自動平衡懸架的受力分析及模型驗證

席玉林，邱肖盼

(1.北京金帛科技有限公司，北京 102299；2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引言

車輛懸掛一般會安裝彈簧以減緩來自外界的沖擊，但是彈簧本身的彈性使得它在吸震后反復(fù)伸縮，需要與彈簧并聯(lián)安裝減震器以減緩車身的過度震動，很難同時保證車輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性[1]。目前，雖然通過復(fù)雜的電控系統(tǒng)可以及時調(diào)節(jié)彈簧的硬度和阻尼大小，但這也只是在車輛受到?jīng)_擊后通過暫時的調(diào)整來滿足當(dāng)前舒適性或操控性的需求，無法做到同時提高舒適性和操控性[2]，而且該系統(tǒng)的制造維護成本高，加之工作頻度高而壽命較低，很難在所有車輛中普及。文中介紹的雙彈簧自動平衡懸架可以在車輛遇到干擾后通過彈簧背壓保持車身平衡高度，降低了減震器的阻尼作用，同時保證了車輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性，同時由于工作頻度較低以及需要消除的能量減少而具有壽命長和成本低的優(yōu)點。

1 懸架彈簧受力分析

1.1 單彈簧懸架的特性曲線

懸架是汽車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，其中懸架彈簧的主要作用是緩和由不平路面?zhèn)髦淋嚿淼拇怪陛d荷所形成的沖擊并衰減由此引起的振動，以保證車輛的乘坐舒適性[3]。一般車輛配置4個或4個以上懸架裝置且全部為單彈簧懸架，雖然有的在懸架裝置中配備了2個以上的彈簧，但這些彈簧都是并聯(lián)或串聯(lián)布置，其工作原理與單彈簧懸架一致。如圖1所示：其載荷F與彈簧形變f之間的關(guān)系特性曲線大致分為3種類型：(1)直線型；(2)漸增型；(3)漸減型，其懸架載荷F和彈簧形變f均是連續(xù)變化的。另外，有些懸架彈簧的特性曲線可以是以上2種或3種特性曲線的組合，稱之為組合型特性線[4-6]。

圖1 單彈簧懸架的特性曲線

1.2 乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性的矛盾

乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性是評價汽車性能的兩個重要指標(biāo)，而懸架中彈簧的形變是影響這兩個指標(biāo)的最重要因素。在目前的懸架設(shè)計中，彈簧的剛度大小受減震器阻尼的影響，減震器阻尼小則彈簧剛度小，懸架比較軟，對車身的沖擊小，乘坐舒適性高，但恢復(fù)平衡慢，操作穩(wěn)定性較低；減震器阻尼大則彈簧剛度大，懸架比較硬，車身恢復(fù)平衡快，操作穩(wěn)定性較高，但對車身的沖擊大，乘坐舒適性降低[6-8]。另外，由于傳統(tǒng)單彈簧懸架特性曲線的載荷和形變是連續(xù)線性的，任何一個懸架彈簧載荷的變化都會導(dǎo)致其他彈簧隨之發(fā)生相應(yīng)的形變，最終破壞車身的平衡，使得乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性在當(dāng)前的汽車設(shè)計中始終是“魚和熊掌”的關(guān)系[9]。

1.3 主動干擾與被動干擾

車輛在正常行進過程中，車身會受到各種干擾，這些干擾主要表現(xiàn)在使汽車懸架在垂直方向上的載荷發(fā)生變化。傳統(tǒng)懸架的變形和垂直受力有連續(xù)線性的關(guān)系，彈簧載荷的變化會導(dǎo)致懸架發(fā)生相應(yīng)的形變[10-11]，這是目前汽車設(shè)計中乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性出現(xiàn)矛盾的直接原因。

以最常見的4個懸架的車輛為例，車輛在行進過程中，由于速度、方向的變化和不平路面的影響，車身對懸架的載荷大小會發(fā)生不同的變化，主要表現(xiàn)為：

(1)車輛行駛方向發(fā)生變化時，其中一側(cè)懸架的載荷增大，另一側(cè)載荷減小，導(dǎo)致車身側(cè)傾，即出現(xiàn)“橫搖”現(xiàn)象；

