席玉林，邱肖盼

(1.北京金帛科技有限公司，北京 102299；2.鋼鐵研究總院，北京 100081)

0 引言

車(chē)輛懸掛一般會(huì)安裝彈簧以減緩來(lái)自外界的沖擊，但是彈簧本身的彈性使得它在吸震后反復(fù)伸縮，需要與彈簧并聯(lián)安裝減震器以減緩車(chē)身的過(guò)度震動(dòng)，很難同時(shí)保證車(chē)輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性[1]。目前，雖然通過(guò)復(fù)雜的電控系統(tǒng)可以及時(shí)調(diào)節(jié)彈簧的硬度和阻尼大小，但這也只是在車(chē)輛受到?jīng)_擊后通過(guò)暫時(shí)的調(diào)整來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)前舒適性或操控性的需求，無(wú)法做到同時(shí)提高舒適性和操控性[2]，而且該系統(tǒng)的制造維護(hù)成本高，加之工作頻度高而壽命較低，很難在所有車(chē)輛中普及。文中介紹的雙彈簧自動(dòng)平衡懸架可以在車(chē)輛遇到干擾后通過(guò)彈簧背壓保持車(chē)身平衡高度，降低了減震器的阻尼作用，同時(shí)保證了車(chē)輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性，同時(shí)由于工作頻度較低以及需要消除的能量減少而具有壽命長(zhǎng)和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1 懸架彈簧受力分析

1.1 單彈簧懸架的特性曲線

懸架是汽車(chē)的車(chē)架與車(chē)橋或車(chē)輪之間的一切傳力連接裝置的總稱(chēng)，其中懸架彈簧的主要作用是緩和由不平路面?zhèn)髦淋?chē)身的垂直載荷所形成的沖擊并衰減由此引起的振動(dòng)，以保證車(chē)輛的乘坐舒適性[3]。一般車(chē)輛配置4個(gè)或4個(gè)以上懸架裝置且全部為單彈簧懸架，雖然有的在懸架裝置中配備了2個(gè)以上的彈簧，但這些彈簧都是并聯(lián)或串聯(lián)布置，其工作原理與單彈簧懸架一致。如圖1所示：其載荷F與彈簧形變f之間的關(guān)系特性曲線大致分為3種類(lèi)型：(1)直線型；(2)漸增型；(3)漸減型，其懸架載荷F和彈簧形變f均是連續(xù)變化的。另外，有些懸架彈簧的特性曲線可以是以上2種或3種特性曲線的組合，稱(chēng)之為組合型特性線[4-6]。

圖1 單彈簧懸架的特性曲線

1.2 乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性的矛盾

乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)汽車(chē)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，而懸架中彈簧的形變是影響這兩個(gè)指標(biāo)的最重要因素。在目前的懸架設(shè)計(jì)中，彈簧的剛度大小受減震器阻尼的影響，減震器阻尼小則彈簧剛度小，懸架比較軟，對(duì)車(chē)身的沖擊小，乘坐舒適性高，但恢復(fù)平衡慢，操作穩(wěn)定性較低；減震器阻尼大則彈簧剛度大，懸架比較硬，車(chē)身恢復(fù)平衡快，操作穩(wěn)定性較高，但對(duì)車(chē)身的沖擊大，乘坐舒適性降低[6-8]。另外，由于傳統(tǒng)單彈簧懸架特性曲線的載荷和形變是連續(xù)線性的，任何一個(gè)懸架彈簧載荷的變化都會(huì)導(dǎo)致其他彈簧隨之發(fā)生相應(yīng)的形變，最終破壞車(chē)身的平衡，使得乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性在當(dāng)前的汽車(chē)設(shè)計(jì)中始終是“魚(yú)和熊掌”的關(guān)系[9]。

1.3 主動(dòng)干擾與被動(dòng)干擾

車(chē)輛在正常行進(jìn)過(guò)程中，車(chē)身會(huì)受到各種干擾，這些干擾主要表現(xiàn)在使汽車(chē)懸架在垂直方向上的載荷發(fā)生變化。傳統(tǒng)懸架的變形和垂直受力有連續(xù)線性的關(guān)系，彈簧載荷的變化會(huì)導(dǎo)致懸架發(fā)生相應(yīng)的形變[10-11]，這是目前汽車(chē)設(shè)計(jì)中乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性出現(xiàn)矛盾的直接原因。

