮间距

汽车行驶过程中车轮间距的变化会引起不同侧的轮胎发生反向偏移，影响汽车行驶的稳定性。因此在汽车前支架设计过程中需要对汽车车轮间距进行合理的设计。所谓前束角是指当汽车直线行驶时，汽车纵向、中心面与车轮水平直径形成的角，影响汽车的直线行驶；所谓外倾角是指车轮中心面和铅直线形成的角，影响轮胎的接地性。

3.3悬架的垂直刚度

在汽车荷载发生上下垂直运动时，汽车前悬架的垂直刚度对于保证汽车的整个底盘的稳定性具有重要作用，前悬架在汽车垂直运动过程中给车身以弹性恢复力。

4新能源汽车悬架的发展趋势

由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。

4.1被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。

4.2半主动悬架的研究集中在两个方面：执行策略的研究；执行器的研究。阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼；一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。

4.3主动悬架研究也集中在两个方面：可靠性；执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转化为实际应用。

5结论

悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身和车弹性地连接在一起。汽车悬架是车身和车轮之间的一切传力连接装置的总称。一般由弹性元件、减振器和导向元件组成。在汽车行驶过程中，悬架的作用是弹性地连接车桥和车架，减缓行驶中车辆受到由路面不平引起的冲击力，保证乘坐舒适和货物完好，迅速衰减由于弹性系统引起的振动，传递垂直、纵向、侧向反力及其力矩，并起导向作用，使车轮按一定轨迹相对车身运动。悬架决定着新能源汽车的稳定性、舒适性和安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。

参考文献：

[1] 吴志成，陈思忠，杨林，张斌.几种独立悬架运动学特性对比研究[J].北京理工大学学报，2014（10）.

[2] 陈辛波，赵锐.双横臂扭杆悬架力学特性的非线性分析与设计[J].同济大学学报（自然科学版），2013（05）.

[3] 谷正气，周宇奎，海贵春，王和毅.主动四轮转向系统对高速汽车侧风稳定性的控制研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2016（01）.

（作者单位：精诚工科汽车系统有限公司底盘研究院）