汽车液压悬架的研究与设计

陈红达

摘 要： 悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。本文的研究涉及汽车悬架，尤其涉及一种汽车液压悬架装置。

关键词： 稳定 悬架 液压 汽车 可靠性

一、引言

悬架装置是评价汽车性能的一个重要标志，是汽车中的一个重要组成部分，它把车架与车轮弹性地联系起来，影响到汽车的多种使用性能[1]。各大厂家为了提高汽车产品的舒适度与可靠性，增强汽车产品在市场上的竞争力，纷纷加大在悬架设计上的投入。现有的单囊式空气悬架装置，结构复杂、功能单一，难以保障汽车行驶的舒适性和安全性，不能满足现代汽车技术发展的需要。通过对悬架系统中关键部件的研究，侧重于容易故障部件的分析再设计，可以减少悬架系统的失效概率与性能，在设计中降低投入成本，提高用户的满意度[2]，[3]。

二、汽车悬架的发展

舒适的生活是人类永远的追求，所以，早在人类使用马车的时候，悬架系统就已经出现了。在当时，人们为了乘坐更加舒适，开始了最初的对悬架的探索。最先被使用在马车上的就是叶片弹簧，通过多叶片弹簧孜孜不倦的探索，在1776年，马车用的叶片弹簧取得了专利，并且一直使用到20世纪30年代，甚至直到现在，相当一部分简易的小货车所使用的弹簧依然是叶片弹簧，由此可见叶片弹簧的成功之处。当汽车出现之后，对于乘坐的舒适性有了更高要求，慢慢地就出现了螺旋弹簧，随着需求的提高，人们悬架探索的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件，1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架[4]，被动悬架的模型如图1（a）所示。

随着人们生活水平的提高，人们对于乘车舒适度的要求也开始提高，设计者们开始通过改变悬架的阻尼提高悬架的性能，一般很少有设计者改变悬架的刚度，半主动悬架的设计由此开始兴起。半主动悬架的模型如图1（b）所示，工作原理是：根据弹簧反馈的质量和对于汽车速度与加速的对比，利用控制系统对悬架的阻尼做出改变以适应路况车况的改变，半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调节，这和主动悬架极为相似。无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节，由于半主动悬架结构简单，工作时不需要消耗车辆的动力，而且可取得与主动悬架相近的性能，具有很好的发展前景[5]。

随着科技水平的发展，汽车车速有了很大提高，为此，人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的模型如图1（c）所示。它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车悬架在任何路面上保持最佳运行状态。控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。装置主动悬架的汽车，即使在不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平。特点是乘坐非常舒服，但结构复杂、能耗高，成本昂贵，可靠性存在问题[6]。

三、悬架性能评价指标

悬架性能是影响汽车行驶平稳性、稳定性与安全性的重要因素，在设计悬架的时候，对各个方面都有严格的要求。悬架系统主要有弹性元件、阻尼元件、导向元件三个部分组成，对于悬架的研究主要集中于悬架系统动力学和悬架系统运动学与弹性运动学上，对于悬架性能指标的评价也主要集中于这几个方面。

就悬架动力学而言，它主要研究的内容是悬架弹性元件和阻尼元件将车轮与路面振动向车身传递的特性，因此对悬架运动学特性的评价指标，就是对将震动传递给车身的性能指标，总的来讲，要包括反映弹性元件刚度特性的参数、反映阻尼元件阻尼特性的参数[7]。

就悬架运动学或弹性运动学而言，它主要研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架的导向机构对这种相对运动的引导和约束作用及其对汽车操纵稳定性的影响，因此对悬架运动学的评价指标也应该是以此为出发点进行的。这些指标主要是指反映车轮定位的参数、影响悬架产生顺从转向的参数、反映车身产生纵倾和侧倾的参数、反映轮胎回正性和转向轻便性的参数、影响轮胎磨损的轮距和轴距变化等参数[8]。

