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前 言
懸架是連接車架和車橋之間一切傳動(dòng)連接裝置的總稱。它主要由彈簧（如鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧等）、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)汽車在不同的路面上行駛時(shí)，由于懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車身和車輪之間的彈性支撐，有效地降低了車身與車輪的振動(dòng)，從而改變了汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性。同時(shí)，它也引起在汽車起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向時(shí)車身的俯仰、點(diǎn)頭和側(cè)傾等現(xiàn)象，影響汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。
隨著人類生活水平的提高，人們對(duì)汽車舒適性的要求也越來越高。傳統(tǒng)的汽車懸架一般具有固定的彈簧剛度和減振阻尼力，它只能保證在一種特定的道路狀態(tài)和速度下達(dá)到性能最優(yōu)，因而不能同時(shí)滿足汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。例如降低彈簧剛度，平順性會(huì)更好，乘坐更舒適，但會(huì)使操縱穩(wěn)定性變差；相反，增加彈簧剛度雖可提高操縱穩(wěn)定性，但會(huì)使車輛對(duì)路面不平度更敏感，平順性降低。因此，理想的懸架系統(tǒng)應(yīng)在不同的行駛條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼力，以同時(shí)滿足平順性與操縱穩(wěn)定性的要求。
伴隨電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等的快速發(fā)展，使得車輛懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動(dòng)隔振發(fā)展到振動(dòng)主動(dòng)控制。特別是信息科學(xué)中對(duì)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究，使懸架系統(tǒng)電子控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善，同時(shí)已開始應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制，使電子控制懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)得以快速發(fā)展。
20世紀(jì)90年代以來，在汽車電子技術(shù)以及告訴公路發(fā)展的同時(shí)，各汽車公司相繼開發(fā)了電子控制懸架系統(tǒng)等提高汽車舒適性的電子控制系統(tǒng)。電控懸架系統(tǒng)能夠保證汽車行駛平順性、緩和不平路面的沖擊、吸收振動(dòng)的能量并減小汽車的振動(dòng)，大大提高了汽車行駛平順性。通過對(duì)汽車電控系統(tǒng)的建模來分析汽車在行駛中雖受到的動(dòng)力學(xué)分析，找到控制的關(guān)鍵因素，從而改善和提升汽車的行駛平順性。
第1章 汽車電控懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展情況分析
1.1研究電控懸架系統(tǒng)的意義
懸架是車輛的重要組成部分，其主要功能是柔性的連接車身與車輪，并傳遞作用在車輪與車身之間的力和力矩，并具有良好的緩沖減振能力，以降低由于路面不平傳遞給車架或車身的沖擊載荷，衰減振動(dòng)能量，從而保證汽車的行駛平順性。懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)車輛的總體性能有著重要影響。因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的懸架，對(duì)提高汽車的性能至關(guān)重要，這也成為汽車工程領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。
為了滿足現(xiàn)代汽車對(duì)懸架提出的各種性能要求，懸架的結(jié)構(gòu)形式一直在不斷地更新和完善，盡管這樣，傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架仍然受到很多限制，主要是難于同時(shí)改善在不平路面上高速行駛車輛的穩(wěn)定性和行駛平順性，即使采用優(yōu)化設(shè)計(jì)也只能保證懸架在特定的激勵(lì)發(fā)生變化后，懸架的性能亦隨之發(fā)生變化，汽車不同的行駛狀態(tài)對(duì)懸架有不同的要求。一般行駛時(shí)需要柔軟一點(diǎn)的懸架以求舒適感，當(dāng)急轉(zhuǎn)彎及制動(dòng)時(shí)又需要硬一點(diǎn)的懸架以求穩(wěn)定性，兩者之間有矛盾。另外，汽車行駛的不同環(huán)境對(duì)車身高度的要求也是不一樣的。一成不變的懸架無法滿足這種矛盾的需求，只能采取折中的方式去解決。為了克服傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架對(duì)汽車性能改善的限制，在電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，工程師設(shè)計(jì)出一種可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整的電子控制懸架來滿足這種需求，這種懸架稱為電控懸架。如今的汽車可變底盤系統(tǒng)按控制類型可以分為三大類，空氣懸架系統(tǒng)、液壓調(diào)控懸架系統(tǒng)和電控磁性液體懸架系統(tǒng)。
1. 空氣懸架系統(tǒng)：
與傳統(tǒng)鋼制汽車懸掛系統(tǒng)相比較，空氣懸掛具有很多優(yōu)勢(shì)，最重要的一點(diǎn)就是彈簧的彈性系數(shù)也就是彈簧的軟硬能根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)。例如，高速行駛時(shí)懸掛可以變硬，以提高車身穩(wěn)定性，長時(shí)間低速行駛時(shí)，控制單元會(huì)認(rèn)為正在經(jīng)過顛簸路面，以懸掛變軟來提高減震舒適性。
另外，車輪受到地面沖擊產(chǎn)生的加速度也是空氣彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)考慮的參數(shù)之一。例如高速過彎時(shí)，外側(cè)車輪的空氣彈簧和減震器就會(huì)自動(dòng)變硬，以減小車身的側(cè)傾，在緊急制動(dòng)時(shí)電子模塊也會(huì)對(duì)前輪的彈簧和減震器硬度進(jìn)行加強(qiáng)以減小車身的慣性前傾。因此，裝有空氣彈簧的車型比其它汽車擁有更高的操控極限和舒適度。
2. 液壓調(diào)控懸架系統(tǒng)：
內(nèi)置式電子液壓集成模塊是系統(tǒng)的樞紐部分，可根據(jù)車速、減振器伸縮頻率和伸縮程度的數(shù)據(jù)信息，在汽車重心附近安裝有縱向、橫向加速度和橫擺陀螺儀傳感器，用來采集車身振動(dòng)、車輪跳動(dòng)、車身高度和傾斜狀態(tài)等信號(hào)，這些信號(hào)被輸入到控制單元ECU，ECU根據(jù)輸入信號(hào)和預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出控制指令，控制伺服電機(jī)并操縱前后四個(gè)執(zhí)行油缸工作。通過增減液壓油的方式實(shí)現(xiàn)車身高度的升或降，也就是根據(jù)車速和路況自動(dòng)調(diào)整離地間隙，從而提高汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。
3. 電控磁性液體懸架系統(tǒng)：
利用電磁反應(yīng)的一種新型獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，它可以針對(duì)路面情況，在1毫秒時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，抑制振動(dòng)，保持車身穩(wěn)定，特別是在車速很高又突遇障礙時(shí)更能顯出它的優(yōu)勢(shì)。它的反應(yīng)速度比傳統(tǒng)的懸掛快5倍，即使是在最顛簸的路面，也能保證車輛平穩(wěn)行駛。
電磁懸掛系統(tǒng)是由車載控制系統(tǒng)、車輪位移傳感器、電磁液壓桿和直筒減振器組成。在每個(gè)車輪和車身連接處都有一個(gè)車輪位移傳感器，傳感器與車載控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)與電磁液壓桿和直筒減振器相連。
直筒減振器有別于傳統(tǒng)的液壓減振器，沒有細(xì)小的閥門結(jié)構(gòu)，不是通過液體的流動(dòng)阻力達(dá)到減振的目的。電磁減振器中也有減振液，但是，那是一種被稱為電磁液的特殊液體(Magneto-rheological Fluid)，是由合成的碳?xì)浠衔锖臀⑿〉蔫F粒組成。
平時(shí)，磁性金屬粒子雜亂無章地分布在液體里，不起什么作用。如果有磁場(chǎng)作用，它們就會(huì)排列成一定結(jié)構(gòu)，減振液就會(huì)變成近似塑料的狀態(tài)。減振液的密度可以通過控制電流流量來精確控制，并且是適時(shí)連續(xù)的控制。
