王靖岳，郭 勝，鄂加強(qiáng)

（1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159）

車輛懸架部件的非線性特性研究進(jìn)展

王靖岳1，2，郭 勝2，鄂加強(qiáng)1

（1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159）

空氣彈簧、阻尼減振器和鋼板彈簧是車輛懸架系統(tǒng)的重要組成部件，它們都具有非線性特性，可大大提高車輛的行駛平順性。從非線性科學(xué)角度，重點介紹了空氣彈簧、阻尼減振器和鋼板彈簧的研究現(xiàn)狀和非線性特性及其對改善車輛性能的作用。分析了非線性車輛懸架部件的研究方法和發(fā)展方向。

振動與波；懸架系統(tǒng)；非線性；空氣彈簧；阻尼減振器；鋼板彈簧

車輛懸架系統(tǒng)主要由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成[1]。彈性元件主要起緩和沖擊的作用；減振器主要起使振動迅速衰減的作用；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是使車輪（特別是轉(zhuǎn)向輪）的運(yùn)動軌跡符合一定的要求，使車輛具有較好的操縱穩(wěn)定性?？諝鈴椈珊弯摪鍙椈蓪儆趶椥栽⒆枘釡p振器屬于減振器的一種，這些部件在力學(xué)特性上顯示為非線性。空氣彈簧具有較理想的非線性彈性特性，加裝高度調(diào)節(jié)裝置后，車身高度不隨載荷增減而變化，彈簧剛度可設(shè)計得較低，可大大提高乘坐舒適性，因而廣泛應(yīng)用在載重汽車、大客車、小轎車及鐵道車輛上；非線性減振器汽車模型能更好捕捉到道路激勵下的反應(yīng)，可以更好吸收車輛的沖擊和振動，在加速度較低時可以提高乘坐舒適性；鋼板彈簧的非線性剛度、簧片之間的接觸和摩擦等非線性因素影響著車輛對路面的響應(yīng)，尤其對重型商用車的行駛平順性及制動性有著重要影響。文中著重從非線性科學(xué)角度介紹它們的非線性特性研究現(xiàn)狀。

1 非線性空氣彈簧的研究現(xiàn)狀

空氣彈簧是利用壓縮空氣制作的彈簧，根據(jù)壓縮空氣所用容器的不同，分為囊式和膜式?？諝鈴椈傻姆蔷€性彈性特性如圖1所示，沒有考慮非線性因素的鋼板彈簧的變形量會隨著載荷的增加而線性增大，囊式和膜式空氣彈簧的變形量會隨著載荷的增加而非線性變化。這種彈簧的剛度是可變的，因為作用在彈簧上的載荷增加時，容器內(nèi)的定量氣體氣壓升高，彈簧的剛度增大。反之，當(dāng)載荷減小時，彈簧內(nèi)的氣壓下降，剛度減小，故它具有較理想的彈性特性，可以提高行駛平順性來適應(yīng)不同路況，所以具有很好的應(yīng)用前景。

圖1 彈簧載荷-變形特性曲線

空氣彈簧懸架誕生于十九世紀(jì)中葉，主要用于機(jī)械裝備的隔振與減振[2]。目前，在國外無論是商用車還是轎車，甚至某些特種車都已經(jīng)比較普遍地采用空氣彈簧懸架系統(tǒng)，而國內(nèi)卻處于起步發(fā)展階段，只應(yīng)用在一些客車和部分重型載貨車上[3]。