四、悬架的设计

液压悬架的设计主要是为了技提供一种结构简单的方法，制造舒适性和安全可靠性满足社会需求的汽车液压悬架装置。

为了达到这一目的，本文中对悬架的设计当中采用的技术方案是，一种汽车液压悬架装置，包括减震器和液压缸，液压缸包括缸体、活塞杆、液压缸缸体固定装置、液压缸活塞杆固定装置，减震器包括支撑杆、固定支撑台、上方滑动支撑台、下方滑动支撑台、硬质弹簧、软质弹簧、滑块、橡胶垫片、橡胶减震环，固定支撑台上安放硬质弹簧，硬质弹簧与上面的滑块连接，下方滑动支撑台安放在滑块上方的橡胶减震环上并且通过液压缸缸体固定装置与液压缸体连接，下方滑动支撑台上面安放软质弹簧，软质弹簧上面安放橡胶垫片并且与上方滑动支撑台连接，上方滑动支撑台通过液压缸活塞杆固定装置与液压缸的活塞杆连接，支撑杆依次穿过固定支撑台、硬质弹簧、滑块、橡胶减震环、下方滑动支撑台、软质弹簧、橡胶垫片、上方滑动支撑台。

汽车液压悬架装置，固定支撑台焊接固定在支撑杆上。滑块的内径大于支撑杆直径以便于支撑杆穿过，最大外径大于硬质弹簧的最大直径以便于承受弹簧的力。下方滑动支撑台中间有一圆形孔，孔的直径小于滑块的最大外径并且大于滑块的最小外径，以便于下方滑动支撑台在滑块上滑动。上方滑动支撑台中间有一圆形孔，孔的直径大于支撑杆直径以便于在支撑杆上滑动。硬质弹簧的选用长度为软质弹簧选用长度的1.5倍。橡胶减震环固定在滑块上。

本文中设计的新型汽车液压悬架装置结构简单，与路况检测系统结合可以有效地提高汽车行驶的舒适性和安全性。结构简洁，可以调整汽车的舒适度，可以在平稳路面上将液压缸的活塞杆伸出，此时使用硬质弹簧受力，保证了汽车强劲的稳定性能，在颠簸路况将活塞杆收回，则软质弹簧和硬质弹簧共同受力，软质弹簧受力时，保证了汽车足够的舒适性能，满足了不同情况下的不同需求。

五、结语

随着电动器件、大规模和超大规模集成电路的发展，悬架的发展将逐渐向着半主动、主动的方向发展，使悬架变得更加智能，智能悬架以其超强的平稳性和可靠性更能适应汽车高速行驶对稳定性的要求及人们对车辆乘坐舒适性的要求。在车辆高速行驶的时候，智能悬架具有平缓柔软的乘坐平顺性，能够大幅度减少加速和转向操纵时车辆姿态的变化，并且维持平缓的姿态，可对相应路面和车速进行最佳车高控制，随着工况的变化自行调节悬架参数，使车辆的减振缓冲达到最优或次优[9]。总之，良好的乘坐舒适性和操纵稳定性成为当前车辆悬架系统的发展趋势，但是液压悬架作为现在汽车市场的主流，以其便宜的价格及成熟的设计在悬架市场上面依然有其不可动摇的地位。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2003：205-209.

[2]钱文学，谢里阳，尹晓伟.载荷相关多薄弱部位零部件可靠度建模与分析.机械工程学报，2010（6）：182-187.

[3]林弋辉.车辆半主动悬架的控制策略及仿真[J].四川工业学院学报，2004，（23）：132-134.

[4]王慧文，孙晓娟，张伟.汽车悬架控制技术的发展[J].森林工程，1998，14（1）：29-30.

[5]孙建民，孙风英.汽车悬架系统的发展及控制技术研究现状[J].黑龙江工程学院学报，2001，15（1）：57-60.

[6]梁新成，黄志刚，朱亭，穆以东.汽车悬架的发展现状和展望[J].北京工商大学学报（自然科学版），第24卷第2期.

[7]胡海岩，孟庆国，等.动力学、振动与控制学科未来的发展趋势[J].力学进展，2002（3）.

[8]张庙康，胡海岩.车辆悬架振动控制系统研究的进展[J].振动、测试与诊断，1997（3）.

[9]王荣本，李兵，施树明，李斌.世界智能车辆研究概述[J].公路交通科技，1998（3）.