悬架及磁流变减振器概述.docx

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悬架及磁流变减振器概述

悬架及磁流变减振器概述

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1悬架的构造

悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总成，它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力），纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都有弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。

弹性元件：

使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间做弹性联系，但弹性系统受到冲击后，将产生振动。

持续的振动容易是乘员感到不舒服和疲劳，故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减，为此，在许多结构型式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

车轮和车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则，汽车的某些性能（特别是操纵稳定型）有不利的影响。

因此，悬架中某些传力机构同时还承担着使车轮按一定的轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因此这些传力机构还起导向作用，故称导向机构。

由此看这三者分别起着：

缓冲，减振和导向的作用。

在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件-----横向稳定器。

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汽车悬架结构示意图

并非所有的悬架都设置上述这些单独的装置不可。

例如：

常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用而外，当它在汽车上纵向安置，并且一端与车架作固定铰接连接时，既可负担起传递所有各向力和力矩，以及决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要在另行设置导向机构。

此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减振能力，因而在对减振的要求不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架中，也可以不装减振器。

由悬架的刚度和悬架弹簧支撑的质量（弹簧质量）所决定的车身自然振动频率（或称振动系统的固有频率）是影响汽车的行驶平顺性的悬架重要性能指标之一，人体所习惯的频率是步行身体上下运动的频率，约为1～6Hz。

车身自然振动频率应当尽可能地处于或接近这一频率范围，根据力学分析，如果将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的自然振动频率（固有频率）为：

其中，g------重力加速度；

f------悬架垂直变形（挠度）；

M------悬架簧载质量；

K（=Mg/f）------悬架刚度（不一定等于弹性元件的刚度）指使车轮中心相对车架和车身向上移动的单位距离（即使悬架产生单位垂直压缩变形）所需加于悬架上的垂直载荷。

由上式可见：

（1）在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度愈小，则汽车自然振动频率愈低。

但悬架刚度愈小，在一定载荷下悬架垂直变形就愈大，这对于簧载质量大的货车，在结构上难以保证。

故实际上货车的车身自然振动频率往往偏高，而大大超过上述理想的频率范围。

（2）当悬架刚度一定时，簧载质量愈大，则悬架垂直变形愈大，而自然振动频率愈低。

故空车行驶时的车身自然振动频率要比满载行驶时的高。

簧载质量变化范围愈大，则频率变化范围也愈大。

为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身自然振动频率保持不变或变化很小，就需要讲悬架的刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架的刚度随之增加。

有些弹性元件本身的刚度是可变的，如气体弹簧；有些悬架所用的弹性元件的本身的刚度随是不变的，但如果在悬架中采取了某些措施，可使整个悬架具有可变的刚度，例如渐变刚度钢板弹簧。

悬架可以分为两大类：

非独立悬架和独立悬架（图2）。

图2非独立悬架与独立悬架示意图

非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架挂在车架或车身的下。

独立悬架则是每一侧的车轮单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。

采用独立悬架时，车桥都做成断开的。

为了加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器。

减振器和弹性元件都是并联安装的。

汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。

液力减振器的作用原理是当车驾与车桥做往复相对运动，而活塞在缸筒内往复移动时，减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。

此时，孔壁与油液的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散到空气中。

减振器阻尼力的大小随车架和车桥相对运动速度的增减而增减，并且与油的黏度有关。

因此要求减振器所用油液的黏度受温度变化的影响尽可能小；且具有抗汽化，抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。

减振器的阻尼力越大，振动消减得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。

为解决弹性元件和减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：

（1）在悬架压缩行程（车桥和车架互相移近的行程）内，减振器阻尼力应小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。

（2）在悬架伸张行程内（车桥与车架相对远离的行程）内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振。

（3）当车桥（或车轮）与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道面积，使阻尼力始终保持在一定的限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。

2悬架的分类

传统的悬架系统的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，根据这些参数设计的悬架结构，在汽车行驶过程中，其性能是不变的，也是无法进行调节的，使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性受到一定影响。

故称传统的悬架系统为被动悬架系统。

如果悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶调节（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，则称为主动悬架。

主动悬架系统按其是否包含动力源可以分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。

2.1全主动悬架

全主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。

它是在被动悬架（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控作用力的装置。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

2.2半主动悬架

半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它无动力源且只由可控的阻尼元件组成。

由于半主动悬架结构简单，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，故有较好的应用前景。

半主动悬架按阻尼级有可以分成有级式和无级式两种。

（1）有级式半主动悬架它是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择悬架所需要的阻尼级。

也就是说，可以根据路面条件（好路或坏路）和汽车的行驶状态（转弯或制动）等来调节悬架的阻尼级，使悬架适应外界环境的变化，从而可以较大幅度地提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。

