邱肖盼

摘 要：操穩(wěn)性和平順性是評價汽車性能的兩個重要指標，分析研究表明，操穩(wěn)性主要源于懸架對車身擾動的響應(yīng)，響應(yīng)越小，操穩(wěn)性越好；平順性主要源于懸架對路面激勵的響應(yīng)，響應(yīng)越充分，平順性越好。傳統(tǒng)的單彈簧懸架對擾動和激勵只能進行單一響應(yīng)，無法同時提高車輛的操穩(wěn)性和平順性；新型雙彈簧懸架對擾動采用不響應(yīng)的設(shè)計，對激勵進行充分響應(yīng)的同時還可以保持底盤的平衡，其操穩(wěn)性和平順性遠超過傳統(tǒng)單彈簧懸架。本文結(jié)合雙彈簧懸架的耦合振動進行分析，在提高車輛操穩(wěn)性的同時，找到提高平順性的參數(shù)范圍和設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：擾動；激勵；耦合振動；操穩(wěn)性；平順性

中圖分類號：U463.33 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0063-05

Abstract： Handling stability and ride comfort are two important indexes to evaluate vehicle performance. Analysis results show that handling stability is mainly due to the response of suspension to vehicle body disturbance. The smaller the response is， the better the handling is； while the ride comfort comes from the response from suspension to the excitation of road surface， the more responsive， the better the ride comfort. The traditional single-spring suspension can only respond to disturbance and excitation singly， which can not simultaneously improve the handling stability and ride comfort. The novel double-spring suspension adopts the unresponsive design to the disturbance and can fully respond to the excitation while maintaining the balance of the chassis， its handling stability and ride comfort far exceed the traditional single spring suspension. In this paper， combining with the analysis of double spring suspension coupling vibration， to find the parameters to improve ride comfort and design methods while improving vehicle handling stability.

Key Words： Disturbance； Excitation； Coupling vibration； Handling stability； Ride comfort

1 前言

操穩(wěn)性和平順性是衡量汽車性能的兩大重要指標，一般來說，平順性主要取決于懸架對車輪沖擊時的響應(yīng)能力，操穩(wěn)性主要取決于懸架對車身沖擊的響應(yīng)能力[1]，但是這種沖擊區(qū)別很大，沖擊強度不在一個數(shù)量級上，作用時間也相差至少一個數(shù)量級。對于目前的單彈簧懸架技術(shù)，采用一個彈簧響應(yīng)兩個不同數(shù)量級的沖擊，導致減振器的阻尼設(shè)定存在不可調(diào)和的矛盾，阻尼較大時，有利于提高操穩(wěn)性，但平順性降低，阻尼較小時，有利于提高平順性，但操穩(wěn)性降低[2]。雖然一些高級車輛配備的主動懸架可以根據(jù)路況和駕駛狀態(tài)適時調(diào)整阻尼的大小，但也僅是通過犧牲一定的操穩(wěn)性或平順性以滿足車輛的實時需求，無法同時提高這兩個指標[3]。從原理上說，單彈簧懸架導致底盤振動是不可避免的，現(xiàn)有的技術(shù)只能減弱振動或選擇性調(diào)控，本文提出的雙彈簧懸架技術(shù)能夠有效區(qū)別這兩種沖擊并分別響應(yīng)，使底盤在受到?jīng)_擊時減少甚至消除振動，在理論上可以同時提高汽車的操穩(wěn)性和平順性，大大提高車輛的綜合性能。

2 懸架的“擾動”與“激勵”

為便于討論和分析，需要對汽車懸架在垂直方向上的受力重新進行定義，普通車輛的懸架受到的沖擊主要包括兩個來源，一個是來自車身的沖擊，這個沖擊的主要特點是作用時間長，強度低，本文定義為“擾動”，另一個是來自于車輪的沖擊，主要特點是作用時間短，強度高，本文定義為“激勵”。為了研究其作用機制，本文對擾動和激勵的特征和參數(shù)進行了比較（以總重量為2噸的轎車為例），表1所示為擾動和激勵的區(qū)別，從對比中可以看出，擾動和激勵對懸架的要求及影響有很大區(qū)別，為了同時提高操穩(wěn)性和平順性，懸架就必須對擾動和激勵進行區(qū)分并采取不同的響應(yīng)方法，這也正是該新型雙彈簧懸架的設(shè)計思路和基本原則。

3 單彈簧懸架和雙彈簧懸架的區(qū)別

為尋找雙彈簧懸架的作用機制，本文將單彈簧懸架和雙彈簧懸架的結(jié)構(gòu)、激活特性和特性曲線進行對比分析，以找到雙彈簧懸架提高操穩(wěn)性的參數(shù)范圍和設(shè)計要求。