(2)車輛行駛速度發(fā)生變化時，前后懸架載荷也會發(fā)生相應(yīng)變化，例如剎車時的點頭或加速時的后仰，即為“縱搖”現(xiàn)象；

(3)行駛方向和速度同時發(fā)生變化時，其中一個懸架的載荷增大而壓縮，其對角的懸架載荷減小而伸長，便會出現(xiàn)“斜搖”現(xiàn)象。

(4)由于路面不平整對車輪產(chǎn)生的沖擊通常是隨機的，懸架彈簧的載荷隨之發(fā)生變化，經(jīng)常會出現(xiàn)“斜搖”現(xiàn)象。

其中，第(1)～(3)項是由于人為操控車輛而發(fā)生的，是車輛的主動行為導(dǎo)致懸架彈簧發(fā)生了形變，一般稱之為“主動干擾”，這種干擾持續(xù)時間長、強度低。因此，減小懸掛受到主動干擾時的彈簧形變，提高操作穩(wěn)定性，是懸架設(shè)計的核心目標(biāo)之一。

第4項是由于路面不平整而發(fā)生的，一般稱之為“被動干擾”，這種干擾持續(xù)時間短、強度高。因此，在其中一個懸架彈簧發(fā)生形變的同時盡可能減小其他懸架彈簧的形變，提高乘坐舒適性，也是懸架設(shè)計的核心目標(biāo)之一。

但是，由于主動干擾和被動干擾的存在，在目前的單彈簧懸架設(shè)計中，只要有一個懸架彈簧受到的載荷發(fā)生變化，其他彈簧懸架的載荷也會隨之改變，而且彈簧形變和載荷線性相關(guān)，其發(fā)生的變形便會破壞車身平衡，無法避免車身的橫搖、縱搖和斜搖現(xiàn)象，不能同時保證車輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性。

2 雙彈簧自動平衡懸架

2.1 雙彈簧懸架的設(shè)計原理

由于連續(xù)線性的懸架彈簧特性無法解決乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性的矛盾，作者利用兩個彈簧的不同背壓開發(fā)了具有階梯線性的雙彈簧懸架。彈簧背壓就是對懸架的彈簧施加一個適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，當(dāng)懸架受力不超過彈簧的背壓時，行程不會發(fā)生變化。通過一定的設(shè)計，當(dāng)強度低的主動干擾發(fā)生時，懸架不發(fā)生形變，車身自動保持原來的平衡；當(dāng)強度高的被動干擾發(fā)生時，受沖擊懸架彈簧發(fā)生相應(yīng)的形變，沒有受到?jīng)_擊的其他懸架彈簧不發(fā)生形變，使車身自動保持原來的平衡。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，由于一個彈簧被預(yù)緊力限制后，不能參與懸架的全部行程，采用2個帶背壓的彈簧組成懸架的全部行程，以靜止平衡載荷點開始，主彈簧參與懸架的壓縮行程，主彈簧采用長度限制提供預(yù)緊力，這個預(yù)緊力大于懸架的平衡載荷；從靜止平衡點開始，采用副彈簧參與懸架的伸長行程，懸架的負載大于副彈簧的最大壓縮力，使副彈簧處于最大背壓狀態(tài)，這個最大背壓小于懸架的平衡載荷。

通過具有階梯線性特性曲線的懸架彈簧設(shè)計，使懸架具備智能特征，通過彈簧的載荷強度高低區(qū)分主動干擾和被動干擾，做到主動干擾時不發(fā)生形變，被動干擾時主動緩和沖擊，自動保持車身的平衡，同時提高了車輛的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性，這是目前傳統(tǒng)懸架的設(shè)計理論無法實現(xiàn)的。

2.2 雙彈簧懸架的特性曲線

雙彈簧懸架的特性曲線如圖2所示：懸架在平衡靜止時的靜載荷為G0，主彈簧預(yù)載荷F1，設(shè)定F1≥1.2G0，副彈簧預(yù)載荷F2，設(shè)定F2≤0.8G0；主彈簧在懸架的壓縮行程工作，副彈簧在懸架的伸長行程工作；壓縮行程和伸長行程之間是作者設(shè)計的高剛性區(qū)間，在這個區(qū)間內(nèi)，懸架載荷F發(fā)生變化時，懸架形變f很小甚至為0。

圖2 雙彈簧懸架的特性曲線

由圖2可知，該雙彈簧懸架的特性曲線是階梯狀直線，不同于上述單彈簧懸架的連續(xù)型特性。在最低載荷Fmin逐漸加載到滿載荷Fmax的過程中所體現(xiàn)出來的曲線特性如下：

