1.6　汽車懸架技術發展

1.6.1　被動懸架

被動懸架是指剛度和阻尼都不能變化，無額外作動力的懸架。它由彈簧、減振器和導向機構組成。被動懸架是傳統的機械結構，它結構簡單、性能可靠，成本低且不需額外能量，因而應用最為廣泛。但是被動懸架的剛度和阻尼都是不可調的，按照隨機振動理論，它只能保證在特定的工況下達到最優減振效果，難以適應不同的道路和使用狀況；同時利用被動懸架還難以同時獲得良好的乘坐舒適性和操縱穩定性，因為兩者對懸架的要求是矛盾的。根據研究，要獲得良好的舒適性，懸架應該軟一點；為得到良好的操縱穩定性，懸架應該硬一點。實際應用中往往兩者折中，根據需要偏重一個方面。被動懸架主要應用于中低檔轎車上，現代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、賽歐等，后懸架的選擇稍多，主要有復合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。彈性元件一般采用螺旋彈簧加橡膠襯套，減振器多選用筒式液力減振器。不同的懸架主要是由于導向機構的變化。改進被動懸架性能的研究集中在三個方面：

1）如何尋找最優的懸架參數，主要通過建模仿真來實現。

2）研究漸變剛度彈簧和機械可變阻尼減振器，使懸架參數能在一定范圍內適應不同的工況。

3）懸架導向機構的研究，這方面的重點是帶有橫向穩定桿的多連桿懸架。隨著汽車工程技術的進步，決定乘坐舒適性和操縱穩定性的汽車懸架技術得到了廣泛重視和深入研究，在汽車工業領域中，主動懸架日益受到廣泛的重視，已成為懸架技術發展的主要趨勢。

1.6.2　主動懸架

隨著高速公路的發展，汽車車速有了很大的提高，傳統被動懸架的缺點逐漸成為提高汽車性能的限制因素，為此人們開發了能同時提高舒適性和操縱穩定性的主動/半主動懸架。主動懸架的概念是1954年通用汽車公司在懸架設計中提出的。主動懸架能夠根據懸架質量的振動加速度，利用電控部件主動地控制汽車的振動。主動懸架一般由隔振彈簧、控制器和作動器組成。

主動懸架不但能很好地隔離路面振動，而且能控制車身運動，比如起動和制動時的俯仰、轉向時的側傾等，另外還可以調節車身的高度，提高轎車在惡劣路面的通過性。不過主動懸架結構復雜，能耗大且成本很高，故目前主要應用于賽車和高級轎車。奔馳公司最新的主動懸架系統（簡稱ABC）則通過抑制車身在行駛時的起伏、傾斜及跳動來提高舒適性。

對主動懸架的研究目前主要集中在兩個方面：一個是控制策略；另一個是作動器。最早的主動懸架控制策略是天棚原理，假設車身上方有一固定的慣性參考。在車身和慣性參考之間有一阻尼器，作動器模擬此阻尼器的作用力來衰減車身的振動。這種控制方法簡單，在國外某些車型上已經得到了應用。隨著現代控制理論的發展，主動懸架的最優控制方法被提出，它比天棚原理考慮了更多的變量，控制效果更好，目前最優控制規律有三種：線性最優控制、HQ最優控制和最優預見控制。實際懸架系統中有許多非線性的、時變的、高階動力系統，使最優控制方法變得不穩定，為此又發展了自適應控制方法。自適應控制方法具有參數識別功能，能適應懸架載荷和元件特性的變化，自動調整控制參數，保持性能最優。自適應控制方法也有增益調度控制、模型參考自適應控制和自校正控制三類。德國大眾汽車公司生產的汽車的底盤上就應用了自適應控制規律。目前發展最迅速的控制策略是智能控制（模糊控制和神經網絡控制）。模糊控制方法具有制動調節輸入變量的組合、隸屬函數的參數和模糊規則數目等學習功能，計算機仿真結果表明該方法更有效。神經網絡是一個由大量處理單元組成的高度并行的非線性動力系統，它能進行數據融合、學習適應性和并行處理，研究表明它比傳統控制有更好的性能。作動器是實現控制目標的重要環節，因此作動器的研究也是主動懸架研究的重要內容。為保證主動懸架的良好性能，作動器必須具有靈敏、穩定、可靠、能耗低、成本低和總量低等特點。目前主動懸架上應用的作動器主要是液力式結構。日產公司則開發了蓄能式減振器，它將壓力控制閥同小型蓄能器及液壓缸結合起來，使路面不平度引起的振動被蓄能缸吸收，車身隔振由主動阻尼和被動阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不過液壓動力系統尚有許多不足之處，比如對工作環境有一定要求：元件制造精度要求高、成本難以下降；處理小信號的數字運算，誤差的檢測與放大、測試與補償、自動化與實現遠距離等功能不如電氣系統靈活準確等。因此現在作動器的研究主要集中在直線伺服電動機、電磁蓄能器的方向。

