汽車智能懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計

李天逸，陳彪

（1.江蘇省泰州中學(xué)，江蘇 泰州 225714；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 225009）

引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展汽車懸架系統(tǒng)得到學(xué)者與專家們的廣泛關(guān)注[1,2]。汽車懸架是車輪 (或車橋)與承載式車身(或車架)之間一切傳力連接裝置的總稱，是保證乘坐舒適和行駛安全的重要部件[2]，其作用是緩沖并吸收由于不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊及振動，傳遞兩者之間的所有力和扭矩，來保證汽車平順行駛。在眾多獨立懸架中，雙縱臂式獨立懸架可通過優(yōu)化上下縱臂長度，并合理布置上、下縱臂與車輪及車架（或車身）連接點，就可以使車輪在跳動過程中，保持軸距及前輪定位參數(shù)的變化均在可接受范圍內(nèi)，從而保證汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。雙縱臂式獨立懸架現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于轎車的前、后懸架上，部分運(yùn)動型轎車甚至賽車的后懸架也采用該懸架結(jié)構(gòu)。

目前對獨立懸架的研究多是保證汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性[3]，除了主動懸架和空氣懸架外，一般的被動懸架及半主動懸架基本上不具備抬升汽車底盤高度來提高汽車通過性的能力，更加少見的是通過抬高汽車底盤高度來減少碰撞過程中對車內(nèi)人員傷害的懸架。

1 主動懸架

早在上世紀(jì)五十年代GM公司的Erspiel-labrosse提出了主動懸架的概念，之后雖然各大汽車廠商不遺余力的追捧，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制嚴(yán)格而難以實現(xiàn)量產(chǎn)[4]；直到本世紀(jì)初單片機(jī)、控制理論及算法得到飛躍發(fā)展，主動懸架技術(shù)也日漸成熟，常見的控制算法有最優(yōu)控制、預(yù)描控制、自適應(yīng)控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，配備主動懸架的轎車有奔馳2000款CL型跑車、英菲尼迪Q45、雪鐵龍桑蒂雅等豪華轎車。

如圖1（a）為全主動懸架動力學(xué)簡化圖。該懸架系統(tǒng)的本質(zhì)是在被動懸架系統(tǒng)上增加一套閉環(huán)可控作用力的裝置。該套裝置一般由傳感器構(gòu)成的測量系統(tǒng)、閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)、能源供給系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成[5]。其中，測量系統(tǒng)完成對車輛各系統(tǒng)各狀態(tài)的信號采集，為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供運(yùn)算的依據(jù)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能是處理信號數(shù)據(jù)并將運(yùn)算結(jié)果以控制指令形式發(fā)出，它的核心部件是單片機(jī)。能源供給系統(tǒng)的功能是為懸架系統(tǒng)各部分提供能量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能是執(zhí)行由控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，常用的力發(fā)生器（或轉(zhuǎn)矩發(fā)生器）有氣缸、液壓缸、伺服電動機(jī)或電磁鐵等。在汽車振動全頻段范圍內(nèi)全主動懸架能夠平衡行駛平順性與操縱穩(wěn)定性二者的矛盾；減少車輪動載荷，提高輪胎接地性，改善操控性能，延長輪胎使用壽命；按需調(diào)節(jié)底盤高度，提高通過性能。但是全主動懸架也存在著一些劣勢，如機(jī)械結(jié)構(gòu)與算法控制復(fù)雜，成本與耗能高，是一種非常奢侈的懸架系統(tǒng)，與當(dāng)下節(jié)能減排綠色出行主題不是很契合，因此以上缺點制約了全主動懸架在普通汽車上的推廣與應(yīng)用。