(1)在伸長行程，副彈簧變形，主彈簧沒有形變，形變大小與副彈簧參數(shù)相關(guān)；

(2)在剛性區(qū)間，副彈簧和主彈簧都沒有形變；

(3)壓縮行程，主彈簧變形，副彈簧保持在最大形變狀態(tài)，形變大小與主彈簧參數(shù)相關(guān)。

2.3 雙彈簧懸架的自動平衡原理

普通車輛一般配置4個以上的懸架裝置，在懸架的平衡靜止位置，設(shè)定懸掛的載荷為G0，如果懸架的主彈簧預(yù)載荷F1和副彈簧的預(yù)載荷F2同時滿足以下關(guān)系式：

則雙彈簧懸架就可以使車輛在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)運動，保持車身的自動平衡，同時保證車輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性，原因如下：

在此懸架中，作者設(shè)定F1=1.2G0、F2=0.8G0，車輛在運動或裝載過程中，懸架所受力F在0.8F0～1.2F0之間變化時，懸架行程f不發(fā)生變化，在懸架的靜止平衡點上的高剛性區(qū)間內(nèi)，懸架的剛性是無窮大的，f的變化接近于0，在一般的車輛行駛狀態(tài)，懸架受到的主動干擾不超過0.8F0～1.2F0，車身能自動保持平衡；當(dāng)懸架受到被動干擾時，受到?jīng)_擊的懸架的載荷超過0.8F0～1.2F0時，懸架發(fā)生相應(yīng)的變形，同時這個懸架變形后，通過車身傳導(dǎo)到其他懸架，對其他懸架形成主動干擾，一般情況下傳導(dǎo)的主動干擾依然在0.8F0～1.2F0內(nèi)，其他懸架不發(fā)生形變，車身依然保持平衡。

當(dāng)被動干擾發(fā)生時，實際上被動干擾時刻都在發(fā)生且變化不規(guī)律，基本上都是以單個懸架受到?jīng)_擊為主，多個車輪同時受到?jīng)_擊的概率很小。以單個車輪受到來自于地面的沖擊為例進行分析，當(dāng)單個車輪受到來自于地面的沖擊時，傳導(dǎo)到懸架產(chǎn)生被動干擾，這個干擾通常作用時間很短，沖擊強度很高，大多時候遠超過一個G，則懸架必須發(fā)生變形，否則該沖擊會對車身造成破壞。但是，在配置了4個及以上雙彈簧懸架的車輛中，當(dāng)其中一個懸架發(fā)生變形時，由于彈簧的預(yù)緊力與靜止載荷的差值小于0.2G，也就是說通過車身對其他懸架的影響也不超過0.2G，這就意味著其他懸架的行程不發(fā)生變化，由于3個點就便可以確定一個平面，所以車身的平衡并不會被破壞。

上述懸架的主動干擾是在理想的假設(shè)情況下，實際上由于減震器阻尼的存在會導(dǎo)致車身的干擾超過設(shè)定值，所以作者采用壓縮阻尼足夠小的單向減震器，這樣便可以將被動干擾造成的主動干擾降低到設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)，實現(xiàn)車身的自動平衡。

2.4 雙彈簧懸架減震器的設(shè)計

上述雙彈簧懸架中采用2個帶有背壓的彈簧保持了車身的平衡，但是車輪及車身的震動需要并聯(lián)減震器對振動能量進行消減。需要特別說明的是：由于雙彈簧懸架具有車身自動平衡特性，減少了車身的不必要震動，所需要消減的能量也降低很多，對車輛懸架減震器的阻尼設(shè)計也會有所不同。

首先，減震器可以僅在懸架的壓縮行程設(shè)計阻尼。因為懸架的壓縮行程有可能會導(dǎo)致車身的震動，需要阻尼消減能量，使車身盡快恢復(fù)平衡；在懸架的伸長行程，一般僅為車輪的震動，對車身的影響較小，從成本考慮可以取消減震阻尼的設(shè)計，對車輛的行駛性能不會有太大的影響。

其次，要求減震的壓縮阻尼相對系數(shù)小于0.1，回彈阻尼相對系數(shù)大于0.5。這樣的設(shè)計可以使彈簧在壓縮過程中降低剛性，減弱對車身的沖擊，將它對其他懸架的主動干擾控制在較小的范圍內(nèi)。同時，較大的回彈阻尼系數(shù)可以將車身的振動頻率控制2 Hz以下，保證車輛的乘坐舒適性。

