浅析汽车半主动悬架及应用.docx

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浅析汽车半主动悬架及应用

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浅析汽车半主动悬架及应用

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汽车定损与评估

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浅析汽车半主动悬架及应用

[摘要]汽车悬架，是保证驾乘人有一个舒适的驾驶环境和操控性，一直受到人们的重点关注，它经过多年的发展，其结构形式也在不断完善和更新，尽管如此，传统的悬架系统仍然受到很大的限制，不能满足汽车各种工况下驾乘人的要求。

为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制,近年来,汽车工业中相继出现了性能更加优越的主动悬架和半主动悬架，本文讲述的就是汽车半主动悬架系统基本特点及应用。

[关键词]悬架半主动悬架减振器阻尼性

目录

引言1

1.半主动悬架优缺点2

1.1传统悬架与半主动悬架对比2

1.2主动悬架与半主动悬架对比3

2.半主动悬架新技术2

2.1机械控制式可调阻尼减震器2

2.2电子控制式可调阻尼减振器3

2.3电流变和磁流变液体减振器技术5

结束语7

致谢8

参考文献9

引言

汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重的影响汽车的平顺性和操纵稳定性以及车辆零部件的疲劳寿命,目前国内应用比较广泛的是传统的被动悬架，被动减振器。

传统的被动悬架减振器的阻尼系数和弹簧刚度是固定的，不能起到良好的减振作用。

随着现代电子技术的发展，出现了主动和半主动悬架。

虽然主动悬架理论上能够很好的调节阻尼系数和弹簧刚度，但是结构复杂，能耗大，成本高。

而半主动悬架解决了传统悬架的舒适性与稳定性之间的矛盾，其在控制品质上接近主动悬架，但结构简单，价格相对便宜，除驱动电机和电磁阀需要消耗能量外，不需要提供额外的附加电源，它的最大优点是工作时几乎不消耗动力，因此越来越受到人们的重视。

现代中高级轿车更青睐于半主动悬架这项新技术，可调阻尼减振器是半主动悬架的核心部件，它的好坏将直接影响汽车的平顺性。

本课题就是对半主动悬架的一些浅显认识和它在相关汽车上的应用。

1.半主动悬架优缺点

过去到现在，汽车在高速行驶时汽车的行驶稳定性和平顺性一直与悬架的发展紧密相连，悬架的结构形式也在不断变化发展，传统的被动式悬架越来越不能满足汽车高速行驶的要求，即使采用优化设计也只能保证悬架在特定激励发生变化后，悬架的性能亦随之发生变化，为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制，近年来出现了性能更加优越的主动、半主动悬架。

1.1传统悬架与半主动悬架对比

首先，所有的悬架系统具有以下功能：

支撑车桥上的车身，并使车身与车轮之间保持适当的几何关系。

将路面与车轮之间的摩擦所产生的制动力和驱动力，传输至底盘和车身

对不平整路面所造成的汽车行驶中的各种颤动、摇摆和振动等，与轮胎一起，予以吸收和减缓，从而保障乘客和货物的安全，并提高驾驶稳定性。

传统悬架也称被动悬架，一般由弹性元件、导向装置、减振器和横向稳定杆组成（如图1）。

目前多数汽车上采用被动悬架，被动悬架的定义是汽车姿势只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。

悬架的结构形式很多，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。

如果按照控制力进行分类，则可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型。

1.1.1传统悬架优点

（1）结构简单，更换方便快捷，维修成本少，保养容易。

（2）行车中前轮定位变化小的优点，

（3）成本低，有较高的可靠性，构造简单，制造成本低，容易维修。

（4）占用的空间较小，可降低车底板的高度。

1.1.2传统悬架缺点

（1）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，汽车操控性，稳定性不好。

（2）因构造简单使设计的自由度小，操控的安定性较差。

（3）左右轮在弹跳时，会相互牵连，而降低乘坐的舒适性及操控的安全性

1.1.3半主动悬架优点

（1）工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能。

（2）它可以根据路况来调整悬挂的软硬，以达到最佳的舒适型及操控性.