3.1 結(jié)構(gòu)與激活特性對比

單彈簧懸架只配置一個彈簧，無法對擾動和激勵進行區(qū)分，對懸架受到的擾動和激勵只能進行單一的響應(yīng)，彈簧和減振器始終處于激活狀態(tài)，而雙彈簧懸架通過配置兩個彈簧和設(shè)定合理的參數(shù)，在受到激勵時，主彈簧或者副彈簧有一個被激活，而對于擾動，懸架的兩個彈簧都不響應(yīng)，均處于未激活狀態(tài)，圖1所示為單彈簧和雙彈簧懸架的結(jié)構(gòu)對比，該新型雙彈簧懸架可以保證車輛具有最佳的操穩(wěn)性[4]。

3.2 特性曲線對比

單彈簧懸架由一個彈簧響應(yīng)所有的擾動和激勵，雖然有的懸架裝置中配備了兩個及以上的彈簧，但這些彈簧都是簡單并聯(lián)或串聯(lián)，其工作原理與單彈簧懸架一致，如圖2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三種類型：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兩種或三種特性曲線的組合，稱之為組合型特性曲線[5-7]。

雙彈簧懸架的特性曲線如圖3所示，圖中懸架在平衡靜止時的靜載荷為G0，主彈簧預緊力F1，設(shè)定F1≥1.2G0，副彈簧預緊力F2，此圖設(shè)定F2≤0.8G0，主彈簧在懸架的壓縮行程工作，副彈簧在懸架的拉伸行程工作，壓縮行程和拉伸行程之間為設(shè)計的高剛性區(qū)間，在這個區(qū)間內(nèi)，懸架載荷F發(fā)生變化時，懸架的行程變化值f很小甚至為0，懸架受到激勵時，其負荷變化超過了剛性區(qū)間，激活主彈簧或者副彈簧，使特性曲線處于壓縮行程或者伸長行程，而對于一般的擾動，因為載荷變化在剛性區(qū)間內(nèi)，主彈簧和副彈簧都處于未激活狀態(tài)[8]。

通過以上對比，單彈簧懸架會對懸架所受擾動和激勵進行同等響應(yīng)，而雙彈簧懸架能夠區(qū)分擾動和激勵，響應(yīng)激勵，但可以不響應(yīng)擾動。此時懸架行程依然保持在靜撓度點，懸架的行程不發(fā)生變化，懸架的導向機構(gòu)也就不會變化，綜上分析，采用雙彈簧懸架技術(shù)可以使汽車達到理想的操穩(wěn)性。

4 雙彈簧懸架的振動耦合特性

雙彈簧懸架不僅可以在受到擾動時，通過采用不響應(yīng)的設(shè)計獲得理想的操穩(wěn)性，還可以消除激勵對底盤的沖擊，使汽車具備理想的平順性。本文通過雙彈簧懸架的振動耦合特性進行建模和分析，證明雙彈簧懸架在保證車輛操穩(wěn)性的同時可以保證車輛具有理想的平順性。

4.1 雙彈簧懸架耦合振動特性及物理模型

如圖3-1是普通四輪汽車的簡化物理模型，A、B、C、D四點代表底盤的4個垂直受力點，F(xiàn)A、FB、FC、FD代表雙彈簧懸架的高剛性載荷范圍，fA、fB、fC、fD代表車輪傳遞到受力點的沖擊載荷，以底盤A受力點為例，F(xiàn)A受到向上沖擊，這個沖擊大于FA向上的高剛性載荷范圍，主彈簧被激活，這個懸架對激勵產(chǎn)生的響應(yīng)是積極的。如果把一個底盤看作一個杠桿進行分析，將D點看作支點，假設(shè)B點產(chǎn)生向上的力fB，如果保持在fB≤FB的設(shè)計范圍內(nèi)，與B點連接的懸架的主彈簧和副彈簧仍然處于未激活狀態(tài)，同理，與C點連接的懸架的主彈簧和副彈簧也處于未激活狀態(tài)，如果將B點和C點看做支點，那么D點受到向下的壓力，同理，如果保持在fD≤FD的設(shè)計范圍內(nèi)，D點的主彈簧和副彈簧全部處于未激活狀態(tài)，也就是說與BCD三個點連接的懸架沒有發(fā)生行程上的變化，根據(jù)三點確定一個平面的原理，最終結(jié)果是車身所在的平面并沒有發(fā)生變化，車輛在與A點連接處產(chǎn)生的沖擊經(jīng)過懸架傳導到車身時，這個激勵在底盤上消失了，這就是雙彈簧懸架的耦合振動特性，這個特性可以使車輛獲得很好的平順性。