1847年John Lewis率先發(fā)明活塞缸式空氣彈簧[4]，該空氣彈簧氣密性較差，減振效果并不理想，后人經(jīng)過不斷改進(jìn)提高了氣密性。1901年，空氣彈簧成為有軌電車的減振元件，這是最早使用在車輛上的案例[5]。1910年，George Bancroft獲得了將空氣彈簧使用在汽車上的專利[6]。1934年，Harvey Firestone等研制出AIREDE空氣彈簧，即柱式空氣彈簧懸架系統(tǒng)。1944年，商用汽車開始采用空氣彈簧懸架，通用汽車公司與凡士通公司合作對空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行試驗，顯示其內(nèi)在的優(yōu)越性，經(jīng)過大量的實驗研究，直到1953年在Greyhound Lines（灰狗運(yùn)輸公司）的豪華大客車上安裝了空氣彈簧懸架系統(tǒng)。隨后，一種滾動凸輪式空氣彈簧被固特異輪胎公司發(fā)明，凸輪在活塞的型面上滾動,從而對空氣彈簧的負(fù)載變化關(guān)系曲線進(jìn)行控制[7]。1958年，裝有空氣彈簧的牽引車被美國奇姆西公司（GMC）開發(fā)生產(chǎn)，英國公司也生產(chǎn)了裝有空氣彈簧懸架的12～15噸掛車[8]。到1964年，日本開發(fā)出的第一代0系新干線動車組DT200型轉(zhuǎn)向架上的二系懸掛裝置采用了空氣彈簧；德國生產(chǎn)的55種大中型公共汽車上有38種使用了空氣彈簧[9]；這標(biāo)志著空氣懸架系統(tǒng)在歐美等發(fā)達(dá)國家進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。Bell Benjamin第一次從理論上提出空氣彈簧有效面積的概念，設(shè)計了一種撓曲膜式空氣彈簧，即將一個金屬導(dǎo)向板加在撓曲膜外面，在空氣的壓縮與伸張過程中，用來控制空氣彈簧有效面積的變化，并且對空氣彈簧的有效面積特性作了一系列的試驗研究[10]。隨著空氣懸架系統(tǒng)在商業(yè)上得到推廣使用，人們開始重視對空氣懸架系統(tǒng)的控制理論研究，豐田、福特等汽車公司成功地推出電子控制空氣懸架系統(tǒng)，也使空氣懸架系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)商業(yè)應(yīng)用軟件的不斷成熟，空氣彈簧懸架的模擬仿真研究出現(xiàn)，縮短了研發(fā)周期并減少了研發(fā)成本，更加加快了空氣懸架的發(fā)展。如Holtz等人通過計算機(jī)軟件建模，設(shè)計了一種新型的帶有空氣彈簧的懸架座椅系統(tǒng)[11]。Mankovits等采用有限元方法對空氣彈簧橡膠緩沖器進(jìn)行了分析[12]。

1957年，國內(nèi)開始研究空氣懸架系統(tǒng)，化工部橡膠研究所和長春汽車研究所在郭孔輝院士的帶領(lǐng)下進(jìn)行了大量試驗，研制出裝有空氣彈簧系統(tǒng)的載重汽車。1958年，空氣彈簧系統(tǒng)開始在我國研制的雙層客車轉(zhuǎn)向架上得到使用，這期間所應(yīng)用的空氣彈簧基本上都是囊式空氣彈簧[13]。1959年，青島四方廠開始研究使用帶有附加空氣室和高度控制閥等結(jié)構(gòu)的空氣彈簧懸架系統(tǒng)。在60年代，新型的約束膜式空氣彈簧產(chǎn)生，在研制的KZ2和KZ3型高速轉(zhuǎn)向架上開始采用這種空氣懸架。到了90年代，我國鐵路不斷提速，空氣彈簧越來越多地應(yīng)用于我國準(zhǔn)高速、高速列車轉(zhuǎn)向架上，如第一代206 KP型轉(zhuǎn)向架上使用了SF 550型空氣彈簧、第二代206 KP轉(zhuǎn)向架上使用了SYS550A型空氣彈簧、CW2型轉(zhuǎn)向架上使用了SYS600A型空氣懸架。通過不斷改進(jìn)完善，車輛的穩(wěn)定可靠性得到了提高[14]。在輕軌列車上，四方廠研制了SYS 450型有軌電車空氣彈簧，該彈簧采用了壓力空氣自封密封方式，簡化了空氣彈簧結(jié)構(gòu)；使用橡膠堆支承，改善了車輛的橫向振動性能；采用可調(diào)阻尼節(jié)流閥，使車輛在各種線路和運(yùn)行速度狀態(tài)下都具有良好的振動性能。與此同時，國內(nèi)的客車廠如廈門金龍聯(lián)合汽車公司、安凱汽車股份有限公司、北方車輛制造廠、西安飛機(jī)制造廠等，也開始從國外引進(jìn)空氣懸架和帶空氣懸架的底盤，并對整體客車進(jìn)行匹配調(diào)校，以提高其產(chǎn)品的技術(shù)含量，搶占國內(nèi)高檔客車市場，從而推動了空氣懸架在我國的普及[15]。國內(nèi)許多廠家也開始研制空氣彈簧及其零部件，如山東萊州市橡膠廠、株洲時代新材料有限公司、貴州前進(jìn)橡膠有限公司、西安晨光橡膠制造廠等已開始批量生產(chǎn)囊式和膜式等橡膠空氣彈簧，應(yīng)用在汽車、機(jī)車、軌道車輛和機(jī)械設(shè)備上[16]。