系統(tǒng)的工作過程是：當(dāng)路面不平引起車輪跳動(dòng)時(shí)，傳感器迅速將信號(hào)傳至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，將電信號(hào)發(fā)送到各個(gè)減振器的電子線圈，電流的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，減振器中的電磁液的密度改變，控制車身，達(dá)到減振的目的。如此變化說起來復(fù)雜，卻可以一秒中進(jìn)行1000次，可謂瞬間完成。
電磁懸掛系統(tǒng)可以快速有效地彌補(bǔ)輪胎的跳動(dòng)，并擴(kuò)大懸掛的活動(dòng)范圍，降低噪音，提高車輛的操控準(zhǔn)確性和乘坐舒適性。它的作用還不止如此，醫(yī)學(xué)研究者已利用這種技術(shù)制造出人造膝蓋。
1.2納米磁性液體的研究進(jìn)展
納米磁性液體是納米鐵磁性微粒在表面活性劑的包覆下，穩(wěn)定地分散在液體中而形成的一種膠體體系，同時(shí)既具有固體磁性材料的磁性，又有液體的流動(dòng)性。因此具有許多獨(dú)特的磁學(xué)，流動(dòng)力學(xué)，光學(xué)和聲學(xué)特性。即使處在重力，離心力，磁力作用下也不會(huì)分離。磁性液體中的納米級(jí)磁性顆粒比單疇臨界尺寸還要小，因此它能自發(fā)達(dá)到飽和。同時(shí)由于粒子內(nèi)部的磁矩在熱運(yùn)動(dòng)的影響下任意取向，粒子呈超順磁狀態(tài)，因此磁性液體也呈超順磁狀態(tài)。一旦有外磁場(chǎng)的作用，分子磁矩立刻定向排列，對(duì)外顯示磁性。經(jīng)測(cè)定，磁性液體在外磁場(chǎng)的作用下，它的“比重”會(huì)隨外磁場(chǎng)的變化而變化。變化幅度可以從每立方厘米不足1g到大于20g。20世紀(jì)60年代，美國首先把磁性液體材料用于宇航服密封材料，隨后日本也對(duì)磁性液體的特殊性能進(jìn)行廣泛的探索和研究，并把它用于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)裝置中。目前，日、俄、美、西歐諸國均可大量生產(chǎn)性能穩(wěn)定的磁性液體。我國起步較晚,但先后已有20余家單位從事磁性液體的研制和開發(fā)應(yīng)用，與國外相比存在一定差距。
1. 納米磁性液體的分類
納米磁性液體按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類方法, 根據(jù)納米磁性液體材料中所用的鐵磁性固體顆粒種類的不同可以分為:氧體磁性液體、金屬磁性液體、氮化鐵系磁性液體、復(fù)合微粒磁性液體。鐵氧體材料主要使用磁礦、錳鋅鐵氧體, 可用不同的制備方法制備出納米鐵磁性顆粒。金屬材料有鐵、鈷等，以及這些金屬的合金，可以電解沉淀等離子體化學(xué)氣相沉積，真空蒸鍍法，有機(jī)金屬鹽熱分解法等制成金屬或合金的納米鐵磁性顆粒。氮化鐵系材料主要以Fe16N2為核心成分，常采用超高真空制得納米磁性顆粒。復(fù)合磁性液體則是以磁性液體與非磁性小顆粒組成的復(fù)合體系。根據(jù)納米磁性液體材料所用的基液，可以分為水基類、水銀類、碳?xì)浠衔镱?、碳化氟類、酯類等，依?jù)納米磁性液體的不同用途選擇不同的基液。幾種常見基液及納米磁性液體材料的特點(diǎn)見表1。
表1 幾種常見基液及納米磁性液體材料的特點(diǎn)
表面活性劑是納米磁性液體不可缺少的組成部分，活性劑的選擇是制備納米磁性液體的關(guān)鍵，不同基液的納米磁性液體要求選擇不同的活性劑，活性劑具有以下作用：防止納米磁性顆粒的氧化；削弱靜磁吸引；克服范華力所造成的顆粒凝聚；改變磁性顆粒的性質(zhì),形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵。
2. 納米磁性液體的基本性質(zhì)
納米磁性液體的特性是磁性顆粒、界面活性劑及載液性能的綜合表征。作為一種特殊的膠體體系,磁性液體同時(shí)具有軟磁性和流動(dòng)性。
1) 磁化特性
膠態(tài)磁性液體中的磁性粒子，通常其直徑約為10nm，屬于亞疇粒子，但仍然能自發(fā)磁化到飽和狀態(tài)。當(dāng)粒子表面吸附上一層表面活性劑時(shí)，就成為一個(gè)穩(wěn)定的具有磁性的膠態(tài)粒子。在沒有外磁場(chǎng)作用的情況下，磁性粒子作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，微粒的磁矩?zé)o規(guī)則分布，因而整個(gè)磁性液體系統(tǒng)的總磁矩為零，并不表現(xiàn)出對(duì)磁性物體的吸引能力。當(dāng)有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，磁性液體顯示出磁感應(yīng)特性，能被吸引到磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向。圖1為磁性液體的磁化曲線。由圖可看出，磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)的增加而近似線形地迅速提高，以后增大的速率減緩，最終達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度。外加磁場(chǎng)一消失，磁性液體立即退磁，幾乎沒有磁滯現(xiàn)象。與固體磁性材料相比,磁性液體的磁化曲線為對(duì)稱的S形，表現(xiàn)為超順磁性。通過外加磁場(chǎng)的作用，可以引導(dǎo)磁性液體定向流動(dòng)或?qū)⒋判砸后w保持在所要求的部位。磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度取決于磁性微粒的飽和磁化強(qiáng)度及其在磁性液體中的含量。為提高磁性液體的磁化強(qiáng)度，應(yīng)選擇高飽和磁化強(qiáng)度的磁性材料制作的磁性微粒。磁性粒子含量的提高，會(huì)使磁性液體的粘度急劇增大，穩(wěn)定性下降，影響磁性液體的實(shí)際應(yīng)用。磁性液體的磁化強(qiáng)度與溫度也有密切的關(guān)系。溫度提高，微粒熱運(yùn)動(dòng)加劇，磁化到飽和狀態(tài)所要求的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度就越大。
圖1 磁性液體的磁化曲線
2) 光學(xué)特性
在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性液體中的磁性微粒有序排列。當(dāng)光線通過幾十微米厚的磁性液體薄膜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。結(jié)果是，盡管磁性液體是黑色的，但光線卻可以通過。光線通過磁性液體薄膜，還會(huì)出現(xiàn)二色性現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象，且相對(duì)于磁場(chǎng)方向表現(xiàn)出各向異性。此外，超聲波在磁性液體中傳播，其速度和衰減程度也和外加磁場(chǎng)有關(guān)，同時(shí)相對(duì)于磁場(chǎng)方向也表現(xiàn)出各向異性。在交變磁場(chǎng)中,磁性液體還會(huì)有磁導(dǎo)率頻散、磁粘滯等現(xiàn)象。
3) 流變特性
在外磁場(chǎng)的作用下，磁性液體內(nèi)的總壓力增大，其增大的程度與磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)。也就是說，磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)榇判砸后w的壓力能。其結(jié)果是使原來沉浸在磁性液體中的高密度非磁性物體“漂浮”起來。還有磁性液體的粘度可以由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來控制，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高，磁性液體粘度可增大10倍以上。分析認(rèn)為，這是因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)的作用使分散的磁性粒子流動(dòng)阻力增加所致。在磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零的條件下，因磁性粒子的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得磁流體滑動(dòng)的速度受到阻礙。因而磁流體的粘度隨之增加,其大小與磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。
3. 納米磁性液體在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用
納米磁性液體是1965年美國宇航局為解決太空人宇航服頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)密封問題由S.S.Pappel研究成功的。納米磁性液體是一種新型的復(fù)合材料也是一種新型的功能材料，它具有獨(dú)特的性質(zhì)，開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，許多過去無法解決的問題，由于納米磁性液體的出現(xiàn)便迎刃而解，因此在航空航天、化工環(huán)保、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、印刷制造、等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。
磁性液體的發(fā)展按納米級(jí)被利用的時(shí)間順序及特性可以分成三個(gè)階段。60年代初，第一代鐵磁性液體問世。80年代第二代金屬性磁性液體出現(xiàn)。進(jìn)入90年代日本研制出第三代氮化鐵磁性液體。第一代鐵氧體磁性液體問世解決了納米磁性液體材料的有無問題，第二代金屬磁性液體的出現(xiàn)把磁性能提的更高，第三代氮化鐵磁性液體既具有良好的抗腐蝕性能具有較高的磁性能。