半主动悬架中的三级阻尼可调减振器的旁路控制阀是由调节电动机来带动阀芯转动，使控制阀孔具有关闭，小开和大开3个位置，产生3个阻尼值。

该减振器应用于OPELSENTOR和OPELGA轿车上。

（2）无级式半主动悬架它是根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内有最小变到最大进行无级调节。

无级半主动微处理器从速度、位移、加速度等传感器处接受到信号，计算机出系统相适应的阻尼值，并发出控制指令给步进电动机，经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的通道节面积，从而改变系统的阻尼。

该系统虽然不必外加能源装置，但所需传感器较多，故成本仍较高。

3半主动悬架系统的研究进展

现代汽车正朝着安全、智能化和清洁化的方向发展，悬架系统智能化解决了传统被动悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题并能适应变化的行驶工况和任意道路激励，代表了悬架系统发展的方向。

主动悬架能获得一个优质的隔振系统实现理想悬架的控制目标，但能量消耗大，成本高，结构复杂，其中能量,成本和可靠性是限制主动悬架发展的瓶颈。

半主动悬架通过改变减振器的阻尼特性适应不同的路面和行驶状况的需要，改善乘坐舒适性和操纵稳定性。

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，无需力源，能耗小，因而是近期最能走向市场被推广应用的新兴技术。

3.1新型的半主动悬架系统

前人基于天棚阻尼的概念发明了半主动阻尼器，并应用于生产，但对悬架性能的改善是极其有限的。

后来，有人提出了开关控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，这种悬架已应用到实车上，其后又有人在半主动悬架控制中引入了此方法，并改进了控制算法的稳定性。

日产公司研制了一种声纳式半主动悬架，它可通过声纳装置预测路面信息，悬架减振器有柔和、适中和稳定3种选择状况。

随后有研究人员利用了电流变和磁流体作为工作介质，研究了新型的半主动悬架系统。

半主动悬架系统除了少量的开启电液阀的能量以外，几乎不需要外加能源，研究表明，只要恰当选择控制逻辑，半主动阻尼器可以达到像主动减振器一样的减振效果。

通常，半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节的悬架。

目前，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号实现对减振器阻尼系数的有级可调和无级可调。

3.2有级可调减振器

有级可调减振器阻尼在三档之间快速切换，切换时间通常为几毫秒，有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。

有级可调减振器通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置使减振器的阻尼在软/中/硬三档之间变化，有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性，有级可调减振器的设计关键是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数缩短切换时间从而使复杂的控制策略应用成为可能，以进一步提高悬架的控制品质。

3.3无级可调减振器

无级可调减振器的阻尼调节可采取以下几种方法：

（1）节流孔径调节：

通过步进电机驱动减振器的阀杆连续调节减振器的通流面积，来改变阻尼节流阀或其他形式的驱动阀来实现。

这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。

（2）减振液黏性调节：

使用黏性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，电流变液体在外加电场作用下，其流变材料性能（如剪切强度，表观黏度等会发生显著的变化，将这种电流装入减振器并在内外筒之间加上电场通过改变电场强度使电流液体的黏度改变，从而改变减振器的阻尼力。

由于电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，这无疑是一个较好的选择。

但电流变液体存在较多问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场黏度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大、容易分离，沉降稳定性差，对杂质敏感等难以适应电流变减振器长期稳定工作的需要。

要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题：

设计一个体积小、重量轻，能任意调节的高压电源；为保证电流变液体的正常工作温度必须设计一个散热系统；充装电流变液体时，要保证无污染；性能优良的电流变液体；高压电源的绝缘与封装。

电流变减振器在国外已有一些产品问世。

如德国的商业电流变液与电流变减振器及美国的相关产品等。

磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体，将磁流变液体装入磁流变减振器通过控制磁场强度可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级可调。

磁流变减振器具有电流变减振器同样的特点，响应比电流变减振器要慢，主要是磁流变液体的磁化和退磁需要时间。

磁流变减振器通常采用活塞缸结构，磁流变液的通路有位于活塞上的阻尼孔或单独的旁路构成。

在磁流变液的通路上施加磁场，按结构可分为单出杆活塞结构和双出杆活塞结构。

单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统。

磁流变液体的特点存在的问题是响应时间长、结构比较笨重、流变性能和稳定性还需要改进。

目前成功开发的电流变液体与磁流变液体的特性，从材料特性上看它们都能满足汽车工作要求，但在屈服应力、温度范围、塑性黏度和稳定性等性能方面，磁流边液体强于电流变液体，这也是选用磁流变液体作为半主动悬架系统减振器的减振液的主要因素。