在空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度特性方面，1961年Cavanaugh為進(jìn)一步優(yōu)化彈簧結(jié)構(gòu)，研究出一種帶附加空氣室的空氣彈簧模型[17]。1970年，Evans研究了鐵道車輛空氣彈簧的垂向特性和側(cè)向特性，通過輸入正弦波和鋸齒波激勵來觀察速度與側(cè)向特性的關(guān)系，并測量了空氣彈簧在不同載荷作用下的變形和側(cè)向力情況[18]。Homeyer應(yīng)用有限元方法對空氣彈簧進(jìn)行分析，并對空氣彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計算[19]。在國內(nèi)，鐵道部科學(xué)研究院方凱利用有限元軟件Abaqus對高速客車D580空氣彈簧進(jìn)行非線性有限元分析[20]。株洲時代新材料科技股份有限公司陳燦輝和吉林大學(xué)劉宏偉等也利用有限元軟件研究空氣彈簧的靜態(tài)剛度特性[21，22]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)賀亮等構(gòu)建了帶附加空氣室的空氣彈簧，通過試驗研究不同空氣壓力下彈簧垂直剛度和阻尼隨節(jié)流孔孔徑變化的規(guī)律[23]。西南交通大學(xué)陳鼎對SYS540A型空氣彈簧的橫向與垂向剛度進(jìn)行理論分析，并進(jìn)行了試驗?zāi)M[24]。石家莊鐵道大學(xué)鄭明軍等用有限元方法探討混合式空氣彈簧的非線性彈性特性的影響因素[25]，理論研究與試驗結(jié)果表明簾線角度、簾線間距、簾線層數(shù)、簾線橫截面積、簾線層間距、充氣壓力、附加空氣室和節(jié)流孔孔徑等因素是影響空氣彈簧垂向和橫向剛度的主要因素。其中空氣彈簧的垂向剛度隨著充氣壓力的不斷增大而增大，且呈現(xiàn)非線性特性。簾線角度越大，空氣彈簧剛度越小，簾線角度越小所能承受的載荷越大。簾線層數(shù)越多，空氣彈簧的垂向剛度越大，且隨著簾線層數(shù)的增多，其對空氣彈簧靜態(tài)剛度的影響越來越小。簾線橫截面積、簾線層間距和簾線間距對空氣彈簧橫向和垂向剛度影響都不大。一般在帶有附加空氣室式空氣彈簧的橡膠囊和空氣室之間安裝有節(jié)流孔，改變節(jié)流孔孔徑大小可以改變空氣彈簧的阻尼和垂向剛度。空氣彈簧的氣體壓力越大，空氣彈簧的剛度越大而阻尼則越小。