到目前為止，人們對(duì)磁性液體材料的應(yīng)用已經(jīng)開拓出許多領(lǐng)域。減振是“磁性液體”技術(shù)最實(shí)際的一種應(yīng)用方式，許多名牌賽車或者高級(jí)轎車，車的震動(dòng)吸收器里就有“磁性液體”。電子設(shè)備能使“磁性液體”產(chǎn)生每秒數(shù)千次“僵硬”、“還原”過程，從而能有效地減輕車身震動(dòng)，乘坐這種車，比乘坐其他車要平穩(wěn)舒適許多。
磁性液體阻尼減震器是近幾年出現(xiàn)的一種智能型減震器，它以磁性液體作為阻尼介質(zhì)。這種減震器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制應(yīng)力范圍大、響應(yīng)速度快、不存在老化疲勞現(xiàn)象和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，有取代傳統(tǒng)型減震器的發(fā)展趨勢(shì)。
1.3 研究內(nèi)容
在車輛系統(tǒng)中起主要減振作用的是懸架系統(tǒng)。懸架系統(tǒng)起到彈性連接車身車輪、緩和路面?zhèn)鹘o車身的沖擊、衰減由此引起的車輛系統(tǒng)的振動(dòng)和保證車輛乘坐舒適性的作用。提高汽車舒適性就必須限制汽車車身的加速度；而保證安全性，就需要把懸架的變形限制在很小的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)固定，不能根據(jù)路面的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而不能滿足良好的平順性和穩(wěn)定性要求。近年來，主動(dòng)懸架可以通過動(dòng)力裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)者所希望的目標(biāo)及預(yù)定的模糊控制策略來改變懸架的特性，同時(shí)滿足乘坐的舒適性和安全性。
納米磁性液體電控懸架要求在原車彈性元件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不變的條件下配以納米磁性液體可調(diào)阻尼減振器，并以8098單片機(jī)為主控制器件，使用加速度傳感器和電荷放大器，通過采集車身地板處的振動(dòng)加速度信號(hào)，根據(jù)模糊邏輯推理的控制策略，計(jì)算相應(yīng)的減振阻尼力，然后發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)減振器中的控制閥連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，以產(chǎn)生實(shí)際要求的阻尼力，達(dá)到最佳減振效果。在此基礎(chǔ)上，并可推廣至各類汽車上，應(yīng)用前景廣闊。
第2章 汽車電控懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1汽車懸架系統(tǒng)
2.1.1 汽車懸架系統(tǒng)的作用及組成
汽車懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的行駛平順性。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接，依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷，并依靠其變形來吸收能量，達(dá)到緩沖的目的。采用彈性聯(lián)接后，汽車可以看作是由懸掛質(zhì)量(即簧載質(zhì)量)、非懸掛質(zhì)量(即非簧載質(zhì)量)和彈簧(彈性元件)組成的振動(dòng)系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動(dòng)力及傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。為了迅速衰減不必要的振動(dòng)，懸架中還必須包括阻尼元件，即減振器。汽車懸掛盡管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。（如圖1）
圖1 汽車懸架組成示意圖
1. 彈性元件 2. 縱向推力桿 3. 減振器 4. 橫向穩(wěn)定器 5. 橫向推力桿
此外，懸架中確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩可靠傳遞并決定車輪相對(duì)于車架或車身的位移特性的連接裝置統(tǒng)稱為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定了車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輪定位參數(shù)的變化，以及汽車前后側(cè)傾中心及縱傾中心的位置，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性和抗縱傾能力。在有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。
2.1.2 對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的要求
汽車懸掛系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性都有較大的影響。所謂行駛平順性是指汽車在行駛過程中，保持駕駛員和乘員處于振動(dòng)環(huán)境中具有一定的舒適度，或保持所載物資完好的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性則包括兩方面的含義，一是汽車是否具有正確遵守駕駛員操縱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所給規(guī)定方向行駛的能力，即所謂的操縱性，二是汽車在外界條件，如地面不平、坡道、大風(fēng)等干擾下，能否保持原方向行駛的能力，即所謂的穩(wěn)定性。在懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能做到既能使行駛平順性，即乘坐舒適性，達(dá)到令人滿意的程度，又能使其操縱穩(wěn)定性，即行駛安全性，也達(dá)到最佳的狀態(tài)。然而，這兩個(gè)要求在懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中往往是矛盾的。
平順性和操縱穩(wěn)定性對(duì)汽車懸掛系統(tǒng)這一互為矛盾的要求，在傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾乎無法同時(shí)滿足。即使經(jīng)過慎重的權(quán)衡，通過最優(yōu)控制理論使懸掛系統(tǒng)在平順性和操縱穩(wěn)定性之間尋求一個(gè)折衷的方案，而這種最優(yōu)的折衷也只能是在特定的道路狀態(tài)和速度下達(dá)到。
為了克服傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)對(duì)其性能改善的限制，在現(xiàn)代汽車中采用和發(fā)展了新型的電子控制懸掛系統(tǒng)。電子控制懸掛系統(tǒng)可以根據(jù)不同的路面條件，不同的載重質(zhì)量，不同的行駛速度等來控制懸掛系統(tǒng)的剛度、調(diào)節(jié)減振器的阻尼力大小，甚至可以調(diào)整車身高度，從而使車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性在各種行駛條件下達(dá)到最佳的組合。
2.1.3 汽車傳統(tǒng)被動(dòng)懸架
被動(dòng)懸架即傳統(tǒng)式的懸架，是由彈簧、減振器、減振筒、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成，其中彈簧主要起減緩沖擊力的作用，減振器的主要作用是衰減振動(dòng)。由于這種懸架是由外力驅(qū)動(dòng)而起作用的，所以稱為從動(dòng)懸架。由于被動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是在滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷，對(duì)于不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的基礎(chǔ)上犧牲次要性能。被動(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)是成本低、有較高的可靠性。缺點(diǎn)是無法解決同時(shí)滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求。剛性較大的螺旋彈簧以使車輪保持著與路面接觸的傾向，提高輪胎的抓地能力。但是這樣的弊端是乘坐汽車時(shí)有較強(qiáng)烈的顛簸感覺。采用較軟的螺旋彈簧，以適應(yīng)崎嶇不平的路面，提高乘坐汽車時(shí)的平穩(wěn)性及舒適性。但是這樣的汽車操縱性較差。
2.2汽車電控懸架系統(tǒng)
2.2.1 汽車電控懸架系統(tǒng)的功能
汽車電控懸架系統(tǒng)能在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼力，既滿足平順性的要求又滿足操縱穩(wěn)定性的要求。
電控懸架系統(tǒng)的基本目的是控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，突破傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的局限性，使汽車的懸架特性與道路狀況和行駛狀態(tài)相適應(yīng)，從而保證汽車行駛的平順性和操縱的穩(wěn)定性要求都能得到滿足，其基本功能主要有三點(diǎn)：