以最常見(jiàn)的4個(gè)懸架的車(chē)輛為例，車(chē)輛在行進(jìn)過(guò)程中，由于速度、方向的變化和不平路面的影響，車(chē)身對(duì)懸架的載荷大小會(huì)發(fā)生不同的變化，主要表現(xiàn)為：

(1)車(chē)輛行駛方向發(fā)生變化時(shí)，其中一側(cè)懸架的載荷增大，另一側(cè)載荷減小，導(dǎo)致車(chē)身側(cè)傾，即出現(xiàn)“橫搖”現(xiàn)象；

(2)車(chē)輛行駛速度發(fā)生變化時(shí)，前后懸架載荷也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，例如剎車(chē)時(shí)的點(diǎn)頭或加速時(shí)的后仰，即為“縱搖”現(xiàn)象；

(3)行駛方向和速度同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，其中一個(gè)懸架的載荷增大而壓縮，其對(duì)角的懸架載荷減小而伸長(zhǎng)，便會(huì)出現(xiàn)“斜搖”現(xiàn)象。

(4)由于路面不平整對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生的沖擊通常是隨機(jī)的，懸架彈簧的載荷隨之發(fā)生變化，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“斜搖”現(xiàn)象。

其中，第(1)～(3)項(xiàng)是由于人為操控車(chē)輛而發(fā)生的，是車(chē)輛的主動(dòng)行為導(dǎo)致懸架彈簧發(fā)生了形變，一般稱(chēng)之為“主動(dòng)干擾”，這種干擾持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度低。因此，減小懸掛受到主動(dòng)干擾時(shí)的彈簧形變，提高操作穩(wěn)定性，是懸架設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)之一。

第4項(xiàng)是由于路面不平整而發(fā)生的，一般稱(chēng)之為“被動(dòng)干擾”，這種干擾持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度高。因此，在其中一個(gè)懸架彈簧發(fā)生形變的同時(shí)盡可能減小其他懸架彈簧的形變，提高乘坐舒適性，也是懸架設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)之一。

但是，由于主動(dòng)干擾和被動(dòng)干擾的存在，在目前的單彈簧懸架設(shè)計(jì)中，只要有一個(gè)懸架彈簧受到的載荷發(fā)生變化，其他彈簧懸架的載荷也會(huì)隨之改變，而且彈簧形變和載荷線性相關(guān)，其發(fā)生的變形便會(huì)破壞車(chē)身平衡，無(wú)法避免車(chē)身的橫搖、縱搖和斜搖現(xiàn)象，不能同時(shí)保證車(chē)輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性。

2 雙彈簧自動(dòng)平衡懸架

2.1 雙彈簧懸架的設(shè)計(jì)原理

由于連續(xù)線性的懸架彈簧特性無(wú)法解決乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性的矛盾，作者利用兩個(gè)彈簧的不同背壓開(kāi)發(fā)了具有階梯線性的雙彈簧懸架。彈簧背壓就是對(duì)懸架的彈簧施加一個(gè)適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，當(dāng)懸架受力不超過(guò)彈簧的背壓時(shí)，行程不會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)一定的設(shè)計(jì)，當(dāng)強(qiáng)度低的主動(dòng)干擾發(fā)生時(shí)，懸架不發(fā)生形變，車(chē)身自動(dòng)保持原來(lái)的平衡；當(dāng)強(qiáng)度高的被動(dòng)干擾發(fā)生時(shí)，受沖擊懸架彈簧發(fā)生相應(yīng)的形變，沒(méi)有受到?jīng)_擊的其他懸架彈簧不發(fā)生形變，使車(chē)身自動(dòng)保持原來(lái)的平衡。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于一個(gè)彈簧被預(yù)緊力限制后，不能參與懸架的全部行程，采用2個(gè)帶背壓的彈簧組成懸架的全部行程，以靜止平衡載荷點(diǎn)開(kāi)始，主彈簧參與懸架的壓縮行程，主彈簧采用長(zhǎng)度限制提供預(yù)緊力，這個(gè)預(yù)緊力大于懸架的平衡載荷；從靜止平衡點(diǎn)開(kāi)始，采用副彈簧參與懸架的伸長(zhǎng)行程，懸架的負(fù)載大于副彈簧的最大壓縮力，使副彈簧處于最大背壓狀態(tài)，這個(gè)最大背壓小于懸架的平衡載荷。