在空氣彈簧動力學(xué)特性方面，Toyofuku等人通過研究振動頻率與空氣彈簧反應(yīng)之間的關(guān)系，分析管道和氣室兩種因素對空氣彈簧特性的影響[26]。Giuseppe Quaglia等建立空氣彈簧懸架的仿真模型，對帶附加空氣室空氣彈簧的特性進(jìn)行模擬研究[27]。Alonso等對空氣彈簧的性能進(jìn)行研究，提出用改變管道節(jié)流孔面積的方法來提高空氣彈簧懸架動力學(xué)性能[28]。四方車輛研究所張廣世等利用流體力學(xué)公式和氣體熱力學(xué)建立空氣彈簧—連接管路—附加氣室的彈簧模型，研究管路長短、管路直徑大小以及氣體質(zhì)量等因素對動力學(xué)性能的影響[29]。石家莊鐵道大學(xué)張曉磊等建立節(jié)流孔質(zhì)量流率數(shù)學(xué)模型，分析節(jié)流孔橫截面積和附加氣室容積對帶附加氣室空氣彈簧懸架動力學(xué)特性的影響[30]。西南交通大學(xué)戚壯等在基于AMESim平臺上對軌道車輛空氣彈簧系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真研究[31]，研究表明附加空氣室容積、節(jié)流孔孔徑、振動頻率、連接管道的長短和直徑等影響空氣彈簧的動力學(xué)性能。

不同的學(xué)者還從不同的角度探究非線性空氣彈簧懸架系統(tǒng)，從而推動空氣懸架系統(tǒng)的不斷發(fā)展。胡芳等對非線性空氣彈簧懸架模型進(jìn)行理論分析并進(jìn)行實車試驗，通過將Matlab/Simulink軟件的仿真結(jié)果與汽車的平順性試驗所得數(shù)據(jù)相比較，分析汽車空氣彈簧懸架系統(tǒng)的振動響應(yīng)情況，驗證所建非線性彈簧空氣懸架模型的正確性[32]；黃巨成等通過非線性有限元軟件Abaqus軟件得出空氣彈簧的特性曲線，分析汽車空氣彈簧懸架在單頻正弦激勵下的四自由度半車模型的非線性行為，研究系統(tǒng)中出現(xiàn)的分岔及混沌現(xiàn)象[33]。王靖岳等考慮阻尼非線性和空氣彈簧非線性，建立單自由度1/4車體空氣懸架系統(tǒng)模型，分析路面不平度、激勵頻率、激勵幅值、線性阻尼系數(shù)和非線性阻尼系數(shù)對系統(tǒng)分岔和混沌的影響[34]。

2 非線性阻尼減振器的研究現(xiàn)狀

減振器的阻尼特性具有很強(qiáng)的非線性[35]，如圖2所示，在懸架壓縮行程內(nèi)，阻尼力小，以便充分利用彈性元件的彈性來緩和沖擊；在懸架伸張行程內(nèi)，阻尼力大，以便迅速減振，這樣可提高車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性[36]。