（3）在正常行驶并且减震器脉冲较低时，阻尼力自动降低，从而显著提高乘坐的稳定性，而且不影响操控安全性。

当减震器脉冲更大时，例如在高速转弯或躲避障碍时，系统设置为最大阻尼力，从而有效地保持车辆的稳定性。

（4）半主动悬架的阻尼量可以实时调整，半主动控制装置具有与被动悬架相媲美的可靠性，同时具有完全主动系统的通用性和适应性，而不需要大的电源。

1.1.4半主动悬架缺点

（1）相对于传统悬架，设计更高级，结构更复杂。

（2）拆装更换困难，维修成本较高。

1-弹性元件2-纵向推力杆3-减振器4-横向稳定器5-横向推力杆

图1汽车悬架组

图2半主动悬架控制原理

1.2主动悬架与半主动悬架对比

悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶条件（车辆的运动状态和路面状况等）进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，称为主动悬架，主动悬架系统按其是否包含动力源可分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类，主动悬架系统根据不同的分类方法可将其分为不同类型。

主动悬架系统按控制方式可分为机械控制悬架系统和电子控制悬架系统。

机械控制悬架最早出现，它主要是通过高度控制阀来调节油气弹簧中的油压，进而调节刚度。

虽然结构较简单，成本较低，但其控制功能少，精度低,且不能适应多种工况。

近年来随着各种传感器的广泛使用、ECU可靠性的提高及控制策略的完善，主动悬架逐渐进入电子控制时代。

其信息输入量更丰富，功能更丰富且控制精确，但其结构及控制策略复杂，成本高。

主动悬架系统按控制介质主要可分为主动空气悬架、主动油气悬架、主动液力悬架等。

1.2.1主动悬架的优点

（1）乘坐舒适性控制，可在操作性能不降低的情况下调整悬挂系统的参数获得更好的乘坐舒适性，也可基于特定的驾驶风格进行调整。

（2）车高的控制。

载荷变化时保持车高不变，保持车轮全行程跳动，消除在非设计行驶高度下引起的操纵性变化现象。

（3）提高了操纵性，也减轻了对转向传动机构、悬架杆系设计时的过高要求。

1.2.2主动悬架缺点

（1）主动悬架系统结构及控制策略复杂。

（2）其硬件要求高、耗能大、成本高，且采用主动悬架会增加整车重量，其给整车空间布置也带来了一定的困难，这些都对目前限制主动悬架普及的原因。

1.2.3半主动悬架优点

（1）比主动悬架耗能少，更节能优化。

（2）结构相对简单，而性能与主动悬架十分接近。

（3）在正常行驶并且减震器脉冲较低时，阻尼力自动降低，从而显著提高乘坐的稳定性，而且不影响操控安全性。

当减震器脉冲更大时，例如在高速转弯或躲避障碍时，系统设置为最大阻尼力，从而有效地保持车辆的稳定性。

1.2.4半主动悬架缺点

（1）无动力源且只有可控的阻尼元件，持续性较差。

（2）在不同时速与主动悬架的舒适性，操控性差距较大。

2.半主动悬架新技术

半主动悬架是在被动悬架中增加自动调节装置，并通过合适的控制策略实时调节悬架的刚度与阻尼，从而使悬架在各种汽车行驶状态都具有最佳的乘坐舒适性和行驶安全性。

但主动悬架是有源控制，作动器通常价格贵能耗大结构复杂，而半主动悬架是无源控制，作动器价格低、能耗小、结构简单且其控制品质接近主动悬架，因此半主动悬架技术日益受到人们的重视。

