聶佳梅， 張孝良， 胡 貝， 陳 龍

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

車輛懸架是車輪和車架之間一切傳力連接裝置的總稱，是車輛行駛系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其性能在很大程度上決定了車輛的行駛平順性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性.因此，懸架設計一直是汽車設計人員關注的焦點問題之一.

目前，在汽車上普遍采用的仍多為以“彈簧-阻尼”結構體系為基礎的傳統(tǒng)機械懸架，其結構和主要參數不能隨著汽車行駛速度和路面狀況自動進行調節(jié)，懸架性能只是在車輛運行的某個工況下是最好的，不可能在各種工況下都達到期望的性能要求.“彈簧-阻尼”懸架結構體系自確立至今已有百年歷史，但一直未獲得結構上的突破性進展.為了改善車輛的乘坐舒適性，協調操縱穩(wěn)定性和行駛平順性之間的矛盾，有些研究人員通過優(yōu)化被動懸架的結構參數來提高懸架的隔振性能，還有些研究人員則采用了半主動懸架和主動懸架［1-3］.半主動懸架仍然基于“彈簧-阻尼”結構體系，輸入少量的調節(jié)能量來局部改變懸架系統(tǒng)的動特性 (剛度或阻尼系數)，結構簡單、可靠性高，但它要求執(zhí)行機構的時滯要小，這對執(zhí)行機構提出了很高的要求.主動懸架基于現代控制理論，用作動器取代了“彈簧-阻尼”結構體系，采用振動主動控制技術，使車輛的隔振性能產生了質的飛躍，其隔振效果比較明顯，能夠適應路況和載荷的變化，同時還解決了平順性和操縱穩(wěn)定性之間的矛盾，但主動懸架成本高、結構復雜，尤其是能量消耗大，這與車輛發(fā)展中的節(jié)能主題相違背.

因此，如何突破基于經典隔振理論的“彈簧-阻尼”結構體系對懸架隔振性能進一步提高的瓶頸制約，探索基于新結構機理和體系，且便于在汽車上實現的被動懸架系統(tǒng)，使其既吻合車輛節(jié)能這一發(fā)展主題，又滿足人們對車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性提出的更高要求，成為了車輛工程界關注的焦點問題.慣容器 (Inerter)的出現，“慣容-彈簧-阻尼” (Inerter-Spring-Damper，ISD)懸架結構體系概念的提出，打破了基于經典隔振理論的“彈簧-阻尼”結構體系對懸架隔振性能進一步提高的瓶頸制約，為懸架新技術的發(fā)展提供了一個嶄新的平臺，引起了車輛工程界的高度重視.

1 被動懸架技術發(fā)展現狀

1.1 “彈簧-阻尼”懸架結構體系

1906年，William Brush［4］將螺旋彈簧和減振器結合，建立了“彈簧-阻尼”懸架結構體系 (如圖1所示)，奠定了現代車輛懸架系統(tǒng)的基礎.自現代車輛懸架產生到二十世紀七、八十年代，車輛上采用的幾乎都是由彈簧和阻尼器并聯組成的被動懸架系統(tǒng).這種系統(tǒng)具有結構簡單、性能可靠、造價低和無能耗等諸多優(yōu)點.

圖1 “彈簧-阻尼”懸架結構示意圖

基于“彈簧-阻尼”結構體系的被動懸架系統(tǒng)，是根據汽車的綜合性能要求，針對特定的車型進行設計的，系統(tǒng)振動特性固定不變.為了獲得良好的操縱穩(wěn)定性，需配備大阻尼減振器，若追求良好的乘坐舒適性，則配備小阻尼減振器.大阻尼能充分隔離低頻振動，然而大阻尼卻不利于吸收高頻振動，相反，小阻尼能充分吸收高頻振動，但必須以犧牲低頻隔振性能為代價.傳統(tǒng)被動懸架不能協調共振響應和高頻衰減之間的矛盾，只能采用折中阻尼來兼顧操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性.采用非線性彈性元件和非對稱特性的阻尼元件，以及具有一定自適應性的車身高度調節(jié)裝置，可以不同程度的改善傳統(tǒng)懸架的性能，但是由于傳統(tǒng)懸架的參數不可調節(jié)，仍然不能提供各種情況下行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的合理匹配.為了獲得更好的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，人們曾基于“彈簧-阻尼”結構體系，嘗試將彈簧和阻尼兩基本元件進行不同的組合，形成新的懸架系統(tǒng)，如圖2所示［5］。對這些不同形式的懸架系統(tǒng)，用各種方法對其參數進行優(yōu)化，但未能獲得大幅度的性能提升.