其最主要的问题是实现电源以及降低减振器内液体紊流产生的噪声十分困难。

3.4减振器驱动方式

可控减振器驱动方式有转阀方式、旁路阀方式、压电驱动方式、磁场控制的磁流变方式和永磁直流直线饲服电机驱动方式等。

转阀方式是由控制器单元发出的信号经处理驱动步进电机从而驱动转动阀转动，改变减振器阻尼孔的大小，产生符合系统要求变化的阻尼力。

旁路阀方式是由电磁阀根据控制器单元发出的信号开关打开磁阀相当于在油路中增加一个节流孔，从而改变总的阻尼孔的面积，产生符合系统要求的有级变化的阻尼力。

压电驱动方式是在减振器的活塞杆内，安装压电执行器和压电传感器。

压电执行器由88个压电元件叠加而成，在直流电压作用下压电元件会伸长，该位移经位移放大室放大到可以打开转换阀，形成分流油路，从而获得小阻尼。

利用压电传感器可将前轮减振器检测到的路面情况传给电控单元，控制后轮减振器的阻尼。

磁场控制的磁流变方式是利用电控单元发出的电压或电流信号控制磁流变减振器内变压线圈产生高压实现对阻尼的连续无级调节。

永磁直流直线饲服电机驱动方式则是由直线饲服电机直接实现直线运动控制。

电机驱动效率高、响应迅速、灵敏度高、随机性好、控制稳定。

目前，永磁直流直线伺服电机在航天飞行器中应用广泛应用，其驱动性能优于液压执行机构。

3.5半主动悬架控制策略

最早提出的半主动悬架控制方法是天棚阻尼控制方法，由于其控制算法简单，得到了广泛的应用。

但天棚阻尼控制只能解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。

因此，目前研究的重点是改进型的天棚阻尼控制方法在半主动悬架系统中的应用。

以经典控制理论为基础的控制不需要了解被控对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数在线调整，即可取得满意的结果，不足的是对被控对象参数变化比较敏感，研究查表法参数控制PID和模糊控制方法在半主动悬架控制系统中应用有一定的实际的意义。

线性最优控制方法在系统建模时忽略了高阶动态环节，如车架轮胎的高阶模态以及减振器，传感器的动态特性等所得到的控制参数是根据确定的系统参数计算出来的，仅对理想的数学模型保证预期的性能。

当系统参数变化到一定程度时，会使系统变得不稳定，控制参数不再使性能指标最优，有时甚至会使悬架性能恶化。

而实际的悬架系统是含有许多不确定因素的非线性、时变、高阶动力系统，难以用定常反馈系统达到预定的性能要求。

所以最优控制方法在半主动悬架控制系统中应用很少。

自适应控制方法应用于汽车悬架控制系统有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。

自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定想结合的控制方法，模型参考自适应控制是在外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时被控车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。

采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统改善车辆的行驶特性，在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。

模糊控制方法在半主动悬架系统中的应用效果比常规控制方法有效，但模糊控制器的稳定性只通过一些模拟过程测试，判断其稳定性的标准还不存在；控制器只使用于一定的汽车参数；改变轮胎性能会使控制结果明显变坏；路面性质对控制效果影响较大。

因此，模糊控制方法在半主动悬架控制中应用从理论上无法判定，只能通过系统实测才能确定。

神经网络是一个由大量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统，其特点是可学习性和并行性，故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景，但神经网络不适于表达基于规则的知识，需要较长的训练时间，因此神经网络须与其他控制方法相结合构成复合控制模式，才能具有更大的实际应用。

总之，半主动悬架控制方法较多，各种方法均有利弊，综合应用各种方法开发系统控制器是发展方向，从文献分析看：

日本、德国、韩国等汽车发达国家基本都是采用基于天棚阻尼控制理论，模糊控制理论和自适应控制理论为主线的复合控制策略。

任何控制系统总存在不可避免的时滞，它会导致反馈控制系统预料外的失稳，出现安全极为不利的轮跳。

因此在汽车半主动悬架振动控制系统开发过程中，应该结合实际车型研究和开发控制有效、实用简单、造价合理的控制器，并经过大量的实车测试才能推广应用。

4今后研究和开发工作展望

随着相关学科和高新技术的迅猛发展特别是高效处理器的普及，使得研究实用的半主动悬架振动控制系统成为现实。

因此，今后的研究和开发方向是基于磁流液体功能材料，开发控制有效、能耗低、造价合理的汽车悬架振动控制系统，并针对车型开发其适用系统，为此，必须解决一些基础性的理论研究问题和实际应用的技术问题。

