汽車液壓懸架的研究與設(shè)計(jì)

陳紅達(dá)

摘 要： 懸架是汽車的車架與車橋或車輪之間一切傳力連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，衰減由此引起的震動(dòng)，以保證汽車能平順地行駛。本文的研究涉及汽車懸架，尤其涉及一種汽車液壓懸架裝置。

關(guān)鍵詞： 穩(wěn)定 懸架 液壓 汽車 可靠性

一、引言

懸架裝置是評(píng)價(jià)汽車性能的一個(gè)重要標(biāo)志，是汽車中的一個(gè)重要組成部分，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，影響到汽車的多種使用性能[1]。各大廠家為了提高汽車產(chǎn)品的舒適度與可靠性，增強(qiáng)汽車產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，紛紛加大在懸架設(shè)計(jì)上的投入。現(xiàn)有的單囊式空氣懸架裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，難以保障汽車行駛的舒適性和安全性，不能滿足現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的需要。通過對(duì)懸架系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的研究，側(cè)重于容易故障部件的分析再設(shè)計(jì)，可以減少懸架系統(tǒng)的失效概率與性能，在設(shè)計(jì)中降低投入成本，提高用戶的滿意度[2]，[3]。

二、汽車懸架的發(fā)展

舒適的生活是人類永遠(yuǎn)的追求，所以，早在人類使用馬車的時(shí)候，懸架系統(tǒng)就已經(jīng)出現(xiàn)了。在當(dāng)時(shí)，人們?yōu)榱顺俗邮孢m，開始了最初的對(duì)懸架的探索。最先被使用在馬車上的就是葉片彈簧，通過多葉片彈簧孜孜不倦的探索，在1776年，馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到20世紀(jì)30年代，甚至直到現(xiàn)在，相當(dāng)一部分簡(jiǎn)易的小貨車所使用的彈簧依然是葉片彈簧，由此可見葉片彈簧的成功之處。當(dāng)汽車出現(xiàn)之后，對(duì)于乘坐的舒適性有了更高要求，慢慢地就出現(xiàn)了螺旋彈簧，隨著需求的提高，人們懸架探索的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性件，1934年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)由螺旋彈簧組成的被動(dòng)懸架[4]，被動(dòng)懸架的模型如圖1（a）所示。

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于乘車舒適度的要求也開始提高，設(shè)計(jì)者們開始通過改變懸架的阻尼提高懸架的性能，一般很少有設(shè)計(jì)者改變懸架的剛度，半主動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)由此開始興起。半主動(dòng)懸架的模型如圖1（b）所示，工作原理是：根據(jù)彈簧反饋的質(zhì)量和對(duì)于汽車速度與加速的對(duì)比，利用控制系統(tǒng)對(duì)懸架的阻尼做出改變以適應(yīng)路況車況的改變，半主動(dòng)懸架產(chǎn)生力的方式與被動(dòng)懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，這和主動(dòng)懸架極為相似。無級(jí)式半主動(dòng)懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對(duì)懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作時(shí)不需要消耗車輛的動(dòng)力，而且可取得與主動(dòng)懸架相近的性能，具有很好的發(fā)展前景[5]。

隨著科技水平的發(fā)展，汽車車速有了很大提高，為此，人們開發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架的模型如圖1（c）所示。它在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車懸架在任何路面上保持最佳運(yùn)行狀態(tài)?？刂蒲b置通常由測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等組成。裝置主動(dòng)懸架的汽車，即使在不良路面高速行駛時(shí)，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)車身保持水平。特點(diǎn)是乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，成本昂貴，可靠性存在問題[6]。

三、懸架性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

懸架性能是影響汽車行駛平穩(wěn)性、穩(wěn)定性與安全性的重要因素，在設(shè)計(jì)懸架的時(shí)候，對(duì)各個(gè)方面都有嚴(yán)格的要求。懸架系統(tǒng)主要有彈性元件、阻尼元件、導(dǎo)向元件三個(gè)部分組成，對(duì)于懸架的研究主要集中于懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)上，對(duì)于懸架性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)也主要集中于這幾個(gè)方面。

就懸架動(dòng)力學(xué)而言，它主要研究的內(nèi)容是懸架彈性元件和阻尼元件將車輪與路面振動(dòng)向車身傳遞的特性，因此對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，就是對(duì)將震動(dòng)傳遞給車身的性能指標(biāo)，總的來講，要包括反映彈性元件剛度特性的參數(shù)、反映阻尼元件阻尼特性的參數(shù)[7]。

就懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)或彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)而言，它主要研究在車輪與車身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)和約束作用及其對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響，因此對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)也應(yīng)該是以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行的。這些指標(biāo)主要是指反映車輪定位的參數(shù)、影響懸架產(chǎn)生順從轉(zhuǎn)向的參數(shù)、反映車身產(chǎn)生縱傾和側(cè)傾的參數(shù)、反映輪胎回正性和轉(zhuǎn)向輕便性的參數(shù)、影響輪胎磨損的輪距和軸距變化等參數(shù)[8]。

四、懸架的設(shè)計(jì)

液壓懸架的設(shè)計(jì)主要是為了技提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的方法，制造舒適性和安全可靠性滿足社會(huì)需求的汽車液壓懸架裝置。