通過(guò)具有階梯線性特性曲線的懸架彈簧設(shè)計(jì)，使懸架具備智能特征，通過(guò)彈簧的載荷強(qiáng)度高低區(qū)分主動(dòng)干擾和被動(dòng)干擾，做到主動(dòng)干擾時(shí)不發(fā)生形變，被動(dòng)干擾時(shí)主動(dòng)緩和沖擊，自動(dòng)保持車(chē)身的平衡，同時(shí)提高了車(chē)輛的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性，這是目前傳統(tǒng)懸架的設(shè)計(jì)理論無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.2 雙彈簧懸架的特性曲線

雙彈簧懸架的特性曲線如圖2所示：懸架在平衡靜止時(shí)的靜載荷為G0，主彈簧預(yù)載荷F1，設(shè)定F1≥1.2G0，副彈簧預(yù)載荷F2，設(shè)定F2≤0.8G0；主彈簧在懸架的壓縮行程工作，副彈簧在懸架的伸長(zhǎng)行程工作；壓縮行程和伸長(zhǎng)行程之間是作者設(shè)計(jì)的高剛性區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，懸架載荷F發(fā)生變化時(shí)，懸架形變f很小甚至為0。

圖2 雙彈簧懸架的特性曲線

由圖2可知，該雙彈簧懸架的特性曲線是階梯狀直線，不同于上述單彈簧懸架的連續(xù)型特性。在最低載荷Fmin逐漸加載到滿(mǎn)載荷Fmax的過(guò)程中所體現(xiàn)出來(lái)的曲線特性如下：

(1)在伸長(zhǎng)行程，副彈簧變形，主彈簧沒(méi)有形變，形變大小與副彈簧參數(shù)相關(guān)；

(2)在剛性區(qū)間，副彈簧和主彈簧都沒(méi)有形變；

(3)壓縮行程，主彈簧變形，副彈簧保持在最大形變狀態(tài)，形變大小與主彈簧參數(shù)相關(guān)。

2.3 雙彈簧懸架的自動(dòng)平衡原理

普通車(chē)輛一般配置4個(gè)以上的懸架裝置，在懸架的平衡靜止位置，設(shè)定懸掛的載荷為G0，如果懸架的主彈簧預(yù)載荷F1和副彈簧的預(yù)載荷F2同時(shí)滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

則雙彈簧懸架就可以使車(chē)輛在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，保持車(chē)身的自動(dòng)平衡，同時(shí)保證車(chē)輛的乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性，原因如下：

在此懸架中，作者設(shè)定F1=1.2G0、F2=0.8G0，車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)或裝載過(guò)程中，懸架所受力F在0.8F0～1.2F0之間變化時(shí)，懸架行程f不發(fā)生變化，在懸架的靜止平衡點(diǎn)上的高剛性區(qū)間內(nèi)，懸架的剛性是無(wú)窮大的，f的變化接近于0，在一般的車(chē)輛行駛狀態(tài)，懸架受到的主動(dòng)干擾不超過(guò)0.8F0～1.2F0，車(chē)身能自動(dòng)保持平衡；當(dāng)懸架受到被動(dòng)干擾時(shí)，受到?jīng)_擊的懸架的載荷超過(guò)0.8F0～1.2F0時(shí)，懸架發(fā)生相應(yīng)的變形，同時(shí)這個(gè)懸架變形后，通過(guò)車(chē)身傳導(dǎo)到其他懸架，對(duì)其他懸架形成主動(dòng)干擾，一般情況下傳導(dǎo)的主動(dòng)干擾依然在0.8F0～1.2F0內(nèi)，其他懸架不發(fā)生形變，車(chē)身依然保持平衡。