圖2 減振器速度特性圖

Subramanian等研究在低頻范圍內(nèi)非線性減振器模型對承載式車身NVH的計算機(jī)輔助分析應(yīng)用[37]。Lee等考慮非線性因素對減振器影響，建立新的數(shù)學(xué)模型并研究汽車的乘坐舒適性[38]。Kruse等分析汽車減振器的非線性動態(tài)特性[39]。Cui等開發(fā)了一種新的測試和分析方法，通過將馬自達(dá)CX-7的前減振器在單柱振動試驗臺上測試來獲得汽車減振器的非線性特性[40]。Darsivan等通過仿真試驗研究非線性阻尼減振器對四分之一汽車模型控制的精確度和響應(yīng)，分別采用非線性和線性減振器，通過對簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的仿真比較表明非線性減振器汽車模型在受到道路激勵下能更好捕捉到相應(yīng)的反應(yīng)[41]。Silveira等研究非線性減振器對乘用車舒適度的影響，結(jié)果顯示使用非線性減振器可以更好吸收車輛的振動和沖擊，在車輛加速度較小時能提高乘坐舒適性[42]。呂振華等研究汽車筒式液阻減振器節(jié)流閥的非線性動態(tài)特性，建立板閥型節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型和流體動力學(xué)模型，利用Adina有限元軟件進(jìn)行仿真分析，準(zhǔn)確預(yù)測閥的非線性動態(tài)節(jié)流特性以及節(jié)流閥內(nèi)的不均勻流場特性，從而減少對試驗的依賴性[43]。喻晶等基于磁流變阻尼控制方法，研究磁流變減振器阻尼力的調(diào)節(jié)原理并分析減振器的黏性阻尼力和庫侖阻尼力的調(diào)節(jié)特性。試驗表明在半主動懸架系統(tǒng)中減振器采用控制力等于阻尼力的最優(yōu)控制方法，可大大降低路面濾波白噪聲引起的阻尼力，從而提高汽車行駛的平順性[44]。王勛等人通過建立整車七自由度數(shù)學(xué)模型，研究某越野車的串聯(lián)阻尼可調(diào)減振器外特性[45]。徐中明等利用彈性力學(xué)和流體力學(xué)理論，采用環(huán)形薄板閥片受均布載荷作用的撓度變形公式，建立雙筒液壓減振器的數(shù)學(xué)模型并運(yùn)用Simulink軟件進(jìn)行仿真，分析減振器阻尼特性和控制規(guī)律受閥系中節(jié)流閥片缺口、壓縮閥片和復(fù)原閥彈簧預(yù)緊力等因素的影響[46]。張瑩等對具有旁通節(jié)流孔的新型節(jié)流孔可調(diào)阻尼減振器進(jìn)行試驗，研究減振器阻尼力的影響因素[47]。于振環(huán)等基于流-固耦合有限元方法，利用Adina軟件建立高精度的疊加節(jié)流閥片模型，并對其進(jìn)行了后處理，研究減振器閥系動態(tài)非線性特性，得到減振器的速度特性和示功特性，為研究減振器閥系運(yùn)動機(jī)理具有重大意義[48]。楊柳青等根據(jù)電磁閥減振器可調(diào)阻尼力輸出飽和特性和車輛半主動非線性特性提出基于輸出飽和的滑膜控制策略，臺架試驗和仿真結(jié)果表明：考慮電磁閥減振器阻尼力非線性特性有利于對汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行更精確描述和控制，設(shè)計的控制輸入飽和滑?？刂破髂塬@得理想控制力，改善車輛的乘坐舒適性[49]。

3 非線性鋼板彈簧的研究現(xiàn)狀

鋼板彈簧具有非線性和遲滯特性[50]，如圖3所示。鋼板彈簧葉片間的摩擦?xí)哪芰?，其恢?fù)力具有非線性特性，其加載、卸載路徑不重合，出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，使鋼板彈簧表現(xiàn)出阻尼特性，這可衰減車輛的振動，提高行駛平順性。