1. 車高調(diào)整：無論車輛的負(fù)載多少，都可以保持汽車高度一定，車身保持水平，從而使前大燈光束方向保持不變；當(dāng)汽車在壞路面上行駛時(shí)，可以使車高升高，防止車橋與路面相碰，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，又可以使車高降低，以便減少空氣阻力，提高操縱穩(wěn)定性。
2. 減振器阻尼力控制：通過對(duì)減振器阻尼系數(shù)的調(diào)整，防止汽車急速起步或急加速時(shí)車尾下蹲，防止緊急制動(dòng)時(shí)的車頭下沉，防止汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)車身橫向搖動(dòng)，防止汽車換擋時(shí)車身縱向搖動(dòng)等，提高行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。
3. 彈簧剛度控制：與減振器一樣在各種工況下，通過對(duì)彈簧性系數(shù)的調(diào)整來改善汽車的乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性。
總結(jié)起來，電子控制懸架系統(tǒng)能根據(jù)不同的路面狀況、載重量、車速等控制懸架
系統(tǒng)的剛度和減振器的阻尼，調(diào)節(jié)車身高度以提高車輛的通過性。根據(jù)有無動(dòng)力源，可以將電子控制懸架分為兩大類：半主動(dòng)懸架及主動(dòng)懸架。
2.2.2 汽車半主動(dòng)懸架及其特點(diǎn)
半主動(dòng)懸架可以根據(jù)路面的激勵(lì)和車身的響應(yīng)對(duì)懸架的阻尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使車身的振動(dòng)被控制在某個(gè)范圍內(nèi)。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)無動(dòng)力源。因此，汽車在轉(zhuǎn)向、起步、制動(dòng)等工況時(shí)不能對(duì)剛度和阻尼進(jìn)行有效控制。半主動(dòng)懸架的特點(diǎn)是可看作由可變特性的彈簧和減振器組成的懸架系統(tǒng)，雖然它不能隨外界的輸入進(jìn)行最優(yōu)的控制和調(diào)節(jié)，但它可按存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的各種條件下最優(yōu)彈簧和減振器的優(yōu)化參數(shù)指令來調(diào)節(jié)彈簧的剛度和減振器的阻尼狀態(tài)。優(yōu)缺點(diǎn)介于被動(dòng)懸架與主動(dòng)懸掛之間。
2.2.3 汽車主動(dòng)懸架及其特點(diǎn)
主動(dòng)懸架是一種有源控制，可以根據(jù)汽車行駛條件的變化，主動(dòng)改變懸架的剛度和阻尼系數(shù)。在汽車行駛路面、速度變化以及在汽車起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等工況時(shí)，主動(dòng)懸架都可以進(jìn)行有效控制。此外，主動(dòng)懸架還可以根據(jù)車速的變化控制車身的高度。主動(dòng)懸架的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1. 懸掛剛度可以設(shè)計(jì)得很小，使車身具有較低的自然振動(dòng)頻率，以保證正常行駛時(shí)的乘坐舒適性。汽車轉(zhuǎn)向等情況下的車身側(cè)傾、制動(dòng)、加速等情況下的縱向擺動(dòng)等問題，由主動(dòng)懸掛系統(tǒng)通過調(diào)整有關(guān)車輪懸掛的剛度予以解決。而對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)，為同時(shí)兼顧到側(cè)傾、縱擺等問題，不得不把懸掛剛度設(shè)計(jì)得較大，因而正常行駛時(shí)汽車的乘坐舒適性受到損失。
2. 采用主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，因不必兼顧正常行駛時(shí)汽車的乘坐舒適性，可將汽車懸掛抗側(cè)傾、抗縱擺的剛度設(shè)計(jì)得較大，因而提高了汽車的操縱穩(wěn)定性，即汽車的行駛安全性得以提高。
3. 先進(jìn)的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，還能保證在車輪行駛中碰抵磚石之類的障礙物時(shí)，懸掛系統(tǒng)在瞬時(shí)將車輪提起，避開障礙行進(jìn)，因而汽車的通過性也得以提高。
4. 汽車載荷發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能自動(dòng)維持車身高度不變。在各輪懸掛單獨(dú)控制的情況下，還能保證汽車在凸凹不平的道路上行駛時(shí)車身穩(wěn)定。
5. 普通懸掛在汽車制動(dòng)時(shí)，車頭向下俯沖。而裝有某些主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的汽車，（如沃爾沃740型小轎車）卻不存在這種情況。制動(dòng)時(shí)，該車尾部下傾，因而可以充分利用后輪與地面間的附著條件，加速制動(dòng)過程，縮短制動(dòng)距離。
6. 裝有某些主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，車身不但不向外傾斜，反而向內(nèi)傾斜，從而有利于轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性。
7. 主動(dòng)懸掛可使車輪與地面保持良好接觸，即車輪跳離地面的傾向減小，保持與地面垂直，因而可提高車輪與地面間的附著力，使車輪與地面間相對(duì)滑動(dòng)的傾向減小，汽車抗側(cè)滑的能力得以提高。輪胎的磨損也得以減輕，轉(zhuǎn)向時(shí)車速可以提高。
8. 在所有載荷工況下，由于車身高度不變，保證了車輪可全行程跳動(dòng)。而傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)中，當(dāng)汽車載荷增大時(shí)，由于車身高度的下降，車輪跳動(dòng)行程減少，為不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，不得不把重載時(shí)的懸掛剛度設(shè)計(jì)得偏高，因而輕載時(shí)的平順性受到損失。而主動(dòng)懸掛系統(tǒng)則無此問題。
2.2.4 汽車電控懸架系統(tǒng)的基本工作原理
電子控制懸架系統(tǒng)由傳感器與開關(guān)、控制單元、執(zhí)行元件等電子器件組成。傳感器和開關(guān)將路面輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給控制單元ECU，控制單元ECU將傳感器輸入的電信號(hào)進(jìn)行分析處理后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件的機(jī)械動(dòng)作改變減振器的阻尼和彈簧的剛度。工作原理如圖2。
主動(dòng)懸架系統(tǒng)的基本工作原理是傳感器將采集的反映懸架振動(dòng)的信號(hào)傳給控制器，控制器控制主動(dòng)懸架的力發(fā)生器，產(chǎn)生控制力控制車身的振動(dòng)，從而大大提高了車輛的平順性等性能。
圖2 電控懸架系統(tǒng)基本工作原理
半主動(dòng)懸架系統(tǒng)基本工作原理是用可調(diào)彈簧或可調(diào)阻尼元件組成懸架，并根據(jù)懸架的振動(dòng)響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)車輛懸架系統(tǒng)的剛度或阻尼狀態(tài)，提高車輛的行駛平順性和安全性。
第3章 汽車懸架的結(jié)構(gòu)選型與分析
3.1 懸架的設(shè)計(jì)要求
懸架的主要功能是傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，并緩和汽車行駛過不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的行駛平順性。
在設(shè)計(jì)懸架時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面的要求：
(1)通過合理設(shè)計(jì)懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，即具有較低的振動(dòng)頻率、較小的振動(dòng)加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮或伸張行程極限點(diǎn)發(fā)生硬沖擊，同時(shí)還要保證輪胎具有足夠的接地能力；
(2)合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動(dòng)時(shí)車輪定位參數(shù)的變化不會(huì)過大，并且能滿足汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性的要求；
(3)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，否則可能引發(fā)轉(zhuǎn)向輪擺振；
(4)側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車制動(dòng)和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動(dòng)和加速時(shí)車身縱傾；
(5)懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是非懸掛部分的質(zhì)量要盡量?。?
