汽车主动悬架的发展及其最新技术

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自从汽车发明以来，工程师们就一直在研究如何将汽车的悬架系统设计得更好。最初的汽车悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。1908年螺旋弹簧开始用于轿车，当时就曾经有两种截然不同的意见。第一种意见主张安装刚性较大的螺旋弹簧，以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。另一种意见认为应该采用较软的螺旋弹簧，以适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。但是这样的汽车操纵性较差。到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。这些改进无疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性。

  衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程师们的研究课题。

  平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、驾驶员座椅处)的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以通过车轮的动载来度量。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。所以，理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。

  但是普遍使用的被动悬架不可能达到设计师们的理想要求。被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。在使用上，为了使被动悬架能够对不同的路面具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，比如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器。

表1 可变特性悬架主要部件动能表

部件名称
功能
作用

衰减力转换
稳定器刚性转换

手动选择开关
●
●
选择挡位，变换悬架特性

显示器
●
●
显示手动选择开关挡位

减振器驱动器
●
　
驱动减振器内回转阀

前支柱、后减振器
●
　
内装回转阀，可变化衰减力

稳定器驱动器
　
●
通过稳定器缆绳，开闭稳定器杆内的油路

稳定器缆绳
　
●
连接稳定器驱动器和稳定器杆，传递驱动器动作

稳定器杆
　
●
具有油缸的结构，可变换稳定器刚性

电子控制装置
●
●
根据手动选择开关状态，控制各驱动器


注：“●”为此部件具有此功能。

表2 手动选择开关挡位特点

挡位
减振器的衰减力
稳定器的刚性
特点

“SPORT”挡位
增强
提高
具有高级跑车的优良转弯性能与灵活的操纵性能

“TOURING”挡位
减弱
降低
具有高级旅行车的高速操纵稳定性与舒适性


  由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。所以尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标，但始终无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。

  为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力。典型的例子，早期有雪铁龙公司在1955年发展的一种液压-空气悬架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及。到90年代，曰产公司在无限Q45轿车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面的能力。

  随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化。手动开关可选择两种挡位：1.“SPORT”挡位，刚性高，相当于高级跑车的悬架特性。2.“TOURING”挡位，柔性，相当于高级旅行车的悬架特性。图 1为可变特性悬架的构造，表1为其主要部件功能，表2为手动选择开关挡位特点。

  现时引人注意的是奔驰公司发展的ABC(Active Body Control)系统，可算是相对先进的主动悬架系统代表。

  ABC系统的设计人员从一开始就没有将注意力放在传统的思路上，而是另辟蹊径，集中研究车身在行驶时的跳动。他们认为，从稳定性考虑，通过抑制车身在行驶时的起伏、倾斜及跳动，可以最大限度地提高舒适性，而且更简单直接。对驾驶而言，采用刚性较大的螺旋弹簧，可以使汽车优越的操纵驾驶性得到保证。早在多年前，研究人员已经进行过这方面的验证。随着近年来电子技术及电脑控制在轿车上大量应用，这种新型主动悬架变为现实的条件越来越成熟。最新面世的系统采用了大量电子控制技术，奔驰公司称之为主动式车身控制系统，简称ABC 。

  传统的悬架系统工作方式主要是通过厚重的车身跳动，推压液压油，通过阻尼减振器抑制车身的振动，并由螺旋弹簧将跳动能量吸收。这种完全被动的方式当然有许多不足之处。而ABC系统则通过感应最轻微的车轮及车身动作，在任何大的车身振动之前及时对悬架系统作出调整，保持车身的平衡。该系统能够很好地适应各种路面情况，即使在异常崎岖不平的地方，轿车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。

  为了达到理想的效果，ABC系统在各条悬架滑柱内装有一套新型的液力调节伺服器，可动态调整的液压缸根据不同的路面情况自动调节螺旋弹簧座的位置，这一点很重要。当车轮遇到障碍物时，ABC系统通过传感器感知，自动调节弹簧座，并在弹簧座上施加压力，使之能最大限度地抵消传递给车身的跳动能量。同样的方法，ABC系统还能够避免轿车在制动、加速及转弯时产生的车身倾斜。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形，悬架传感器会检测出车身的倾斜度和横向加速度。微电脑根据传感器的信息，与预先设定的数值进行比较计算，并立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。几乎可以说，车身在任何状态下都能保持水平位置。

  ABC系统的控制感应装置由两个微型处理器及13个传感器组成，每10μs对悬架系统作一次扫描和调整。各传感器分别向微处理器传送车速、车轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较。同时，电脑能独立控制每一个车轮上的执行元件，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动以适应汽车的每一种行驶状况。

  ABC系统使汽车对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确，即使在路况较差的路面上，汽车的跳动也很小。而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。车身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。此外汽车的载重量无论如何变化，汽车始终能保持一定的车身高度，所以悬架的几何关系也可以确保不变。

  目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的C系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳的口碑，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一个里程碑。