圖2 幾種典型的被動懸架模型結構

1.2 “質量-彈簧-阻尼”懸架結構體系

為了挖掘被動懸架的潛力，人們嘗試將質量元件加入懸架系統(tǒng)，以改善懸架的性能.在慣容器出現之前，想要把質量元件加入懸架來改善其性能，只能以動力吸振器的形式，即把質量元件當作吸振子應用到懸架中，如圖3所示.

圖3 “質量-彈簧-阻尼”懸架結構示意圖

1935年，Lindenberg［6］等人基于 “質量-彈簧-阻尼”結構體系，嘗試用動力吸振和動力反共振隔振技術提高懸架的性能.動力吸振技術在懸架中的應用研究主要包括兩個方面：一方面為了抑制車身振動，改善行駛平順性，將質量元件通過彈簧懸置于車身，作為動力吸振器來吸收車身的振動能量;另一方面為了抑制車輪振動，改善操縱穩(wěn)定性，用動力吸振器吸收車輪的振動能量［7］.1999年，Daimler Chrysler公司［8］基于 “質量-彈簧-阻尼”結構體系，將隔振與吸振有效地結合起來，提出了一種兩級串聯型“質量-彈簧-阻尼”懸架，一級隔離低頻振動，另一級隔離高頻振動.在“質量-彈簧-阻尼”懸架結構體系中，無論是動力吸振還是反共振隔振技術，質量元件都以吸振子的形式工作，不便于在懸架上布置，而且吸收車身振動能量所需的質量元件較重，大大增加了懸架系統(tǒng)的重量，因此，這種結構體系的懸架系統(tǒng)無法實現商業(yè)化應用.

2 被動懸架技術發(fā)展新方向——“慣容-彈簧-阻尼”懸架結構體系

2.1 ISD懸架結構體系的提出

通過對比研究機械網絡與電子網絡的動力學方程，發(fā)現機械網絡中的質量、阻尼和彈簧分別與電子網絡中的電容、電阻和電感相對應.但機械元件中阻尼和彈簧都具有兩個獨立、自由的端點，而質量元件的一個端點是它的質心，另一個端點卻是慣性參考系中的固定點，這使得質量元件只能和接地的電容相對應，因此，這種對應關系是不嚴格的.2001年，劍橋大學學者Smith創(chuàng)造性地提出了慣容器的概念［9-10］，它是一種真正的兩端點裝置，與電容器完全對應相似，使得機械網絡與電子網絡嚴格對應起來.慣容器的出現使得被動機械阻抗都可以通過慣容器、彈簧和阻尼3個元件組合來加以實現.通過對慣容器元件特性的研究，Smith發(fā)現慣容器能夠滿足懸架的隔振要求，進而開展了將其應用于車輛懸架的研究工作［11-12］.從此打破了由彈簧和阻尼器組成的傳統(tǒng)懸架結構形式，探索出了一條改善傳統(tǒng)懸架性能的新途徑，即建立ISD懸架新結構體系，如圖4所示.

到目前為止，已經研發(fā)出了3種慣容器實現裝置，分別是齒輪齒條慣容器、滾珠絲杠慣容器和液力慣容器，如圖5所示.

2.2 ISD懸架網絡綜合與分析

ISD懸架新結構體系概念的提出，不僅拓寬了懸架的研究空間，還帶來了懸架設計方法的變革.變革之一：慣容器的出現，使得“慣容-彈簧-阻尼”機械網絡系統(tǒng)與“電容-電感-電阻”電子網絡系統(tǒng)嚴格地對應起來，極大地方便了人們運用電子網絡理論和研究方法對機械網絡進行研究．例如，可以將“濾波”的概念完整地引入到懸架中來，從機電相似的意義上來講，懸架的隔振其實就是電子網絡中的濾波，但濾波理論要比隔振理論直觀、形象、豐富得多;變革之二：實現了對懸架的網絡綜合.懸架網絡綜合與電子網絡綜合相對應，就是將懸架系統(tǒng)作為一個機械網絡，根據路面輸入和期望的車輛性能輸出，先求出懸架的傳遞函數，據此用慣容器、彈簧和阻尼器3種基本元件構建出整個懸架系統(tǒng)，這一過程稱為懸架網絡綜合.懸架網絡綜合實際上是一個“黑箱”問題，懸架的結構和參數都是待定的，包含在“黑箱”里，如圖6所示.懸架網絡綜合是ISD懸架結構體系所帶來的設計方法上的變革，而“彈簧-阻尼”懸架結構體系不具備網絡綜合的條件.

圖6 兩自由度懸架系統(tǒng)的網絡綜合

運用電子網絡理論，借鑒電子網絡分析和綜合的方法，使“電容-電感-電阻”電子網絡體系與“慣容-彈簧-阻尼”懸架結構體系嚴格地對應起來，進行基于“慣容-彈簧-阻尼”結構體系的懸架網絡分析與綜合，極大地拓展了懸架技術的發(fā)展空間，建立在這一體系上的懸架系統(tǒng)，必然會進一步提高車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等綜合性能.