2.1机械控制式可调阻尼减震器

其工作原理是当车架（或车身）和车桥间受振动出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。

此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减振器吸收散发到大气中。

在油液通道截面和等因素不变时，阻尼力随车架与车桥（或车轮）之间的相对运动速度增减，并与油液粘度有关。

图3阻尼可调式减振器

机械控制式可调阻尼减振器的控制信号一般取自车轮载荷，其结构与悬架形式有关，它利用空气弹簧内部的气体压力（与载荷有关）作为控制信号，通过调节控制阀的开启面积来改变减振器的阻尼特性，其阻尼调节机构设置在减振器的外部，需要较多的空间，适用于商用车辆。

在轿车上一般采用调节机构内置式结构，通常在空心活塞杆内设置能够随空气弹簧内部压力改变而沿轴向移动的柱塞，由此改变节流阀的开启面积，调节减振器的阻尼特性。

它的控制信号是一个机械量，因此其调节机构一般与悬架弹性元件相集成，或兼有其他功能。

近年来发明了一种机械控制式车身高度调节系统，能够使汽车在不同的载荷条件下保持同样的高度，同时改变悬架的弹性特性和阻尼特性。

该系统不需要专门的能量供应装置，仅利用车轮相对于车身的相对运动的机械能作为能量的来源。

其核心机构是一种增加了泵油机构、高压气室等的悬架减振器主要由高低压气室、浮动活塞、活塞杆及活塞总成、泵油室及泵油阀等组成。

应用车型：

林肯-领航员。

领航员的悬架有一个值得一提的地方——它采用了Nivomat减振器（ Nivomat的工作结构相当简单且高效，不用附加任何外力或电子控制元件。

这一行车高度控制系统中兼具了弹簧和减振两个功能，无需液压或电子线路，也能保证车辆的恒定高度。

）这种减振器具备自动调节车身高度的功能：

车里坐了人、装了货物之后，车尾会因为这些额外的重量而下沉；Nivomat减振器能自动把车尾重新升高到预设的高度。

因此它跟空气悬架有点类似，都能保证车子里面无论装了什么东西，整个车身还是能保持水平。

Nivomat减振器的外表就跟普通的减振器差不多，最多就是粗一点而已，它并不需要外接任何电源、液压管道之类的，它自己就是一个完整的系统。

这个是它跟空气悬架的本质区别。

您肯定会问：

那没有外界供给能源，它怎么工作？

没错，车子不开的时候它的确没法工作，也就是说你往车上装货的时候，车尾该往下沉的时候还是会往下沉。

但是车子开始行驶的时候就不同了，因为不存在绝对平坦的路面，所以减振器会由于马路的凹凸产生频繁的压缩/拉伸动作。

保证在不同的工况下汽车的舒适性和操控性。

2.2电子控制式可调阻尼减振器

采用电控技术调节阻尼特性的筒式液阻减振器的调节机构通常由传感器、控制装置以及执行机构等组成，阻尼既可以分级调节也可以连续调节，通常由电控执行器改变节流阀通流面积，以此来调节减振器的阻尼特性。

由传感器采集的信号包括车速、转向盘转角、节气门开度、制动管路压力或纵向加速度等（如图5所示）。

这种系统通常在驾驶室内设置驾驶风格选择装置，系统根据驾驶员选择的不同驾驶风格按软、中、硬三级或软、硬两级转换阻尼特性。

阻尼调节机构可以是内置式，也可以是外置式，轿车上多采用内置式结构。

目前阻尼分级调节的电子控制式减振器使用得较多，其执行器一般采用置于减振器上方的步进电机，步进电机的旋转带动空心活塞杆内部的转子阀旋转，从而改变转子阀节流孔与活塞节流孔的相对位置，进而改变活塞两侧腔室之间的节流面积以实现阻尼特性的转换。