2 被動懸架

汽車懸架按阻尼與剛度是否可調(diào)可分為被動、半主動與主動懸架三大類。其中，被動懸架是“無能源供給懸架”，主動與半主動懸架是“有能源供給懸架”[6]。如圖 1（b））為被動懸架動力學(xué)簡化圖，被動懸架主要由減振器、懸架彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成，因為其較低的成本、簡單的結(jié)構(gòu)和良好的隔振特性，自汽車流水線量產(chǎn)之后，被動懸架系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的一種懸架，C級及以下轎車幾乎全部應(yīng)用該懸架系統(tǒng)，如帕賽特、哈佛H系列、奧迪A4等車的前懸架是麥弗遜或多連桿式、后懸架為復(fù)合式縱擺臂多連桿等。被動懸架因為彈性元件的剛度和減震器的阻尼都是不可調(diào)的，故對于復(fù)雜的路況其減振效果較差。雖然非線性剛度彈簧能夠改善這一缺陷，但彈簧剛度與汽車載荷有很大關(guān)系而無法根除。目前，研究被動懸架主要集中在三個方面：首先，利用計算機(jī)仿真技術(shù)與有限元相結(jié)合的方法建立數(shù)學(xué)模型，尋求最優(yōu)設(shè)計參數(shù)；其次是設(shè)計剛度可變的彈簧和阻尼可變的減震器，使懸架能夠適應(yīng)絕大多數(shù)的運(yùn)行路況；再次是設(shè)計合理的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，同時兼顧行駛平順性和穩(wěn)定性。因為二者性能之間通常是一對矛盾關(guān)系，操縱穩(wěn)定性增加，在一定程度上犧牲行駛平順性，反之亦然。

圖1 汽車1/4懸架模型

3 高度可調(diào)懸架設(shè)計

設(shè)計高度可調(diào)的懸架包括可伸縮下擺臂、減震器總成、上擺臂和車輪固結(jié)桿，其各部件安裝形式如圖2所示；車架、可伸縮下擺臂、車輪固結(jié)桿和上擺臂形成四連桿機(jī)構(gòu)與若干橫向穩(wěn)定桿起到穩(wěn)定及規(guī)劃運(yùn)動路線的作用；可伸縮下擺臂、車架和減震器總成形成三角形結(jié)構(gòu)決定懸架的高度[7]。

圖2 高度可調(diào)懸架裝配示意圖

4 高度可調(diào)懸架工作原理

利用Solidworks軟件搭建智能獨立懸架的總成三維圖，如圖2所示，并利用Motion Simulation插件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，如圖3所示，以汽車1/4懸架為對象計算該獨立懸架抬升技術(shù)參數(shù)[8]；圖3中虛線繪制的圖形為懸架抬升前各部件的位置及長度參數(shù)，實線繪制的圖形為懸架抬升之后各部件的位置及長度參數(shù)。懸架抬升前下擺臂長度為a’，下擺臂液壓缸收縮使得懸架抬升，此時下擺臂長度為 a，假設(shè)減震器總成長度為S且在懸架抬升過程中不發(fā)生變化，懸架抬升前減震器總成與車輛Z軸之間夾角為δ' ，抬升之后與Z軸夾角為δ，由余弦定理得：

其中，在懸架抬升過程中懸架總成與下擺臂鉸接點到下擺臂與車輪鉸接點之間的距離b不變，(a+b)/a稱為抬升放大系數(shù)。

其實在懸架抬升過程中，由于抬升前的角δ'大于抬升后的角δδ'，如果在抬升過程中汽車的載荷不發(fā)生變化，減震器總成將在懸架抬升過程中伸長。原因如下：

設(shè)1/4懸架的載荷為G，懸架總成中的彈簧剛度為K，抬升前彈簧壓縮位移為x'，抬升后彈簧壓縮位移為x。

所以，懸架抬升之后減震器總成中彈簧的長度有所增加，其增加量如下：

由于減震彈簧伸長對抬升高度的貢獻(xiàn)為：

綜上所述，懸架總抬升量等于：

按照桑塔納雙縱臂后懸架參數(shù)預(yù)計抬升最大高度，L=453mm，a'=305mm，b=98mm，a=270mm，δ '=29.6°，δ=20.2°，k=19.59N/mm，滿載G=3773N。

所以，在桑坦納轎車上更改下擺臂，在滿載情況下至少可以實現(xiàn)50mm以上高度的底盤抬升，普通轎車底盤抬升5厘米后底盤的高度就相當(dāng)于普通越野車的底盤高度，這樣可以大大提高汽車在差路面的通過性，汽車在良好平直路面高速行駛的時候?qū)⒌妆P降至最低提高操控性能。