(6)所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命；
(7)制造成本低；
(8)便于維修、保養(yǎng)。
3.2 懸架的結(jié)構(gòu)形式分析
3.2.1 懸架結(jié)構(gòu)形式的分類
懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，左、右車輪用一根整體軸連接，再經(jīng)過懸架與車架（或車身）連接；獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，左、右車輪通過各自的懸架與車架（或車身）連接。（圖3-1）
圖3-1 懸架的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖
a) 非獨(dú)立懸架 b)獨(dú)立懸架
以縱置鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)立懸架，其主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工作可靠。缺點(diǎn)是：由于整車布置上的限制，鋼板彈簧不可能有足夠的長度（特別是前懸架），使之剛度較大，所以汽車平順性較差；簧下質(zhì)量大；在不平路面上行駛時(shí)，左、右車輪相互影響，并使車軸（橋）和車身傾斜；當(dāng)兩側(cè)車輪不同步跳動(dòng)時(shí)，車輪會(huì)左、右搖擺使前輪容易產(chǎn)生敗陣；前輪跳動(dòng)時(shí)，懸架易于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉；當(dāng)汽車直線行駛在凹凸不平的路段上時(shí)，由于左右兩側(cè)車輪反向跳動(dòng)或只有一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)，不僅車輪外傾角有變化，還會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，離心力也會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；車軸（橋）上方要求有與彈簧行程相適應(yīng)的空間。這種懸架主要用在總質(zhì)量大些的商用車前、后懸架以及某些乘用車的后懸架上。
非獨(dú)立懸架主要用于貨車、大客車的前、后懸架以及某些轎車的后懸架。
獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)是：簧下質(zhì)量小；懸架占用的空間小；彈性元件只承受垂直力，所以可以用剛度小的彈簧，使車身振動(dòng)頻率降低，改善了汽車的行駛平順性；由于采用斷開式車軸，所以能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的位置高度，使整車的質(zhì)心高度下降，改善了汽車的行駛穩(wěn)定性；左、右車輪各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)互不影響，可減小車身的傾斜和振動(dòng)，同時(shí)在起伏的路面上能獲得良好的地面附著能力；
獨(dú)立懸架主要用于轎車和部分輕型貨車、客車及越野車 。
3.2.2 懸架的組成及各部件作用
懸架作為一個(gè)完整的系統(tǒng)主要包括四大部分：
(1) 彈性元件
作用是：避免道路沖擊力直接傳到車架、車身并緩和沖擊力。
用于懸架的彈性元件主要有：
a. 鋼板彈簧，大多用于非獨(dú)立懸架；
b. 螺旋彈簧，廣泛用于獨(dú)立懸架，特別是前輪獨(dú)立懸架，有些后輪非獨(dú)立懸架，必須加減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；
c. 扭桿彈簧，扭桿本身扭轉(zhuǎn)剛度是常數(shù)，但采用扭桿彈簧的懸架是變剛度的；
d. 氣體彈簧，變剛度彈簧，一般要導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；
e. 橡膠彈簧，多作懸架副簧和緩沖塊。
(2) 減振器
作用是：加速車架與車身振動(dòng)的衰減，改善汽車行駛的平順性。
用于懸架的減振器有以下幾種：
a. 油液式雙向作用筒式減振器，在壓縮和伸張兩行程內(nèi)部起減振作用；
b. 油液式單向作用筒式減振器，僅在伸張行程起減振作用；
c. 油氣充氣式減振器
d. 阻尼可調(diào)式減振器，當(dāng)懸架系統(tǒng)某一參數(shù)變化時(shí)，減振器阻力也隨之變化。
(3) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
作用是：作傳力機(jī)構(gòu)的同時(shí)，使車輪按照一定的軌跡相對(duì)于車架和車身跳動(dòng)，起導(dǎo)向作用。
(4) 橫向穩(wěn)定器
作用是：安裝于多數(shù)轎車和客車上，目的是為了防止汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，發(fā)生過大的橫向傾斜。
3.3懸架方案的選擇
本次設(shè)計(jì)采用麥弗遜式懸架。
麥克弗遜懸架是以福特汽車公司的工程師Earle S. McPherson的名字命名的。典型的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。麥弗遜懸架相對(duì)雙橫臂懸架而言，它不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減小了質(zhì)量，還節(jié)省了空間，降低了制造成本，并且?guī)缀醪徽加脵M向空間，有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置，這一點(diǎn)在用于緊湊型轎車的前懸架時(shí)，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。麥弗遜懸架的另外一些優(yōu)點(diǎn)包括：鉸接點(diǎn)的數(shù)目較少；上下鉸點(diǎn)與車輪接地點(diǎn)之間的距離較小，這對(duì)減小鉸點(diǎn)處的受力有利；彈簧行程較大、另外，當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，其輪距、前束及車輪外傾角等均改變不大，減輕了輪胎的磨損，也使汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。
圖3-2 麥克弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
麥弗遜懸架的缺點(diǎn)是：由于自由度減少，懸架運(yùn)動(dòng)特性的可設(shè)計(jì)性不如雙橫臂懸架；振動(dòng)通過上支承點(diǎn)傳遞給汽車頭部，需采取相應(yīng)措施隔離振動(dòng)、噪聲；減振器的活塞桿與導(dǎo)向套之間存在摩擦力，使得懸架的動(dòng)剛度增加，彈性特性變差，小位移時(shí)這一影響更加顯著；對(duì)輪胎的不平衡較敏感；減振器緊貼車輪布置，其間空間很小，有些情況下不便于采用寬胎或加裝防滑鏈。
縱置板簧式非獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)：由于鋼板彈簧本身可兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，并有一定的減振作用，使得懸架的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。因而在非獨(dú)立懸架中大多數(shù)采用鋼板彈簧作為彈性元件。結(jié)合本設(shè)計(jì)是研究輕型貨車，在后懸架的選擇時(shí)，對(duì)舒適性的要求不高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置，故后懸架采用縱置板簧式非獨(dú)立懸架。如圖3-3：
圖3-3 縱置鋼板彈簧非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
第4章 懸架的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1影響懸架平順性的參數(shù)確定
懸架設(shè)計(jì)的主要目的之一是確保汽車具有良好的行駛平順性。汽車行駛時(shí)振動(dòng)越劇烈，則平順性越差。
1．平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)