當(dāng)被動(dòng)干擾發(fā)生時(shí)，實(shí)際上被動(dòng)干擾時(shí)刻都在發(fā)生且變化不規(guī)律，基本上都是以單個(gè)懸架受到?jīng)_擊為主，多個(gè)車(chē)輪同時(shí)受到?jīng)_擊的概率很小。以單個(gè)車(chē)輪受到來(lái)自于地面的沖擊為例進(jìn)行分析，當(dāng)單個(gè)車(chē)輪受到來(lái)自于地面的沖擊時(shí)，傳導(dǎo)到懸架產(chǎn)生被動(dòng)干擾，這個(gè)干擾通常作用時(shí)間很短，沖擊強(qiáng)度很高，大多時(shí)候遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)G，則懸架必須發(fā)生變形，否則該沖擊會(huì)對(duì)車(chē)身造成破壞。但是，在配置了4個(gè)及以上雙彈簧懸架的車(chē)輛中，當(dāng)其中一個(gè)懸架發(fā)生變形時(shí)，由于彈簧的預(yù)緊力與靜止載荷的差值小于0.2G，也就是說(shuō)通過(guò)車(chē)身對(duì)其他懸架的影響也不超過(guò)0.2G，這就意味著其他懸架的行程不發(fā)生變化，由于3個(gè)點(diǎn)就便可以確定一個(gè)平面，所以車(chē)身的平衡并不會(huì)被破壞。

上述懸架的主動(dòng)干擾是在理想的假設(shè)情況下，實(shí)際上由于減震器阻尼的存在會(huì)導(dǎo)致車(chē)身的干擾超過(guò)設(shè)定值，所以作者采用壓縮阻尼足夠小的單向減震器，這樣便可以將被動(dòng)干擾造成的主動(dòng)干擾降低到設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)車(chē)身的自動(dòng)平衡。

2.4 雙彈簧懸架減震器的設(shè)計(jì)

上述雙彈簧懸架中采用2個(gè)帶有背壓的彈簧保持了車(chē)身的平衡，但是車(chē)輪及車(chē)身的震動(dòng)需要并聯(lián)減震器對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行消減。需要特別說(shuō)明的是：由于雙彈簧懸架具有車(chē)身自動(dòng)平衡特性，減少了車(chē)身的不必要震動(dòng)，所需要消減的能量也降低很多，對(duì)車(chē)輛懸架減震器的阻尼設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。

首先，減震器可以?xún)H在懸架的壓縮行程設(shè)計(jì)阻尼。因?yàn)閼壹艿膲嚎s行程有可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)身的震動(dòng)，需要阻尼消減能量，使車(chē)身盡快恢復(fù)平衡；在懸架的伸長(zhǎng)行程，一般僅為車(chē)輪的震動(dòng)，對(duì)車(chē)身的影響較小，從成本考慮可以取消減震阻尼的設(shè)計(jì)，對(duì)車(chē)輛的行駛性能不會(huì)有太大的影響。

其次，要求減震的壓縮阻尼相對(duì)系數(shù)小于0.1，回彈阻尼相對(duì)系數(shù)大于0.5。這樣的設(shè)計(jì)可以使彈簧在壓縮過(guò)程中降低剛性，減弱對(duì)車(chē)身的沖擊，將它對(duì)其他懸架的主動(dòng)干擾控制在較小的范圍內(nèi)。同時(shí)，較大的回彈阻尼系數(shù)可以將車(chē)身的振動(dòng)頻率控制2 Hz以下，保證車(chē)輛的乘坐舒適性。

3 雙彈簧懸架的實(shí)物模型驗(yàn)證

3.1 實(shí)物模型的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證雙彈簧懸架的自動(dòng)平衡原理，這里設(shè)計(jì)了一個(gè)10∶1的實(shí)物模型(如圖3所示)，此模型采用500 mm×200 mm×12 mm鋁合金板模擬車(chē)身，在4個(gè)角位置配置由2個(gè)彈簧并聯(lián)的雙彈簧懸架，其中一個(gè)彈簧在車(chē)身上部用固定螺栓進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)載荷可調(diào)整。

圖3 10∶1實(shí)物模型

3.2 實(shí)物模型對(duì)比試驗(yàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中，分3種情況進(jìn)行高度測(cè)量：第一種是車(chē)輛空載；第二種是在一角配重加載，配重質(zhì)量為鋁合金板的15%；第三種是在單個(gè)車(chē)輪底部增加高度，此試驗(yàn)中采用一本厚度大約5 mm的書(shū)，然后測(cè)量車(chē)身高度。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明3種情況的車(chē)身高度相同，對(duì)比如圖4所示。