為了達(dá)到這一目的，本文中對(duì)懸架的設(shè)計(jì)當(dāng)中采用的技術(shù)方案是，一種汽車液壓懸架裝置，包括減震器和液壓缸，液壓缸包括缸體、活塞桿、液壓缸缸體固定裝置、液壓缸活塞桿固定裝置，減震器包括支撐桿、固定支撐臺(tái)、上方滑動(dòng)支撐臺(tái)、下方滑動(dòng)支撐臺(tái)、硬質(zhì)彈簧、軟質(zhì)彈簧、滑塊、橡膠墊片、橡膠減震環(huán)，固定支撐臺(tái)上安放硬質(zhì)彈簧，硬質(zhì)彈簧與上面的滑塊連接，下方滑動(dòng)支撐臺(tái)安放在滑塊上方的橡膠減震環(huán)上并且通過液壓缸缸體固定裝置與液壓缸體連接，下方滑動(dòng)支撐臺(tái)上面安放軟質(zhì)彈簧，軟質(zhì)彈簧上面安放橡膠墊片并且與上方滑動(dòng)支撐臺(tái)連接，上方滑動(dòng)支撐臺(tái)通過液壓缸活塞桿固定裝置與液壓缸的活塞桿連接，支撐桿依次穿過固定支撐臺(tái)、硬質(zhì)彈簧、滑塊、橡膠減震環(huán)、下方滑動(dòng)支撐臺(tái)、軟質(zhì)彈簧、橡膠墊片、上方滑動(dòng)支撐臺(tái)。

汽車液壓懸架裝置，固定支撐臺(tái)焊接固定在支撐桿上?；瑝K的內(nèi)徑大于支撐桿直徑以便于支撐桿穿過，最大外徑大于硬質(zhì)彈簧的最大直徑以便于承受彈簧的力。下方滑動(dòng)支撐臺(tái)中間有一圓形孔，孔的直徑小于滑塊的最大外徑并且大于滑塊的最小外徑，以便于下方滑動(dòng)支撐臺(tái)在滑塊上滑動(dòng)。上方滑動(dòng)支撐臺(tái)中間有一圓形孔，孔的直徑大于支撐桿直徑以便于在支撐桿上滑動(dòng)。硬質(zhì)彈簧的選用長(zhǎng)度為軟質(zhì)彈簧選用長(zhǎng)度的1.5倍。橡膠減震環(huán)固定在滑塊上。

本文中設(shè)計(jì)的新型汽車液壓懸架裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與路況檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合可以有效地提高汽車行駛的舒適性和安全性。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可以調(diào)整汽車的舒適度，可以在平穩(wěn)路面上將液壓缸的活塞桿伸出，此時(shí)使用硬質(zhì)彈簧受力，保證了汽車強(qiáng)勁的穩(wěn)定性能，在顛簸路況將活塞桿收回，則軟質(zhì)彈簧和硬質(zhì)彈簧共同受力，軟質(zhì)彈簧受力時(shí)，保證了汽車足夠的舒適性能，滿足了不同情況下的不同需求。

五、結(jié)語

隨著電動(dòng)器件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，懸架的發(fā)展將逐漸向著半主動(dòng)、主動(dòng)的方向發(fā)展，使懸架變得更加智能，智能懸架以其超強(qiáng)的平穩(wěn)性和可靠性更能適應(yīng)汽車高速行駛對(duì)穩(wěn)定性的要求及人們對(duì)車輛乘坐舒適性的要求。在車輛高速行駛的時(shí)候，智能懸架具有平緩柔軟的乘坐平順性，能夠大幅度減少加速和轉(zhuǎn)向操縱時(shí)車輛姿態(tài)的變化，并且維持平緩的姿態(tài)，可對(duì)相應(yīng)路面和車速進(jìn)行最佳車高控制，隨著工況的變化自行調(diào)節(jié)懸架參數(shù)，使車輛的減振緩沖達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)[9]?？傊?，良好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性成為當(dāng)前車輛懸架系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，但是液壓懸架作為現(xiàn)在汽車市場(chǎng)的主流，以其便宜的價(jià)格及成熟的設(shè)計(jì)在懸架市場(chǎng)上面依然有其不可動(dòng)搖的地位。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2003：205-209.

[2]錢文學(xué)，謝里陽，尹曉偉.載荷相關(guān)多薄弱部位零部件可靠度建模與分析.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010（6）：182-187.

[3]林弋輝.車輛半主動(dòng)懸架的控制策略及仿真[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（23）：132-134.

[4]王慧文，孫曉娟，張偉.汽車懸架控制技術(shù)的發(fā)展[J].森林工程，1998，14（1）：29-30.

[5]孫建民，孫風(fēng)英.汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展及控制技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，15（1）：57-60.

[6]梁新成，黃志剛，朱亭，穆以東.汽車懸架的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），第24卷第2期.

[7]胡海巖，孟慶國(guó)，等.動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制學(xué)科未來的發(fā)展趨勢(shì)[J].力學(xué)進(jìn)展，2002（3）.

[8]張廟康，胡海巖.車輛懸架振動(dòng)控制系統(tǒng)研究的進(jìn)展[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，1997（3）.

[9]王榮本，李兵，施樹明，李斌.世界智能車輛研究概述[J].公路交通科技，1998（3）.