ISO2631規(guī)定，當(dāng)振動(dòng)波形峰值系數(shù)時(shí)，用加速度的加權(quán)均方根值來評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體舒適性和健康的影響。評(píng)價(jià)時(shí)采用人體坐姿受振模型，如圖4-1，不僅考慮座椅支撐面處輸入點(diǎn)3個(gè)方向的線振動(dòng)，還考慮該點(diǎn)3個(gè)方向的角振動(dòng)及座椅靠背和腳支撐面兩個(gè)輸入點(diǎn)各3個(gè)方向的線振動(dòng)，共3個(gè)輸入點(diǎn)12個(gè)軸向的振動(dòng)。對(duì)于每個(gè)軸向的振動(dòng)，其加權(quán)加速度均方根值可由下式得到：
（式4-1）
式中 ——振動(dòng)加速度功率譜密度函數(shù)，可由加速度時(shí)間歷程得到；
——考慮人體對(duì)不同頻率振動(dòng)的敏感程度不同而引入的頻率加權(quán)函數(shù)。
圖4-1 人體坐姿受振模型
考慮到不同輸入點(diǎn)、不同軸向的振動(dòng)對(duì)人體影響的差異，總的加權(quán)加速度均方根值可求出為：
（式4-2）
式中 ——用式4-1求出的各軸向振動(dòng)加速度均方根值；
——各軸向加權(quán)系數(shù)。
總的加權(quán)加速度均方根值與人體主觀感覺之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-1：
表4-1 加權(quán)加速度均方根值與人途主觀感覺之間的關(guān)系
加權(quán)加速度均方根值/
人體主觀感覺
<0.315
沒有不舒適
0.315~0.63
略有不舒適
0.5~1.0
有些不舒適
0.8~1.6
不舒適
1.25~2.5
很不舒適
>2.0
極不舒適
汽車的振動(dòng)輸出由道路激勵(lì)輸入和汽車對(duì)振動(dòng)的傳遞特性共同決定。路面不平度可以用道路功率譜表征，其中為空間頻率，是路面不平度波長的倒數(shù)。當(dāng)汽車以車速駛過給定的路面時(shí)，道路激勵(lì)的時(shí)間功率譜可表述為：
（式4-3）
式中 ——路面不平度系數(shù)，；
——時(shí)間頻率，。
大量的研究和實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)平順性影響最為顯著的三個(gè)懸架特性參數(shù)為：懸架的彈性特性、阻尼特性以及非懸掛質(zhì)量。
2．懸架的彈性特性和工作行程
對(duì)于大多數(shù)汽車而言，其懸掛質(zhì)量分配系數(shù)，因而可以近似地認(rèn)為，即前后橋上方車身部分的集中質(zhì)量的垂向振動(dòng)是相互獨(dú)立的，并用偏頻，表示各自的自由振動(dòng)頻率，偏頻越小，則汽車的平順性越好。一般對(duì)于采用鋼制彈簧的轎車，約為，約為非常接近人體步行時(shí)的自然頻率。載貨汽車的偏頻略高于轎車，前懸架約為，后懸架則可能超過。為了減小汽車的角振動(dòng)，一般汽車前、后懸架偏頻之比約為。具體的偏頻選取可參考表4-2：
表4-2 汽車懸架的偏頻、靜撓度和動(dòng)撓度
車型
滿載時(shí)偏頻
滿載時(shí)靜撓度
滿載時(shí)動(dòng)撓度
汽車
1.51~2.04
1.67~2.23
6~11
5~9
6~9
6~8
由上表選取汽車滿載時(shí)前后懸架的偏頻分別為：
， 所以，滿足要求。
當(dāng)時(shí)，汽車前、后橋上方車身部分的垂向振動(dòng)頻率，與其相應(yīng)的懸架剛度
以及懸掛質(zhì)量之間有如下關(guān)系：
（式4-4）
式中 ——重力加速度，；
——前、后懸架剛度，；
——前、后懸架簧載重力，。
為了求出前后懸架的垂直剛度，必須先求出前后懸架的簧載質(zhì)量。而可以通過滿載時(shí)前后輪的軸荷減去前后非簧載質(zhì)量得到。即：
（式4-5）
為了獲得良好的平順性和操縱性，非簧載質(zhì)量應(yīng)盡量小些。根據(jù)同類車型類比，取前懸架的非簧載質(zhì)量為50kg，后懸架的非簧載質(zhì)量為100kg。
將數(shù)據(jù)代入式4-5得出：
；
。
將計(jì)算所得的代入式4-4，得到：
前、后懸架的剛度分別為：
；
。
由于懸架的靜撓度，因而式4-4又可表達(dá)為：
（式4-6）
式中，的單位為。
所以，由式4-6求出前、后懸架的靜撓度分別為： 。
懸架的動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形（通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的）時(shí)，車輪中心相對(duì)車架（或車身）的垂直位移。為了防止汽車行駛過程中頻繁撞擊限位塊，應(yīng)當(dāng)有足夠的動(dòng)撓度，選取汽車前后懸架的動(dòng)撓度等于靜撓度，即： 。
此時(shí)懸架總的工作行程即靜撓度和動(dòng)撓度之和等于：
3．懸架的阻尼特性
當(dāng)汽車懸架僅有彈性元件而無摩擦或減振裝置時(shí)，汽車懸掛質(zhì)量的振動(dòng)將會(huì)延續(xù)很長的時(shí)間，因此，懸架中一定要有減振的阻尼力。對(duì)于選定的懸架剛度，只有恰當(dāng)?shù)剡x擇阻尼力才能充分發(fā)揮懸架的緩沖減振作用。
對(duì)于一個(gè)帶有線性阻尼減振器的懸架系統(tǒng)或彈簧—質(zhì)量—阻尼系統(tǒng)，可用相對(duì)阻尼比來評(píng)價(jià)阻尼的大小或振動(dòng)衰減的快慢程度。
相對(duì)阻尼比可表達(dá)為：
（式4-7）
式中 ——彈簧剛度；
——懸掛部分的質(zhì)量。
上式表明，減振器的阻尼作用除與其阻尼系數(shù)有關(guān)外，也與懸架的剛度及懸掛質(zhì)量有關(guān)。不同剛度和不同質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。為了獲得良好的平順性，典型的相對(duì)阻尼比如表4-3：
表4-3 汽車懸架的偏頻及相對(duì)阻尼比
空氣彈簧
鋼制彈簧
轎車
載貨汽車
轎車
載貨汽車
前懸架
后懸架
前懸架
后懸架
前懸架
后懸架
前懸架
后懸架
偏頻
0.5
0.8
0.8
1.2
1.0
1.2
1.3
1.5
0.8
0.6
0.8
0.6
0.4
0.2
0.4
0.3
4.2懸架螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
1．懸架靜、動(dòng)撓度和螺旋彈簧靜、動(dòng)撓度的關(guān)系
麥弗遜懸架在振動(dòng)時(shí)，由于彈簧與車體并不垂直，所以懸架的靜撓度并不等于螺旋彈簧的靜撓度?？梢酝ㄟ^振動(dòng)時(shí)螺旋彈簧位置的改變來尋找?guī)缀侮P(guān)系根據(jù)已知的懸架靜撓度來求出螺旋彈簧的靜撓度，如圖4-8所示：
圖中 ——前懸架的靜撓度，已知；
——螺旋彈簧的靜撓度。
由圖中的幾何關(guān)系可以得到下式：
解三角形ABC：
圖4-8 懸架振動(dòng)示意圖
同理，可以求出螺旋彈簧的動(dòng)撓度為：。
2．螺旋彈簧基本參數(shù)的選擇
(1) 彈簧中徑D和鋼絲直徑d
初步取 =120mm =18mm。
(2) 工作圈數(shù)可按下式求得：
式(4-14)
式中 ——彈簧材料的剪切彈性模量，取；
——螺旋彈簧剛度。
對(duì)于螺旋彈簧的剛度可以由螺旋彈簧的靜撓度反求出，因?yàn)椋鶕?jù)式4-6得出螺旋彈簧的偏頻為，根據(jù)式4-4式求出螺旋彈簧剛度為。
代入式4-14求出工作圈數(shù)為：
所以取工作圈數(shù)為：圈。
(3) 彈簧的剛度、動(dòng)靜撓度
由上面的分析，已知了彈簧的剛度為，彈簧的動(dòng)、靜撓度為：。
3．螺旋彈簧端部形狀和材料的選擇
首先，采用彈性特性為線性的等節(jié)距螺旋彈簧，由于鋼絲直徑=18mm>10mm，所以在熱處理工藝上需要成形后淬火并回火，即熱成形彈簧。在端部形狀的選擇上采取兩端碾細(xì)的端部結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)節(jié)約材料，占用垂向空間小，特別是由于兩端都平整，安裝時(shí)可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，因而設(shè)計(jì)時(shí)彈簧的圈數(shù)可以去任意值，不必限于整數(shù)。
螺旋彈簧材料的選擇可參考下表4-4:
表4-4 部分彈簧鋼種在汽車上的應(yīng)用
彈簧鋼種
應(yīng)用