对于阻尼分级调节器的减振器，转子阀的位置在短时间内改变往往会产生冲击，出现阻尼不连续的问题。

电控式液阻式减振器技术发展的理想目标是实现对阻尼的连续调节，目前已有这样的产品推向市场。

比如德国Sachs公司生产的阻尼连续调节系统，它同样也分为内置和外置式两种。

同时，电子控制悬架减振器可有效防止汽车加速、换挡和制动时车身的纵倾以及转弯时的侧倾，改善汽车低速行驶时的乘坐舒适性，并保证汽车高速行驶时具有良好的车轮－地面附着性能。

除悬架减振器外，某些转向系减振器也采用了电子控制装置，可适应不同行驶工况的要求，其控制信号一般包括车速和转向盘转角。

表格1电控减振器常用传感器

例如

（1）方向盘转角传感器，SAS,steeringwheelsensor,作为汽车ESP/ESC（车辆稳定性控制系统）的一个组成部分，主要安装在方向盘下方的方向柱内。

广泛应用于汽车动力稳定性控制系统。

其稳定性、精度与行车安全直接关联。

与目前汽车上普遍应用“ABS系统”相比较，其不仅包含“ABS系统”的全部功能，还能在汽车失去稳定时主动制动，从而实现对“车身姿态”的控制，一定程度上保障了行车安全。

（2）节气门位置传感器又称为节气门开度传感器或节气门开关，是用于检测发动机状态的设备。

其主要功用是检测出发动机是处于怠速工况还是负荷工况，是加速工况还是减速工况。

应用车型：

奔驰新E.奔驰新E级车（图4）在继承上一代优良传统的同时，经过多项技术的创新再次树立了在安全性、舒适性、动力性及操作性方面的新标准。

电子感应制动系统（sbc），带领制动科技走进了崭新领域，作为最第七代e级轿车的标准配置。

这个电子感应制动系统（sbc）在正常驾驶环境下，制动踏板与轮圈制动器并没有传统机械液压的连系，它的微型计算机能快速发出指

令，自动计算每个车轮需要的制动力度。

当车子有打滑的危险时，系统会跟电控车辆稳定行驶系统（esp）配合，根据需要制动不同的车轮；在湿滑环境下，更会自动干燥制动盘以提高制动性能。

电子感应制动系统（sbc）还支持防抱死制动系统（abs）及制动辅助系统（bas）的功能，当制动过轻时，会发挥最佳制动力度，更能识别紧急情况并做出即时反应。

减震适应系统（adsii）的全自动电子系统能根据不同情况对各车轮施放出四种不同的减震指令。

它更能在某些情况下控制弹簧震荡的次数，令转向稳定性不受影响，车子可平稳启动。

图4奔驰新E独立式可调电子减振器悬架

2.3电流变和磁流变液体减振器技术

电流变液体（ERF）和磁流变液体（MRF）都是悬浊液，于20世纪40年代分别由美国人W.Winslow和J.Rabinow发现，此后的研究重点是ERF的特性以及应用。

按照电流变液体和磁流变液体的不同工作模式，有三种不同的减振器：

流动模式型、剪切模式型和挤压模式型。

ERF减振器结合了双筒式和单筒式充气减振器的特点，内筒为工作缸筒，同时还作为高压电极，浮动活塞与外缸筒之间形成的补偿室内充入一定压力（大约1Mpa）的氮气，ERF充满复原室、压缩室以及内筒和外筒之间的空间，电压分别加在内筒和外筒上，ERF在电场作用下可改变抗剪应力和粘度，活塞的运动阻力包括液体的流动阻力和剪切阻力两部分，其中后者能够随电压的变化而连续变化。

应用车型：

奥迪TTS。

奥迪TTS应用的就是高性能半主动悬架电磁减震系统，这一整套系统由四只磁流变减震器、每个车轮上独立的位置传感器（共四个）以及电子控制单元构成，该系统同时采集车辆总线当中的横向加速度传感器、车速传感器等信息，还接受驾驶员端的人为介入和操作。

这套系统使用的减震器不同于以往依靠电磁阀体控制减震器阻尼特性的技术，它在减震器中填充的是一种叫做“磁流液”的液体，是可磁化的软铁颗粒悬浮在碳氢化合物溶液中的悬浮液体。

