汽車智能懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guó)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(dòng)，傳遞兩者之間的所有力和扭矩，來(lái)保證汽車平順行駛。在眾多獨(dú)立懸架中，雙縱臂式獨(dú)立懸架可通過(guò)優(yōu)化上下縱臂長(zhǎng)度，并合理布置上、下縱臂與車輪及車架（或車身）連接點(diǎn)，就可以使車輪在跳動(dòng)過(guò)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(dú)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(dòng)型轎車甚至賽車的后懸架也采用該懸架結(jié)構(gòu)。

目前對(duì)獨(dú)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(dòng)懸架和空氣懸架外，一般的被動(dòng)懸架及半主動(dòng)懸架基本上不具備抬升汽車底盤高度來(lái)提高汽車通過(guò)性的能力，更加少見的是通過(guò)抬高汽車底盤高度來(lái)減少碰撞過(guò)程中對(duì)車內(nèi)人員傷害的懸架。

1 主動(dòng)懸架

早在上世紀(jì)五十年代GM公司的Erspiel-labrosse提出了主動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化圖。該懸架系統(tǒng)的本質(zhì)是在被動(dòng)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)完成對(duì)車輛各系統(tǒng)各狀態(tài)的信號(hào)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(hào)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(dòng)機(jī)或電磁鐵等。在汽車振動(dòng)全頻段范圍內(nèi)全主動(dòng)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(dòng)載荷，提高輪胎接地性，改善操控性能，延長(zhǎng)輪胎使用壽命；按需調(diào)節(jié)底盤高度，提高通過(guò)性能。但是全主動(dòng)懸架也存在著一些劣勢(shì)，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(diǎn)制約了全主動(dòng)懸架在普通汽車上的推廣與應(yīng)用。

2 被動(dòng)懸架

汽車懸架按阻尼與剛度是否可調(diào)可分為被動(dòng)、半主動(dòng)與主動(dòng)懸架三大類。其中，被動(dòng)懸架是“無(wú)能源供給懸架”，主動(dòng)與半主動(dòng)懸架是“有能源供給懸架”[6]。如圖 1（b））為被動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化圖，被動(dòng)懸架主要由減振器、懸架彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成，因?yàn)槠漭^低的成本、簡(jiǎn)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(dòng)懸架系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的一種懸架，C級(jí)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(dòng)懸架因?yàn)閺椥栽膭偠群蜏p震器的阻尼都是不可調(diào)的，故對(duì)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(wú)法根除。目前，研究被動(dòng)懸架主要集中在三個(gè)方面：首先，利用計(jì)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(jì)參數(shù)；其次是設(shè)計(jì)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(jì)合理的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，同時(shí)兼顧行駛平順性和穩(wěn)定性。因?yàn)槎咝阅苤g通常是一對(duì)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(jì)

設(shè)計(jì)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(dòng)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(dú)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(dòng)學(xué)仿真，如圖3所示，以汽車1/4懸架為對(duì)象計(jì)算該獨(dú)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(zhǎng)度參數(shù)，實(shí)線繪制的圖形為懸架抬升之后各部件的位置及長(zhǎng)度參數(shù)。懸架抬升前下擺臂長(zhǎng)度為a’，下擺臂液壓缸收縮使得懸架抬升，此時(shí)下擺臂長(zhǎng)度為 a，假設(shè)減震器總成長(zhǎng)度為S且在懸架抬升過(guò)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(guò)程中懸架總成與下擺臂鉸接點(diǎn)到下擺臂與車輪鉸接點(diǎn)之間的距離b不變，(a+b)/a稱為抬升放大系數(shù)。

其實(shí)在懸架抬升過(guò)程中，由于抬升前的角δ'大于抬升后的角δδ'，如果在抬升過(guò)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(guò)程中伸長(zhǎng)。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(zhǎng)度有所增加，其增加量如下：

由于減震彈簧伸長(zhǎng)對(duì)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(jì)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(shí)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(guò)性，汽車在良好平直路面高速行駛的時(shí)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(dòng)懸架與主動(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種多功能獨(dú)立懸架及控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括碰撞安全模式、主動(dòng)巡航模式和手動(dòng)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(dòng)傳感器、車身側(cè)傾傳感器和車身前傾傳感器等。在未來(lái)的無(wú)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(jì)可以成為無(wú)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(guò)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(duì)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(xiǎn)閾值時(shí)，優(yōu)先級(jí)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(xiǎn)解除后延遲一段時(shí)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(jí)為最高。

主動(dòng)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(guò)車載攝像機(jī)、車速傳感器、車身振動(dòng)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(duì)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(jí)仲裁模塊ECU，優(yōu)先級(jí)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(dòng)巡航模式的抬升指令優(yōu)先級(jí)低于碰撞安全模式；主動(dòng)巡航模式能夠根據(jù)不同行駛路況實(shí)現(xiàn)低速惡劣路面抬升底盤提高通過(guò)性、良好路面高速行駛降低底盤改善操控性、過(guò)彎時(shí)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(dòng)輸入模式只有在主動(dòng)巡航模式關(guān)閉時(shí)才生效，在手動(dòng)輸入模式下手動(dòng)選擇抬升或降低汽車底盤高度，該模式的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)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(jì)的有益效果是：具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在汽車上布置容易，可移植性優(yōu)良；在雙縱臂獨(dú)立懸架上安裝本設(shè)計(jì)的下擺臂，可以不改變?cè)瓉?lái)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(jì)無(wú)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(jì)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(jì)可以作為未來(lái)無(wú)人駕駛或是車聯(lián)網(wǎng)的一部分，因此具有較大的使用價(jià)值。

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