圖 3 不同摩擦系數(shù)情況下的載荷-位移曲線

在國外，Kim等對漸近多重鋼板彈簧的非線性剛度進(jìn)行有限元分析[51]。Sugiyama等對多體車輛系統(tǒng)中鋼板彈簧的非線性彈性模型進(jìn)行仿真研究[52]。Kong等探討了車輛的承載能力、制動性能和側(cè)傾穩(wěn)定性分別與板簧的垂直剛度、卷繞剛度和側(cè)傾剛度的關(guān)系，設(shè)計了一種新的拋物線型鋼板彈簧，結(jié)果表明車輛的承載能力以及安全穩(wěn)定性得到提升[53]。Karditsas等基于鋼板彈簧的設(shè)計改進(jìn)，用有限元法分析汽車的運(yùn)動性和耐久性[54]。在國內(nèi)，黃偉對復(fù)合式空氣懸架中使用的新型單片變截面鋼板彈簧進(jìn)行剛度分析和有限元分析，確定了應(yīng)力應(yīng)變在極限載荷下的狀態(tài)，并校核了鋼板彈簧的剛度[55]。丁華等在考慮簧片間非線性接觸的情況下，研究了加載狀態(tài)下鋼板彈簧的應(yīng)力分布和彈簧剛度[56]。張智等利用有限元方法，分析不同摩擦系數(shù)對鋼板彈簧的剛度特性及動特性的影響，并對鋼板彈簧的非線性恢復(fù)力進(jìn)行擬合，討論了懸架在簡諧激勵下的動態(tài)響應(yīng)特性[57]。李鵬飛等研究了在正弦激勵下激勵振幅、頻率和板件摩擦系數(shù)對鋼板彈簧遲滯特性的影響。試驗研究表明鋼板彈簧的阻尼力隨著幅值的增大而增大，隨著激勵頻率的增大而減小，隨著摩擦系數(shù)的增大而增大[58]。楊路等利用Abaqus有限元軟件，分析不同摩擦條件下鋼板彈簧力學(xué)特性受到的影響。試驗表明在同一載荷狀態(tài)下，鋼板彈簧剛度隨摩擦系數(shù)的增大而增大，應(yīng)力與片間接觸壓力隨摩擦系數(shù)的增大而減小，同一摩擦狀態(tài)下，剛度隨載荷的增加而增大，且摩擦系數(shù)越大增大趨勢越明顯[59]。王勇等考慮了實際工作過程中彈簧的大變形和各簧片之間的接觸和摩擦等非線性因素對漸變剛度鋼板彈簧的剛度和強(qiáng)度特性的影響，進(jìn)行了有限元分析[60]。樊翠連等對鋼板彈簧的剛度特性、接觸和摩擦特性進(jìn)行非線性有限元分析，研究了摩擦系數(shù)和負(fù)載對板簧力學(xué)特性的影響和摩擦應(yīng)力與接觸應(yīng)力在葉片接觸界面的關(guān)系[61]。陳欣等提出四點法，對鋼板彈簧的非線性剛度特性進(jìn)行處理分析，試驗表明四點法處理剛度特性是一種可靠的方法[62]。吳孟等考慮片間摩擦和非線性大變形情況，建立某非公路自卸車鋼板彈簧有限元分析模型，將其與計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了仿真模型的有效性[63]。

4 結(jié)語

從上面分析可以看出，研究非線性車輛懸架部件的主要方法有理論研究、試驗分析、有限元法和仿真分析法；其中，非線性振動理論與非線性有限元法是近年來研究的主要理論和方法。隨著非線性動力學(xué)的發(fā)展，人們應(yīng)從非線性動力學(xué)與控制的角度去研究懸架部件及系統(tǒng)。隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，車輛智能化程度不斷提高，懸架部件及系統(tǒng)應(yīng)向著節(jié)能化、智能化、集成化、安全化等方向發(fā)展。

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Advances of Nonlinear Characteristics Research of Vehicle’s Suspension Components

WANG Jing-yue1,2,GUO Sheng2,E Jia-qiang1
（1.State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082,China;2.School ofAutomobile and Transportation,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China）

Air spring,vibration damper and leaf spring are important components of vehicle’s suspension systems.They all have nonlinear characteristics,which can greatly improve the ride comfort of vehicles.In this paper,research advances of the nonlinearity of air spring,damper and leaf spring are introduced,and their effects on improving the performance of vehicles are discussed.The research methods and development prospects of the suspension components are analyzed.

vibration and wave;suspension system;nonlinear;air spring;vibration absorber;leaf spring

U463.33

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.015

1006-1355(2017)04-0074-06

2016-12-02

遼寧省教育廳科技研究資助項目（L2012068）

王靖岳（1978－），男，遼寧省鐵嶺市人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為車輛系統(tǒng)動力學(xué)與控制、非線性振動與控制。

E-mail:abswell@126.com