减振器活塞杆中带有电磁线圈，产生的可变磁流穿过液体。

当线圈电流关闭时，磁流变液体没有磁化，软铁颗粒随机地分散在液体中，悬浮液的性能和普通的液压油一样。

充电后，磁场使铁颗粒沿流体方向形成纤维结构排列。

结构中粒子之间结合的强度与磁场强度成正比，所以改变电流就改变阻尼性能，变化范围很宽。

能够很好的保证汽车在各种工况下的舒适性和操控性。

图5奥迪TTS电磁可变式阻尼悬架

结束语

近年来随着车辆行驶工况及新技术的变化发展，对悬架系统性能的要求是不同的：

一方面，为提高悬架系统的行驶平顺性，希望悬架系统的刚度较小，而采用较软的悬架；另一方面，为了提高车辆的行驶安全性和方向的控制，则要求悬架系统的阻尼和刚度都比较大，需要采用较硬的悬架以减少车轮与车身件的相对行程，获得良好的路面附着于支撑。

传统的被动式悬架系统的弹性元件的阻尼元件的刚度值和阻尼值是固定的，在汽车行驶过程中无法随着路面状况、载荷和车速等因素的变化而变化。

目前，被动悬架系统的潜力已经接近极限，所以有必要设计一种不同于被动悬架系统的新型悬架系统，它可以随汽车行驶状况而自适应的改变其阻尼和刚度参数，具有优良的减震性和操纵稳定性，而半主动与主动悬架就有这方面的优势，能有效地提高汽车的行驶平顺性，同时也能改善汽车的操纵稳定性，其研究集中在调节减振器的阻尼系数方面。

半主动悬架系统的２个关键技术分别是减振器阻尼系数的调节和半主动悬架控制策略。

除电流变和磁流变减振器是通过改变工作液的剪切强度和黏度等特性改变其阻尼系数外，其他类型的的减振器均是通过改变减振器电子控制节流阀的工作液通流面积来改变阻尼系数，所以电控节流阀的响应速度和执行动作的准确度是影响半主动悬架性能的关键，而节流阀技术的滞后必定影响半主动悬架的快速发展。

各种控制策略对汽车的振动控制都有一定的有效性，但是都存在固有的缺陷，这是其控制原理所决定的。

单一的控制策略已经不能满足要求，需要多种控制策略的综合运用，充分发挥不同控制方法的优点，更好地提高汽车的动态性能。

由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力，更好的适合现代汽车化时代。

致谢

在即将毕业的这段时间论文研究过程中我收获到了很多，对我今后的工作启发很大，知识要不段运用才有新的启发与进步.本文是在冯波老师悉心指导下完成的，在写论文期间冯老师的指导和教诲使我受益非，她对论文进行了详细的审阅倾注了大量的心血，在此特向冯老师表示衷心的感谢，感谢她对我的无私教诲和帮助。

同时也要感谢我的室友、同学。

感谢汽车系的老师们，为我提供了良好的学习研究环境！

你们不但是传授科学知识的导师，同时也是传授人生观、价值观的良师益友。

感谢我的爸爸妈妈，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。

另外，在我大学的学习生活中，我得到了身边很多同学老师对我生活和学习上的大力帮助，使我从中受益很多，在此一并感谢。

参考文献

[1]任启俊,徐霞,戴禾敏,等.阻尼可调式减震器:

CN202732822U[P].2013.

[2]史文库.现代汽车新技术.[M]北京.国防工业出版社.2015.

[3]吴兴敏.李全利.汽车车身结构与维修.[M].西安西安电子科技大学出版社.2010.2.

[4]娄云.汽车性能与使用技术.[M].北京机械工业出版社.2009.9

[5]尹丽丽.高婷婷.车辆半主动悬架技术和发展趋势.[C].黑龙江东北林业大学2005.