電氣動力系統中的直線伺服電動機具有較多的優點，永磁直流直線伺服電動機，其驅動性能優于液壓系統，今后將會取代液壓執行機構。運用電磁蓄能原理，結合參數估計自校正控制器，有望設計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應主動懸架。由于操縱穩定性與乘坐舒適性在汽車懸架結構設計上是很難獲得統一的，懸架設計長期以來成為轎車設計中的難點。采用新型電控技術，研究和開發一類控制有效、能耗低、造價合理的汽車懸架系統具有較高的經濟效益和社會效益。隨著汽車工程技術的進步，決定乘坐舒適性和操縱穩定性的汽車懸架技術得到了廣泛重視和深入研究，在汽車工業領域中主動懸架受到日益廣泛的重視，已成為懸架技術發展的重要趨勢。

1.6.3　半主動懸架

雖然通過主動懸架能獲得比較理想的減振系統，但主動懸架能量消耗大、成本高、結構復雜，目前還難以在商業上得到大規模的推廣和應用。為此Crosby和Karnop在1974年提出了基于天棚阻尼的半主動懸架的概念。半主動懸架是指懸架彈性元件的剛度或減振器的阻尼系數可以根據需要進行調節控制的懸架。由于彈簧剛度調節相對較難，半主動懸架主要通過調節減振器的阻尼系數實現。半主動懸架沒有專門產生控制力的元件，它按照傳感器傳遞的數據由控制器算出所需的控制力，然后通過調節減振器的阻尼來模擬控制力，以衰減車身的振動。

半主動懸架的研究同樣集中在兩個方面，一方面是執行器的研究，即阻尼可調減振器；另一方面是控制策略的研究。阻尼可調減振器主要有兩種，一種是通過改變節流孔的大小調節阻尼，另一種是通過改變減振液的黏性調節阻尼。節流孔的大小一般通過電磁閥或步進電動機進行有級或無級調節，這種方法成本較高，結構復雜。通過改變減振液的黏性來改變阻尼系數，具有結構簡單、成本不高、無噪聲和沖擊等特點，因此是目前發展的主要方向。在國外，改變減振液的黏性主要有電流變液體和磁流變液體兩種類型，兩者也都有了一些產品問世。

1.6.4　各種懸架比較

據分析和模型試驗的結果，主動懸架的減振效果最好，同時還解決了平順性和操縱穩定性的矛盾；半主動懸架的減振性能接近主動懸架，操縱穩定性優于被動懸架；被動懸架的性能相對最差。但是主動懸架的元件都比較昂貴，工作時又需要比較多的能量，同時主動懸架還使整車質量增加。因此主動懸架會大大增加成本和能量消耗，這也是主動懸架不能大規模批量生產的原因。半主動懸架以控制阻尼為主，因此成本和能耗比主動懸架要低得多。被動懸架的成本最低，也不需消耗能量。綜合考慮性能和成本的因素，則半主動懸架的性價比是最高的，這也是半主動懸架商業應用多于主動懸架的原因。