65、70 、85
汽車板簧、圓形螺旋彈簧、<12mm 的小型彈簧
55Si2Mn 55SiMnB
用作<25mm 汽車板簧、螺旋彈簧、氣缸閥簧
55SiMnVB
汽車板簧、螺旋彈簧、氣缸閥簧
60SiMn 60SiMnA
汽車板簧、螺旋彈簧、氣缸閥簧
55CrMnA 60CrMnA
<50mm 的螺旋彈簧和鋼板彈簧
50CrVA 60Si2CrVA
閥門彈簧、活塞彈簧、安全閥彈簧
這里選用彈簧的材料為：60CrMnA。
4．螺旋彈簧強(qiáng)度校核
螺旋彈簧的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力可以表示為：
式(4-15)
動(dòng)載荷下的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力表示為：
式(4-15)
將已知數(shù)據(jù)代入上式，其中動(dòng)、靜撓度: ,剪切彈性模量：，螺旋彈簧中徑：，鋼絲直徑：，工作圈數(shù)為：圈。
所以， 。
選取彈簧許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)型式和工作特點(diǎn)來確定，一般推薦滿載需用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為，彈簧最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在范圍內(nèi)?？梢娺@里計(jì)算所得的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，故強(qiáng)度可靠。
4.3 獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.3.1 設(shè)計(jì)要求
獨(dú)立懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承擔(dān)著懸架中除垂向力之外的所有作用力和力矩，并且決定了懸架跳動(dòng)時(shí)車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輪定位角的變化。因此，在設(shè)計(jì)獨(dú)立懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)使其滿足以下要求：
(1) 形成恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和側(cè)傾軸線；
(2) 形成恰當(dāng)?shù)目v傾中心；
(3) 各鉸鏈點(diǎn)處受力盡量小，減小橡膠元件的彈性變形，以保證導(dǎo)向精確；
(4) 保證車輪定位參數(shù)及其隨車輪跳動(dòng)的變化能滿足要求；
(5) 具有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命。
4.3.2 麥弗遜懸架受力情況與螺旋彈簧斜置
分析如圖4-21所示的麥弗遜獨(dú)立懸架受力簡(jiǎn)圖可知：作用在導(dǎo)向套上的橫向力，可根據(jù)圖上的布置尺寸求得，
式(4-34)
式中 ——單側(cè)前輪簧載質(zhì)量；
橫向力越大，則作用在導(dǎo)向套上的摩擦力越大（為摩擦因數(shù)），這對(duì)汽車平順性有不良的影響。為了減小摩擦力，在導(dǎo)向套和活塞表面應(yīng)用了減磨材料和特殊工藝。由式(4-34)可知，為了減小，要求尺寸越大越好，或者減小尺寸。增大前者會(huì)使懸架占用的空間增加，在布置上產(chǎn)生困難；若采用增加減振器軸線傾斜度的方法，可達(dá)到減小的目的，但也存在布置困難的問題。為此，在保持減振器軸線不變的條件下，常將圖中的點(diǎn)外伸至車輪內(nèi)部，既可以達(dá)到縮短尺寸的目的，又可獲得較小的甚至是負(fù)的主銷偏移距，提高制動(dòng)穩(wěn)定性。移動(dòng)點(diǎn)后的主銷軸線不再與減振器軸線重合。
圖4-21 麥弗遜式獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖
由圖4-21可知，將彈簧和減振器的軸線相互便宜距離，再考慮到彈簧軸向力的影響，則作用到導(dǎo)向套上的力將減小，即：
式(4-35)
由式(4-35)可知，增加距離，有助于減小作用到導(dǎo)向套上的橫向力。
所以，為了發(fā)揮彈簧反力減小橫向力的作用，可以把彈簧斜置，即將彈簧的下端布置得盡量靠近車輪，從而造成彈簧軸線及減振器軸線成一個(gè)角度。在本次設(shè)計(jì)中，將該彈簧的斜置角度（即彈簧中心線與減振器中心線的夾角）取為7°。
4.3.3 橫臂軸的選型與布置
1．導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫臂軸的選型
麥弗遜懸架的下控制臂主要有兩種形式：A形臂和L形臂，L形臂如圖4-22所示，由于L形臂可以使汽車縱向接近于“0偏移”，所以該設(shè)計(jì)中選用當(dāng)前流行的L形下控制臂。
L形控制臂的球銷和控制臂前部連接襯套的中心在，即在汽車縱軸線上坐標(biāo)相同。從車輪傳遞到球銷的側(cè)向力通過L 形下控制臂前襯套直接傳遞到副車架(后連接襯套的影響很小)，這樣只需要通過設(shè)定前襯套的剛度來調(diào)節(jié)汽車的側(cè)向剛度。
圖4-22 縱向“0偏移”L型下控制臂
1—下控制臂球鉸 2—下控制臂前連接襯套 3—控制臂后連接襯套
在汽車通過有凹坑的路面引起在車輪接地點(diǎn)產(chǎn)生縱向力時(shí)，此縱向力繞下控制臂球銷和前襯套的軸線形成縱向力矩，通過設(shè)定L 形下控制臂后襯套的剛度來控制該力矩，緩和路面帶來的沖擊使車輪產(chǎn)生縱向柔性。可見L 型下控制臂的設(shè)計(jì)，使汽車在側(cè)向和縱向的受力分別通過前、后襯套進(jìn)行控制,使需要的側(cè)向剛度獨(dú)立于縱向柔性，使側(cè)向力和縱向力同時(shí)作用時(shí)相互間不發(fā)生耦合，避免了懸架臂共振的發(fā)生，從而提高了汽車行駛的平順性。另外，L 形控制臂的前后連接襯套剛度一般都設(shè)定為前硬后軟，這有助于在轉(zhuǎn)向時(shí)受到側(cè)向力時(shí)前輪形成負(fù)前束，增加不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，有利于提高汽車行駛的穩(wěn)定性。
2． 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫臂軸的布置方式
(1) 側(cè)傾中心對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫臂軸的布置方式的影響
前面介紹了側(cè)傾中心的高度為65cm。側(cè)傾高度的確定會(huì)影響懸架操縱穩(wěn)定性。同樣知道了側(cè)傾中心的高度會(huì)影響到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中橫臂軸的布置方式，如圖4-23所示，
圖4-23 麥弗遜式獨(dú)立懸架側(cè)傾中心的確定
根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可以得到麥弗遜懸架的側(cè)傾中心高度為：
式(4-35)
式中
已知，主銷內(nèi)傾角為，輪距，側(cè)傾中心高度為，初選主銷拖矩為，EG長度為， 。未知數(shù)有三個(gè)，代入數(shù)據(jù)，解上面三個(gè)方程組，解出分別為：
，，。
(2) 縱傾中心對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫臂軸的布置方式的影響
前面提到了麥弗遜懸架的縱傾中心需要根據(jù)減振器的上點(diǎn)和橫擺臂的方向和離地位置確定，見圖4-24，
圖4-24 麥弗遜式獨(dú)立懸架縱向回轉(zhuǎn)中心示意圖