开发实用的磁流变液可控减振器，研究各种结构参数对性能的影响规律，优化结构并改善其制造工艺性。

在现有的磁流变液体中选择或改进并验证最佳配方，为此，需要进行一系列减振器疲劳寿命实验和实车运行实验以验证在实际使用条件下磁流变液体的稳定性、可靠性和实用性。

重点研究车轮跳动和悬架行程位置传感器，而汽车惯性传感器、方向盘转角和车速传感器选用目前已有的传感器。

车轮跳动和悬架行程位置传感器采用与可调减振器融为一体的结构方式，以实现高度集成和高可靠性。

智能控制器集成信号变换、CPU、驱动电路为一体，并同时兼顾汽车其它电子控制系统的功能，为此，必须进行大量的理论和实验研究，要实现最佳的控制目标，控制策略的制定和控制规律、控制软件的实现是关键。

为减少反复实验次数，可以采用刚体动力学仿真软件针对半主动悬架的实际使用汽车产品，建立完整的动力学模型，然后模拟汽车行驶的各种工况，选择多种不同的控制策略和控制规律，观察汽车行驶平顺性和稳定性，重点研究控制元器件的响应特性、执行系统的非线性、不确定性和随机性等实际因素的影响，智能控制策略的稳定性，从而制定最佳的控制策略和控制规律，最终再结合实车试验验证。

针对特定的汽车产品，选择不同行驶工况进行各种实车实验，以验证半主动悬架的减振效果，验证半主动悬架系统工作的稳定性、可靠性和适应性，并在此基础上进行各个部分改善和改良，最终研制成功基于半主动悬架的新样车。

5磁流变减振器的工作原理

目前，电流变已经走向一定的成熟阶段，但磁流变还在进一步发展，其研究的深度还会加大。

磁流变液是将微米尺寸的磁激化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的特定非胶性悬浮液体，因而其流变特性随外加磁场而变化，在无磁场作用时磁流变为牛顿流体，当受到强磁场时，其悬浮颗粒被感应极化，彼此间相互作用形成粒子链，并在极短的时间相互作用，由流体变为具有一定剪切屈服应力的粘塑体，随着磁场的加强，其剪切屈服应力也会响应增大，这就是磁流变效应。

经大量的实验研究表明，磁流变液在磁场的作用下的剪应力与剪切速度有一定的关系。

磁流变减振器的工作原理：

磁流变的工作模式主要有以下3种：

流动模式、剪切模式和挤压模式，如下图3：

图3磁流变减振器的3种工作模式（依次为：

流动、剪切、挤压模式）

流动模式是在两固定不动的极板间充满磁流变液体，而剪切模式是在两相对运动的极板之间充满磁流变液体，二者都是外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液体，使磁流变体的流动性能发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。

在上下两极板之间充满磁流变体，上极板为活动板，下极板为固定板，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，当上极板沿磁场方向向下移动时，磁流变体向四周流动，控制外加磁场即可控制极板所受的阻尼力。

挤压模式减振器具有小位移大阻尼的特点，主要用于精密仪器的减振。

汽车磁流变减振器一般是基于流动模式或是基于流动模式和剪切模式的混合模式而设计的。

图4显示剪切阀式磁流变减振器的工作原理，当活塞与缸体发生相对运动时，则会挤油压缸中的磁流变液，使其通过位于活塞的与缸体的间隙流向另一侧；当间隙加上由线圈所产生的磁场后，则其中的磁流变液固化，变为粘塑性体，使活塞与缸体相对运动的阻尼力增大，通过调节线圈的电流大小调节磁场的强度，从而可以调节减振器的阻尼力的大小。

图4剪切阀式磁流变减振器

基于剪切阀式磁流变减振器的阻尼力计算公式可表示为：

式中，G是流体的动力黏度；是磁流变液的屈服剪应力；为活塞正面受到压力的有效面积；V为活塞与缸体的相对速度；L为活塞的长度；D为缸体的内径；h为活塞与缸体间的间隙。

式中的第一项为粘性阻尼力，它不依赖于所加磁场，仅与流体速度粘度及减振器的几何参数有关；第二项为库仑阻尼力，它是随磁流变也屈服剪切应力随之改变，由此形成阻尼力的改变因此。

该部分是磁流变减振器实现可调阻尼控制的关键。

（end）