3 雙彈簧懸架的實物模型驗證

3.1 實物模型的設(shè)計

為了驗證雙彈簧懸架的自動平衡原理，這里設(shè)計了一個10∶1的實物模型(如圖3所示)，此模型采用500 mm×200 mm×12 mm鋁合金板模擬車身，在4個角位置配置由2個彈簧并聯(lián)的雙彈簧懸架，其中一個彈簧在車身上部用固定螺栓進行預(yù)緊，預(yù)載荷可調(diào)整。

圖3 10∶1實物模型

3.2 實物模型對比試驗

在試驗過程中，分3種情況進行高度測量：第一種是車輛空載；第二種是在一角配重加載，配重質(zhì)量為鋁合金板的15%；第三種是在單個車輪底部增加高度，此試驗中采用一本厚度大約5 mm的書，然后測量車身高度。實際測量結(jié)果表明3種情況的車身高度相同，對比如圖4所示。

圖4 實物模型對比試驗

3.3 模型對比試驗分析

在空載試驗之前，取消彈簧的預(yù)緊力，用手推動小車并較快地變化速度和方向，由于重心配置很高，模型晃動明顯，懸架的彈簧變形頻繁，這與重心較高的商用車類似，速度和方向不能變化太快，否則會嚴重影響車輛的安全性。

隨著預(yù)緊力的增加，即使在沒有減震器的幫助下，車身的穩(wěn)定性也越來越高，這證明僅僅依靠彈簧而不需要減震器也可以實現(xiàn)車身穩(wěn)定和平衡。

調(diào)整4個懸架的預(yù)緊力，使其在適當(dāng)位置并保持一致后進行的對比試驗結(jié)果如下：

(1)空載測量車身高度，尺寸是141 mm；

(2)加載配重7.5%時，車身高度尺寸141 mm；配重增加至15%時，車身高度仍保持在141 mm；只有當(dāng)配重超過彈簧的預(yù)緊力后，車身高度開始降低，增加配重至22.5%時，車身高度為125 mm；

(3)在一個懸架底部放置厚度大約為5 mm的一本書，使小車其中一個車輪壓到書的上面，測量車身高度尺寸為141 mm。

綜上分析，試驗(1)和(2)對比可以驗證雙彈簧懸架的車身高度保持功能和彎道車身平衡功能。試驗(1)和(3)對比可以驗證雙彈簧懸架在單個車輪受到路面沖擊時能夠?qū)崿F(xiàn)車身的自動平衡功能。

4 雙彈簧懸架的技術(shù)優(yōu)勢

4.1 實現(xiàn)車身自動平衡

在懸架系統(tǒng)中安裝雙彈簧減震總成可以實現(xiàn)車身的自動平衡，其負荷為主彈簧的預(yù)載荷和副彈簧的組合作用力，通過優(yōu)化設(shè)計懸架的3個剛度區(qū)間，可以讓懸架實現(xiàn)自動過濾功能。懸架不需要變形時，就保持超高剛度；當(dāng)其中一個懸架需要變形時，能盡量保證其他懸架不變形或變形很小，這樣在設(shè)計時不僅可以同時提高車輛的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性，還能保持車身高度不變，避免或最大限度地減少橫搖、縱搖和斜搖的發(fā)生，這些性能指標(biāo)也是當(dāng)前的單彈簧懸架技術(shù)所無法實現(xiàn)的。

4.2 同時提高操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性

由于主彈簧預(yù)載荷的存在，通過主彈簧和副彈簧的組合即可以保持車身的平衡，那么就不需要減震器的阻尼來保持車身平衡和減少車身的搖動，因此可以采用很小的壓縮阻尼，減弱車輪沖擊對懸架的影響，同時采用較大的回彈阻尼，消除振動能量，這樣就不會因為減震器的阻尼太小而影響操作穩(wěn)定性，也不會因為阻尼太大而影響乘坐舒適性，可以同時保證車輛的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性。

4.3 優(yōu)異的綜合性能

雙彈簧懸架的自動平衡作用在很大程度上減少了車身的震動，大幅度減少了需要消除的能量，降低了減震器的阻尼作用，不僅同時提升了車輛的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性，減少了不必要的能源消耗，還減少了彈簧和減振器的工作頻度，有效提高了其使用壽命，降低了生產(chǎn)成本和后期的維護保養(yǎng)成本，這與當(dāng)前的單彈簧懸架系統(tǒng)相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

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