2.3 ISD懸架結構體系的研究現狀

近年來，慣容器在車輛懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、建筑隔振系統(tǒng)、動力吸振系統(tǒng)中的應用研究成為了熱點.2005年，一種慣容器、彈簧和阻尼3元件并聯的ISD懸架應用于一級方程式賽車，改善了賽車的操控性和輪胎接地性［13］.文獻 ［14］采用了線性矩陣不等式和雙線性不等式的方法對ISD懸架進行了網絡綜合研究和懸架性能優(yōu)化.2006年，Wang Fucheng等［15］提出一種串聯結構的ISD火車懸架，改善了火車的乘坐舒適性、系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)定性.2008年，他們又通過網絡綜合的方法提出了一種機電懸架［16］，該懸架由滾珠絲杠慣容器和永磁電機組成，研究表明，這種機電懸架的性能優(yōu)于傳統(tǒng)ISD懸架.2009年，Scheibe和Smith基于1/4車輛懸架模型，用網絡分析的方法，獲得了行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的全局最優(yōu)［17］.隨著研究的深入，文獻 ［18］和 ［19］研究了慣容器的非線性，包括摩擦、背隙和彈性效應，用臺架試驗證實了慣容器存在非線性.慣容器的非線性會輕微降低ISD懸架的性能，尤其是當懸架剛度較大時，但它仍然優(yōu)于傳統(tǒng)被動懸架.2007年江蘇大學開始開展應用齒輪齒條慣容器和滾珠絲杠慣容器的ISD懸架研究［20-22］，并構建了一種兩級串聯型ISD懸架(如圖7所示)，使懸架的乘坐舒適性和輪胎的接地性能得到有效改善.

圖7 兩級串聯型ISD懸架

3 兩級ISD懸架實車實現方法

基于“慣容-彈簧-阻尼”結構體系的懸架結構形式多樣，每種結構都有自己獨有的特點.圖7所示的兩級串聯型ISD懸架包括兩級，一級為車身隔振體，由慣容器、彈簧和阻尼器并聯組成，另一極為車輪隔振體，由彈簧和阻尼器并聯組成.兩級協同作用能夠有效的改善被動懸架性能，但是這種串聯實現形式使得懸架整體高度比較大，不易于實車安裝.為解決這個問題，在此提出兩種兩級ISD懸架實車實現方法.

3.1 串聯實現方法

實車ISD懸架串聯實現方法采用左、右懸架貫通的方式，如圖8所示.左、右車身隔振體與車輪隔振體串聯，用車身隔振體抑制車身加速度的低頻峰值，同時也抑制了懸架動行程和輪胎動載荷的低頻峰值，用左、右車輪隔振體抑制輪胎動載荷的高頻峰值.這種實現方法降低了懸架高度，使懸架結構緊湊，易于布置.

圖8 串聯式ISD懸架實車布置示意圖

3.2 并聯實現方法

實車ISD懸架并聯實現方法如圖9所示，將車輪隔振體和車身隔振體鉸接于支點在中間的等臂杠桿的兩端，通過車身隔振體來抑制車身垂直加速度的低頻 (車身固有頻率)峰值，通過車輪隔振體來抑制輪胎動載荷的高頻 (車輪固有頻率)峰值，從而達到協調乘坐舒適性與行駛安全性之間矛盾的目的.這種方法利用等臂杠桿只改變力的方向不改變大小的原理，將兩級串聯式ISD懸架“對折”，降低了懸架高度，使懸架結構緊湊，易于布置.

圖9 并聯式ISD懸架實車布置示意圖

4 總結和展望

傳統(tǒng)被動懸架由彈簧和減振器并聯組成，通過參數優(yōu)化，被動懸架的性能潛力已被挖掘到接近于極限.慣容器的出現，打破了懸架由彈簧和減振器兩基本元件組成的局面，使得懸架可以由彈簧、減振器和慣容器3種基本元件組成.基于“慣容-彈簧-阻尼”結構體系的懸架結構形式多樣，其特性及多種組合形式，為研究改善懸架隔振性能提供了廣闊的空間，研究基于新結構體系的懸架各種組合型式，探索新的懸架結構，必將進一步拓展經典隔振理論，從而大幅度改善懸架隔振性能，提高整車綜合性能.而且長期以來積累的大量的電子網絡理論和研究電子網絡的方法可以方便的應用于懸架網絡的分析與綜合，對被動懸架性能的提高極為有利.未來還可以發(fā)展彈簧剛度、阻尼和慣容均可控的電控懸架，從而開辟一條懸架發(fā)展的新途徑.

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