4.2 雙彈簧懸架的耦合振動特性及參數(shù)設(shè)計

以配置4個懸架的普通車輛為例，當懸架處于平衡靜止位置時，設(shè)定懸掛的載荷為G0，如果懸架的主彈簧預緊力F1和副彈簧的預緊力F2同時滿足以下關(guān)系式：

那么，雙彈簧懸架就可以使車輛在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)具備同時提高操穩(wěn)性和平順性的基礎(chǔ)，使車身保持自動平衡，原因如下：

在此懸架中，我們設(shè)定F1=1.2G0，F(xiàn)2=0.8G0，車輛在運動或裝載過程中，懸架所受力F在0.8F0～1.2F0之間變化時，主彈簧和副彈簧均處于未激活狀態(tài)，懸架行程f不發(fā)生變化，在懸架的靜止平衡點上的剛性區(qū)間內(nèi)，懸架的剛性是無窮大的，f的變化接近于0，當單個懸架受到來自于路面對車輪的激勵時，懸架主彈簧或者副彈簧的受力超過0.8F0～1.2F0范圍時，相應(yīng)的彈簧被激活，懸架的行程發(fā)生相應(yīng)的變化，通過車身傳導到其它懸架后形成的擾動，一般情況下依然在0.8F0～1.2F0范圍內(nèi)，其它懸架不會發(fā)生形變，始終保持車身的平衡。

4.3 雙彈簧懸架的“穿越耦合”現(xiàn)象

雙彈簧懸架對于車身導致的擾動具備不響應(yīng)的特性可以使車輛保持在操穩(wěn)性最佳的狀態(tài)，同時，當一個懸架受到激勵時，該懸架在響應(yīng)激勵的同時會通過車身對其他懸架產(chǎn)生擾動，通過調(diào)整雙彈簧懸架的剛性區(qū)間，使其他三個懸架對這個擾動仍然可以處于不響應(yīng)的狀態(tài)，也就是沒有受到激勵的懸架會繼續(xù)保持在靜撓度行程上，根據(jù)三點確定一個平面的原理，這時候就會出現(xiàn)車身沒有被激勵影響的情況。車身繼續(xù)保持在原平衡狀態(tài)，最終表現(xiàn)為單個車輪在垂直方向上的沖擊經(jīng)過雙彈簧懸架后傳導到底盤上時，多個懸架互相作用后，底盤和車身受到的沖擊消失了，或者說，車輪的沖擊在底盤垂直方向上的耦合出現(xiàn)了穿越，對底盤的影響變?yōu)?的現(xiàn)象，我們將其稱為“穿越耦合”現(xiàn)象。

4.4 “穿越耦合”現(xiàn)象發(fā)生的條件

“穿越耦合”的發(fā)生需要四個以上懸架在同一個底盤上連接并同時受到?jīng)_擊作用，因為當一個懸架受到激勵時，其它懸架必須保證三個以上不響應(yīng)，才能保證車身所在的平面保持平衡，這也是車輛平順性的重要來源。

在設(shè)計雙彈簧懸架時，在主彈簧或者副彈簧的激活方向上，阻尼越小越好，在主彈簧或者副彈簧恢復時可以設(shè)計較大的阻尼，以保證懸架在激活和恢復過程中對其他懸架的擾動保持在設(shè)計范圍內(nèi)，使車身在垂直方向上受到的沖擊最小，從而保證車輛具備良好的平順性。

該新型雙彈簧懸架在設(shè)計時，要求主彈簧配置的減振器的壓縮阻尼相對系數(shù)小于0.1，回彈阻尼相對系數(shù)大于0.5。這樣的設(shè)計可以使彈簧在激活過程中降低剛性，減弱對車身的沖擊，將其對其它懸架的主動干擾控制在較小的范圍內(nèi)，當一個車輪受到?jīng)_擊時，通過限制底盤傳導到車身的沖擊，避免激活其他懸架的彈簧。