圖4 實(shí)物模型對(duì)比試驗(yàn)

3.3 模型對(duì)比試驗(yàn)分析

在空載試驗(yàn)之前，取消彈簧的預(yù)緊力，用手推動(dòng)小車(chē)并較快地變化速度和方向，由于重心配置很高，模型晃動(dòng)明顯，懸架的彈簧變形頻繁，這與重心較高的商用車(chē)類(lèi)似，速度和方向不能變化太快，否則會(huì)嚴(yán)重影響車(chē)輛的安全性。

隨著預(yù)緊力的增加，即使在沒(méi)有減震器的幫助下，車(chē)身的穩(wěn)定性也越來(lái)越高，這證明僅僅依靠彈簧而不需要減震器也可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身穩(wěn)定和平衡。

調(diào)整4個(gè)懸架的預(yù)緊力，使其在適當(dāng)位置并保持一致后進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)空載測(cè)量車(chē)身高度，尺寸是141 mm；

(2)加載配重7.5%時(shí)，車(chē)身高度尺寸141 mm；配重增加至15%時(shí)，車(chē)身高度仍保持在141 mm；只有當(dāng)配重超過(guò)彈簧的預(yù)緊力后，車(chē)身高度開(kāi)始降低，增加配重至22.5%時(shí)，車(chē)身高度為125 mm；

(3)在一個(gè)懸架底部放置厚度大約為5 mm的一本書(shū)，使小車(chē)其中一個(gè)車(chē)輪壓到書(shū)的上面，測(cè)量車(chē)身高度尺寸為141 mm。

綜上分析，試驗(yàn)(1)和(2)對(duì)比可以驗(yàn)證雙彈簧懸架的車(chē)身高度保持功能和彎道車(chē)身平衡功能。試驗(yàn)(1)和(3)對(duì)比可以驗(yàn)證雙彈簧懸架在單個(gè)車(chē)輪受到路面沖擊時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)身的自動(dòng)平衡功能。

4 雙彈簧懸架的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 實(shí)現(xiàn)車(chē)身自動(dòng)平衡

在懸架系統(tǒng)中安裝雙彈簧減震總成可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身的自動(dòng)平衡，其負(fù)荷為主彈簧的預(yù)載荷和副彈簧的組合作用力，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)懸架的3個(gè)剛度區(qū)間，可以讓?xiě)壹軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)濾功能。懸架不需要變形時(shí)，就保持超高剛度；當(dāng)其中一個(gè)懸架需要變形時(shí)，能盡量保證其他懸架不變形或變形很小，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)不僅可以同時(shí)提高車(chē)輛的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性，還能保持車(chē)身高度不變，避免或最大限度地減少橫搖、縱搖和斜搖的發(fā)生，這些性能指標(biāo)也是當(dāng)前的單彈簧懸架技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

4.2 同時(shí)提高操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性

由于主彈簧預(yù)載荷的存在，通過(guò)主彈簧和副彈簧的組合即可以保持車(chē)身的平衡，那么就不需要減震器的阻尼來(lái)保持車(chē)身平衡和減少車(chē)身的搖動(dòng)，因此可以采用很小的壓縮阻尼，減弱車(chē)輪沖擊對(duì)懸架的影響，同時(shí)采用較大的回彈阻尼，消除振動(dòng)能量，這樣就不會(huì)因?yàn)闇p震器的阻尼太小而影響操作穩(wěn)定性，也不會(huì)因?yàn)樽枘崽蠖绊懗俗孢m性，可以同時(shí)保證車(chē)輛的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性。

4.3 優(yōu)異的綜合性能

雙彈簧懸架的自動(dòng)平衡作用在很大程度上減少了車(chē)身的震動(dòng)，大幅度減少了需要消除的能量，降低了減震器的阻尼作用，不僅同時(shí)提升了車(chē)輛的操作穩(wěn)定性和乘坐舒適性，減少了不必要的能源消耗，還減少了彈簧和減振器的工作頻度，有效提高了其使用壽命，降低了生產(chǎn)成本和后期的維護(hù)保養(yǎng)成本，這與當(dāng)前的單彈簧懸架系統(tǒng)相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。

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