設(shè)從前輪接地點(diǎn)到C點(diǎn)的直線與水平軸線形成的角為(圖4-24)。在汽車制動(dòng)時(shí)，分配在前輪上的制動(dòng)力繞懸架臂的回轉(zhuǎn)中心C點(diǎn)在前輪接地點(diǎn)形成一個(gè)方向向上、大小為的分力，這個(gè)力與車身前傾的力相反，是前輪的抗前傾力。顯然，角越大，這個(gè)抗前傾力越大，即角的大小表征著懸架抗汽車前傾能力的強(qiáng)弱。因此，為加強(qiáng)防前傾效果，在懸架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使角盡可能的大，加大角可采用兩種方法：一是使減振支柱后傾；二是加大下控制臂搖動(dòng)軸DE的側(cè)視圖傾斜角。由于減振支柱后傾會(huì)增大主銷后傾角，而主銷后傾角一般都是設(shè)定好的（本設(shè)計(jì)中的主銷后傾角為5.5°），所以現(xiàn)在麥?zhǔn)角皯壹芟驴刂票鄣膬蓚€(gè)安裝點(diǎn)從以前的垂直方向等高布置變成前低后高，有效地防止制動(dòng)時(shí)發(fā)生的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象。由于受到副車架安裝位置和懸架其它設(shè)計(jì)因素的影響，角能調(diào)節(jié)的幅度有限，但適當(dāng)提高后連接點(diǎn)E點(diǎn)的高度就可以有效地提高汽車的抗前傾能力。現(xiàn)在一般用抗點(diǎn)頭率(抗前傾力和由于慣性力作用使車身前部下沉的力的比值) 來表征汽車的抗前傾能力的大小，與安裝D、E點(diǎn)等高的下控制臂轎車相比，鉸接點(diǎn)E的安裝位置提高了約10mm的轎車抗點(diǎn)頭率高了近一倍。
4.4 減振器的設(shè)計(jì)
汽車車身和車輪振動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。減振器分為單向作用式和雙向作用式，本次設(shè)計(jì)采用雙向作用式筒式液體減振器。懸架麥弗遜懸架的減振器如下圖所示：
圖4-26 麥弗遜式懸架的減振器安裝示意圖
4.4.1 減振器相對(duì)阻尼系數(shù)
在減振器卸荷閥打開之前，其中的阻力與減振器振動(dòng)速度之間的關(guān)系為：
（式4-36）
式中，為減振器阻尼系數(shù)。
汽車懸架有阻尼以后，簧上質(zhì)量的振動(dòng)是周期衰減振動(dòng)，用相對(duì)阻尼系數(shù)的大小來評(píng)定振動(dòng)衰減的快慢程度。的表達(dá)式為：
（式4-37）
式中，為懸架系統(tǒng)的垂直剛度；為簧上質(zhì)量。
相對(duì)阻尼系數(shù)的選擇原則：
在選擇值時(shí)，應(yīng)該考慮到值取得大能使振動(dòng)迅速衰減，但會(huì)把較大的不平路面的沖擊力傳到車身；值取得過小，振動(dòng)衰減慢，不利于行駛平順性。為了使減振器阻尼效果好，又不傳遞大的沖擊力，常把壓縮形成的相對(duì)阻尼系數(shù)選得小于伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)。
一般減振器的和之間有下列關(guān)系，即，當(dāng)=0時(shí)，即減振器壓縮時(shí)無阻尼，只有在伸張行程由阻尼作用，具有這種特性的減振器稱為單向作用減振器。
對(duì)于不同懸架結(jié)構(gòu)型式及不同的使用條件，滿足平順性要求的相對(duì)阻尼系數(shù)的大小應(yīng)有所不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，往往先選取壓縮行程和伸張行程相對(duì)阻尼系數(shù)的平均值對(duì)于無內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取。在這里選擇相對(duì)阻尼系數(shù)=0.3
4.4.2 減振器阻尼系數(shù)的確定
懸架中的減振器阻尼系數(shù)，式（4-38）：
（式4-38）
式中，，
有上面導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可知，減震器安裝在懸架中與垂直線之間的夾角為，故。
在此，由于下擺臂的，所以，，，。
其中，懸架系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率為：
所以，懸架減振器的阻尼系數(shù)為：。
4.4.3 最大卸荷力的確定
為減少傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器即打開卸荷閥。此時(shí)的活塞速度成為卸荷速度，
（式4-39）
式中，為卸荷速度，一般為0.15~0.30m/s；A為車身振幅，取；為懸架振動(dòng)固有頻率。
如已知伸張行程的阻尼系數(shù)，在伸張行程的最大卸荷力。
懸架的減振器最大卸荷力
懸架需要考慮到駕乘人員的乘坐舒適性，對(duì)車身的振幅可以取小些，取A=25，，。
所以卸荷速度為： ，
由前面已知，懸架的=0.3，若取，則，得到：，
故伸張行程的阻尼系數(shù)為： ，
所以最大卸荷力為：。
4.4.4 筒式減振器工作缸直徑的確定
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑為：
（式4-40）
式中，——工作缸最大允許壓力，取3~4MPa；
——連桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒式減振器取，單筒式減振器取；
根據(jù)QC/T491—1999《汽車筒式減振器 尺寸系列及技術(shù)條件》，減振器的工作缸徑有20mm、30mm、40mm、（45mm）、50mm、65mm等幾種。
(1) 懸架的減振器工作缸直徑計(jì)算
懸架減振器，選取工作缸最大壓力為，取為，并已知最大卸荷力為。
將上述數(shù)據(jù)代入式4-40中，。
所以，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，選取懸架減振器的工作缸直徑為。
(2) 懸架的減振器貯油筒直徑計(jì)算
貯油筒直徑，壁厚取為2mm，材料可選20鋼。
在這里，選取貯油筒直徑為：。
4.5 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)
為了降低汽車的固有振動(dòng)頻率以改善行駛平順性，現(xiàn)代轎車懸架的垂直剛度值都較小，從而使汽車的側(cè)傾角剛度值也很小，結(jié)果使汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾嚴(yán)重，影響了汽車的行駛穩(wěn)定性。為此，現(xiàn)代汽車大多都裝有橫向穩(wěn)定桿來加大懸架側(cè)傾角剛度以改善汽車的行駛穩(wěn)定性。
本次設(shè)計(jì)中在懸架中加上橫向穩(wěn)定桿來增大側(cè)傾角剛度提高前懸抗側(cè)傾能力。
橫向穩(wěn)定桿（如圖4-27）的角剛度用下式計(jì)算：
（式4-41）
式中 E——材料的彈性模量；
I——穩(wěn)定桿的截面慣性矩；
d——穩(wěn)定桿的直徑。
圖4-27 橫向穩(wěn)定桿計(jì)算簡(jiǎn)圖
當(dāng)穩(wěn)定桿角剛度給定時(shí)，可求得所需要的的穩(wěn)定桿直徑d為：
（式4-42）
結(jié)論
本設(shè)計(jì)根據(jù)查找資料自定參數(shù)，對(duì)汽車的懸架進(jìn)行了分析。
本文的主要工作可以歸納如下幾點(diǎn)：
(1)研究了磁性液體的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)其原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并將此技術(shù)應(yīng)用與汽車懸架上。并設(shè)計(jì)了一款汽車懸架。
(2)選擇懸架，首先分析獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架的優(yōu)缺點(diǎn)，為設(shè)計(jì)的懸架選擇結(jié)構(gòu)方案。本設(shè)計(jì)懸架采用麥弗遜獨(dú)立懸架。
(3)為懸架選擇基本參數(shù)，包括影響整車平順性參數(shù)，如偏頻、相對(duì)阻尼比和非簧載質(zhì)量。根據(jù)所選擇的參數(shù)，對(duì)懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，包括彈性元件的設(shè)計(jì)計(jì)算，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（麥弗遜獨(dú)立懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)），減振器的設(shè)計(jì)計(jì)算以及橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)計(jì)算。
本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：磁性液體電控懸架配以納米磁性液體可調(diào)阻尼減振器，并以8098單片機(jī)為主控制器件，使用加速度傳感器