圖3 懸架抬升原理圖

5 高度可調(diào)懸架控制邏輯

本文結(jié)合被動懸架與主動懸架的優(yōu)點設(shè)計了一種多功能獨立懸架及控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括碰撞安全模式、主動巡航模式和手動輸入模式，所用到的傳感器有車載攝像機(jī)、紅外傳感器、超聲波雷達(dá)、車速傳感器、車身振動傳感器、車身側(cè)傾傳感器和車身前傾傳感器等。在未來的無人駕駛車輛上這些傳感器都是基本配置，所以該懸架設(shè)計可以成為無人駕駛技術(shù)的一部分。

其中，碰撞安全模式為全壽命完全開啟模式，如圖4所示，信息采集單元通過車載攝像機(jī)、超聲波雷達(dá)、車速傳感器和紅外傳感器采集汽車周圍環(huán)境信息給碰撞模塊ECU，碰撞模塊 ECU對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出發(fā)生碰撞的概率，若碰撞概率大于預(yù)設(shè)的危險閾值時，優(yōu)先級仲裁模塊ECU向執(zhí)行液壓缸發(fā)出底盤抬升至最高的指令，當(dāng)危險解除后延遲一段時間汽車底盤恢復(fù)至抬升前設(shè)定的高度，碰撞安全模式的優(yōu)先級為最高。

主動巡航模式為選擇性模式，可選擇關(guān)閉或開啟，如圖4所示，通過車載攝像機(jī)、車速傳感器、車身振動傳感器、車身側(cè)傾傳感器及車身前傾傳感器采集行駛路況信息給巡航模塊ECU，巡航模塊ECU對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷當(dāng)前車輛行駛路況，并將路況信息發(fā)送到優(yōu)先級仲裁模塊ECU，優(yōu)先級仲裁模塊ECU給執(zhí)行單元發(fā)出控制指令，控制底盤抬升或降低。主動巡航模式的抬升指令優(yōu)先級低于碰撞安全模式；主動巡航模式能夠根據(jù)不同行駛路況實現(xiàn)低速惡劣路面抬升底盤提高通過性、良好路面高速行駛降低底盤改善操控性、過彎時減少車身側(cè)傾提高穩(wěn)定性、陡坡路面一定程度上保持車身水平、手動輸入模式只有在主動巡航模式關(guān)閉時才生效，在手動輸入模式下手動選擇抬升或降低汽車底盤高度，該模式的執(zhí)行優(yōu)先級最低。

圖4 智能懸架邏輯流程

6 結(jié)束

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計的有益效果是：具有簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在汽車上布置容易，可移植性優(yōu)良；在雙縱臂獨立懸架上安裝本設(shè)計的下擺臂，可以不改變原來懸架的參數(shù)，保證了懸架原有的操控穩(wěn)定性；本控制方法可以在事故發(fā)生之前抬升汽車底盤高度，減輕車內(nèi)人員的傷害程度；本設(shè)計無需額外增加舉升機(jī)構(gòu)及設(shè)備，而是利用減震器總成將汽車底盤抬高；本設(shè)計利用下擺臂的杠桿放大原理能夠?qū)崿F(xiàn)大幅抬高汽車底盤效果，本設(shè)計可以作為未來無人駕駛或是車聯(lián)網(wǎng)的一部分，因此具有較大的使用價值。

[1] 何延俊.單縱臂橫扭桿獨立懸架驅(qū)動橋設(shè)計研究[D].湖南大學(xué),2004.

[2] 周鑫.重型汽車雙橫臂獨立懸架設(shè)計研究[D].江蘇大學(xué), 2016.

[3] 寇發(fā)榮.基于電動靜液壓作動的新型汽車主動懸架[J].西安科技大學(xué)學(xué)報, 2008, 28(3):542-546.

[4] 馬寧,李長明.汽車懸架發(fā)展概述[J].科技資訊, 2007(34):221-221.

[5] 黎孟珠.汽車多剛度減振懸架的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].噪聲與振動控制2008, 28(4):84-86.

[6] 淺析汽車底盤協(xié)調(diào)控制的優(yōu)化設(shè)計,沈嘯.

[7] 江浩斌,陳彪,王亞平,等.一種獨立懸架及應(yīng)用該懸架抬升底盤的汽車安全控制系統(tǒng)和方法:CN105856997A[P].2016.

[8] 姜立標(biāo),劉永花,谷方德,等.新型運(yùn)動款汽車前懸架設(shè)計及參數(shù)化分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2010,36(4):482-485.