5 “穿越耦合”現(xiàn)象的應(yīng)用

5.1 懸架“擾動”和“激勵”的概率分析

懸架受到的激勵主要來自于不平整的路面，可以說所有的實際路面都是不平整的，但是在相對平整道路上行駛時，兩個以上的懸架同時被激勵的概率很低，在同一時刻，絕大部分的激勵都發(fā)生在單個懸架上，其他懸架僅僅是受到擾動，并沒有行程上的變化。相比于懸架的每一次激勵都會影響到車身平衡的單彈簧懸架，雙彈簧懸架中單個懸架被激勵時并不會導致車身平衡的破壞，在保證車輛平順性方面的有著明顯的優(yōu)勢。在路面激勵中，不可避免存在兩個甚至三個車輪同時受到激勵的情況，但這種激勵發(fā)生的概率很低，主要存在于減速帶或人為設(shè)置障礙以及非鋪裝路面或者越野時，因為彈簧激勵時的阻尼很小，依然可以降低底盤的受沖擊強度，相比單彈簧懸架的平順性也會提高很多。

車輛在行駛狀態(tài)時，懸架受到的擾動時刻都在發(fā)生。在單彈簧懸架中，懸架時刻都有在響應(yīng)擾動，車身始終都在處在不平衡狀態(tài)，而雙彈簧懸架對擾動表現(xiàn)為高剛性，懸架的主彈簧和副彈簧處于未激活狀態(tài)，因此，雙彈簧懸架在保證車輛操穩(wěn)性方面同樣優(yōu)勢明顯。在特殊路況或者激烈駕駛狀態(tài)時，也可能發(fā)生擾動激活雙彈簧的情況，但是由于有預壓力的存在，彈簧可以很快恢復到平衡狀態(tài)，因此其操穩(wěn)性相比單彈簧懸架也有著明顯的改善。

5.2 懸架擾動和激勵的動態(tài)分析

車輛在正常行駛時，懸架受到的擾動通常是疊加在一起的，而且常常會超過懸架的剛性區(qū)間，主彈簧和副彈簧也可能被擾動激活，但是在實車測試過程中，這樣的擾動很快就會被修正，懸架很快便可以恢復到平衡狀態(tài)，與單彈簧懸架相比，在操穩(wěn)性和平順性方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

懸架在受到激勵時，還會受到擾動的影響，但擾動與激勵相比，其形成的沖擊小1到2個數(shù)量級，可以忽略不計。綜合起來，只要設(shè)計范圍合理，能夠盡可能地減少車輛在行駛狀態(tài)所受的沖擊，使懸架實現(xiàn)車身的自動平衡。經(jīng)過實車驗證，雙彈簧懸架能夠同時提高車輛的操穩(wěn)性和平順性。

6 結(jié)論

新型雙彈簧懸掛系統(tǒng)與當前的單彈簧懸架系統(tǒng)相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，有望成為單彈簧懸架的升級換代產(chǎn)品。其技術(shù)優(yōu)勢主要包括：

（1）車輛自動平衡功能：避免或最大程度地減少車輛的橫搖、縱搖和斜搖，具備實現(xiàn)車身自動平衡的基礎(chǔ)，技術(shù)效果優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

（2）車輛高度保持功能：在負載變化時可以保持車身高度不變，使車輛在最佳參數(shù)范圍內(nèi)運行，提高駕駛安全性。

（3）同時提高車輛的操穩(wěn)性和平順性：這是現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)的，即使是復雜的智能控制和伺服機構(gòu)也只是對舒適性和操控性的折中選擇。

（4）低成本，長壽命和高可靠性：在很大程度上減少了車身的振動，大幅度降低了振動能量消耗和懸架的動作頻次，有效提高了懸架彈簧和減振器的使用壽命并節(jié)油10%以上，同時還降低了生產(chǎn)成本和后期的維護保養(yǎng)成本。

參考文獻：

[1]楊榮山，袁仲榮，黃向東，等.車輛操縱穩(wěn)定性及平順性的協(xié)同優(yōu)化研究[J].汽車工程，2009， 31（11）：1053-1059.

[2]陸優(yōu).汽車主動懸架系統(tǒng)控制策略探究[D].武漢理工大學.2006，5.

[3]陳雙.基于電控空氣懸架的轎車平順性和操縱穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制研究[D].吉林大學，2012.

[4]席玉林.雙彈簧減震器總成：中國，CN201710589104[P]. 2017.09.29.

[5]楊蔚華.半主動懸架電動輪汽車的動力學特性與振動控制研究[D].武漢科技大學，2015.

[6]WANG ChunYan，DENG Ke，ZHAO WanZhong，ZHOU Guan，LI XueSong.Robust control for active suspension system under steering condition[J].Science China（Technological Sciences），2017，60（02）：199-208.

[7]鮑衛(wèi)寧.汽車空氣懸架及其控制系統(tǒng)動力學仿真分析研究[D].華中科技大學，2011.

[8]席玉林.組合彈簧補償懸掛裝置：中國，CN201510206214 [P].2015.07.15.