电控悬架系统

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，效果较差。1908年螺旋弹簧开始用于轿车，当时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，以使车轮保持与路面接触，提高轮胎的抓地能力，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，这样的汽车操纵性较差。到了20世纪三四十年代，独立悬架开始出现，并得到较快发展，减振器也由早期的摩擦式发展为现在的液力式。这些改进无疑提高了悬架的性能，但当时的悬架仍然属于被动式悬架，在很多方面有较大局限性。

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，但这两个性能要求是相互排斥的，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，一直是工程师们研究的课题。

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荷来度量。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减小使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加，由此而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。被动悬架只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中，无法达到悬架控制的理想效果。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。

随着汽车制造研发水平的不断提高，人们对于汽车的操控性和舒适性有了更高的要求，其中车辆减振系统起着至关重要的作用，而采用普通螺旋弹簧很难做到两全其美。于是，适应能力更强，感受更完美的可变悬架系统就诞生了。

空气悬架从发明至今已经有70多年的发展历史了。目前空气悬架的应用范围相当广泛，特别是在商用车领域，德国几乎100％的中型以上客车和80％以上的卡车后悬架都使用了空气悬架系统，不过这种空气弹簧多为“机械式高度控制阀”控制，在前悬架采用空气悬架的较少。在乘用车上，部分高档轿车和SUV车型采用了电控的空气悬架，可以采用后悬架为空气悬架，前悬架与普通轿车相同，也可以前、后悬架都采用电控空气弹簧的悬架。

［技师指导］小赵拥有一辆电控悬架的轿车，在小赵走近汽车时，汽车的车身高度是低的，打开车门，坐上座椅，按动座椅记忆按钮和转向柱记忆按钮，座椅开始前移，方向盘下移至小赵设定的位置。车高控制：打开点火开关后，车身开始上升到中间标准高度，驾驶时驾驶员可手动设定车高，也可由悬架ECU自动控制车高。在车速较低时（一般是交通不畅或道路条件不好）悬架ECU控制车身较高，在车速较高时为减小风阻，需要降低车高。减振器的阻尼控制：在车辆起步阶段或急加速时为防止后尾厢的下沉，两个后减振器的阻尼要增加。而在制动或急减速过程中，两个前减振器的阻尼要增加。更好的电控悬架还会有横向稳定杆的扭矩调节。小赵在拔下钥匙后，座椅后移，方向盘前移，敞开一个较大的出车空间，车身下降，方便小赵下车。

［完成任务］电控悬架汽车在转弯时，外侧的两个减振器的阻尼是否要增加？__________。为什么？____________________。

一、汽车悬架运动基础

如图2-60所示，路面凸凹不平产生的冲击先经过悬架系统再传递到车身上，冲击能量以悬架弹簧的垂直运动把能量分多次转移给减振系统，使减振器生热把冲击能量消耗掉，防止损坏车上的人和物。悬架同时也保证了车轮和地面尽可能地接触，这对制动、转向和驱动都有重要意义。同时，悬架也保护了汽车部件，防止部件受过高的运动负荷。

图2-60 悬架的作用

如图2-61所示，汽车车身相对车轮而言，在纵向（Y轴）、横向（X轴）和垂直方向（Z轴）都有位移运动，同时也有围绕纵向（Y轴）、横向（X轴）和垂直方向（Z轴）的摆动。因此共有6种运动方式，但悬架在调节时一般对其中垂直方向（Z轴）的位移和横向（X轴）的摆动进行控制，比如要对绕横方向（X轴）俯仰运动进行控制。

如图2-62所示，悬挂质量是指在悬架上部的车身及传动系统，非悬挂质量指悬架下部的车轮、轮胎、制动器和车桥。显然非悬挂质量的增加将增加车辆控制的难度，就如人穿一双铁鞋行走，人的运动较难控制一样。所以好的汽车采用轻的轮胎，车轮的轮毂、转向节、轮辋和悬架尽量都用铝材料，甚至制动钳也采用铝材料。

图2-61 汽车的6个自由度

图2-62 汽车悬挂质量和非悬挂质量

二、振动学知识

如图2-63所示，在振动学中，最简单的振动模型由一个质量块和一根弹簧组成。

式中 K——弹簧刚度；

m——质量；

f——频率。

上式说明振动周期或频率是不因外界冲击力的大小而变化的。这个原理与挂钟钟摆的摆动周期为1s，将摆动量（幅值）人为增加，但周期仍是1s的道理一样。这说明模型的振动频率是不变的，这个不变的频率我们称之为固有振动频率。人最适应的频率是人心脏的跳动频率，为1.0～1.5Hz，汽车悬架一般按1.1Hz的固有振动频率调校，调校时K和m的比值不能变化，这样才能保证是1.1Hz，那么就要求刚度K的变化率和质量m的变化率相同。

图2-63 最简单的振动模型

若将理想的振动模型放在空气中，振动会持续较长时间；若将理想的振动模型放在水中，振动会持续较短的时间，幅值为0后停止，说明水的阻尼比空气的大。如图2-64所示，汽车上的减振器相对于汽车，就相当于水相对于重块一样。汽车的振动学由简单模型经过组合而成，实际开发要经过振动仿真和真实振动实验来确认系统的固有振动频率，仿真时的基础就是上述最简单的模型。

图2-64 有无减振器的系统对比

如图2-65所示，增大车内重物的质量和用软一点的弹簧，系统的固有振动频率减小；而减小车内重物的质量和用硬一点的弹簧，系统的固有振动频率增大。

幅值与外激励的强度有关，而不会改变系统的振动频率。频率和系统的K、m参数有关，一般高档轿车将前桥悬架频率调得略低于后桥悬架频率，比如前桥为1.13Hz，而后桥为1.33Hz。

图2-65 不同载荷对车身振动的影响

三、电控悬架系统的优点

电控悬架系统的优点有以下几个。

（1）采用空气弹簧后，可以在设计时大大减小车轮中心和轮眉之间的距离，利于总体空间的利用，且由于对俯仰运动的控制，可减小对负载球头的磨损。

（2）改变弹簧的刚度改变了舒适性。

（3）无论车质量如何，均可保证回弹和压缩的整个行程不变，同时在质量发生变化时，自动增加空气弹簧刚度以保持车身高度不变，所以车轮前束和车轮外倾角不变。

（4）根据车速来改变车身高度，实现更小的空气阻力。