新型雙彈簧懸架耦合振動(dòng)特性及應(yīng)用

邱肖盼

摘 要：操穩(wěn)性和平順性是評(píng)價(jià)汽車(chē)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，分析研究表明，操穩(wěn)性主要源于懸架對(duì)車(chē)身擾動(dòng)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(duì)路面激勵(lì)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(duì)擾動(dòng)和激勵(lì)只能進(jìn)行單一響應(yīng)，無(wú)法同時(shí)提高車(chē)輛的操穩(wěn)性和平順性；新型雙彈簧懸架對(duì)擾動(dòng)采用不響應(yīng)的設(shè)計(jì)，對(duì)激勵(lì)進(jìn)行充分響應(yīng)的同時(shí)還可以保持底盤(pán)的平衡，其操穩(wěn)性和平順性遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)單彈簧懸架。本文結(jié)合雙彈簧懸架的耦合振動(dòng)進(jìn)行分析，在提高車(chē)輛操穩(wěn)性的同時(shí)，找到提高平順性的參數(shù)范圍和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：擾動(dòng)；激勵(lì)；耦合振動(dòng)；操穩(wěn)性；平順性

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chē)性能的兩大重要指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，平順性主要取決于懸架對(duì)車(chē)輪沖擊時(shí)的響應(yīng)能力，操穩(wěn)性主要取決于懸架對(duì)車(chē)身沖擊的響應(yīng)能力[1]，但是這種沖擊區(qū)別很大，沖擊強(qiáng)度不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，作用時(shí)間也相差至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于目前的單彈簧懸架技術(shù)，采用一個(gè)彈簧響應(yīng)兩個(gè)不同數(shù)量級(jí)的沖擊，導(dǎo)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(shí)，有利于提高操穩(wěn)性，但平順性降低，阻尼較小時(shí)，有利于提高平順性，但操穩(wěn)性降低[2]。雖然一些高級(jí)車(chē)輛配備的主動(dòng)懸架可以根據(jù)路況和駕駛狀態(tài)適時(shí)調(diào)整阻尼的大小，但也僅是通過(guò)犧牲一定的操穩(wěn)性或平順性以滿(mǎn)足車(chē)輛的實(shí)時(shí)需求，無(wú)法同時(shí)提高這兩個(gè)指標(biāo)[3]。從原理上說(shuō)，單彈簧懸架導(dǎo)致底盤(pán)振動(dòng)是不可避免的，現(xiàn)有的技術(shù)只能減弱振動(dòng)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(pán)在受到?jīng)_擊時(shí)減少甚至消除振動(dòng)，在理論上可以同時(shí)提高汽車(chē)的操穩(wěn)性和平順性，大大提高車(chē)輛的綜合性能。

2 懸架的“擾動(dòng)”與“激勵(lì)”

為便于討論和分析，需要對(duì)汽車(chē)懸架在垂直方向上的受力重新進(jìn)行定義，普通車(chē)輛的懸架受到的沖擊主要包括兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是來(lái)自車(chē)身的沖擊，這個(gè)沖擊的主要特點(diǎn)是作用時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度低，本文定義為“擾動(dòng)”，另一個(gè)是來(lái)自于車(chē)輪的沖擊，主要特點(diǎn)是作用時(shí)間短，強(qiáng)度高，本文定義為“激勵(lì)”。為了研究其作用機(jī)制，本文對(duì)擾動(dòng)和激勵(lì)的特征和參數(shù)進(jìn)行了比較（以總重量為2噸的轎車(chē)為例），表1所示為擾動(dòng)和激勵(lì)的區(qū)別，從對(duì)比中可以看出，擾動(dòng)和激勵(lì)對(duì)懸架的要求及影響有很大區(qū)別，為了同時(shí)提高操穩(wěn)性和平順性，懸架就必須對(duì)擾動(dòng)和激勵(lì)進(jìn)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(jì)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(jī)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(xiàn)進(jìn)行對(duì)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(jì)要求。

3.1 結(jié)構(gòu)與激活特性對(duì)比

單彈簧懸架只配置一個(gè)彈簧，無(wú)法對(duì)擾動(dòng)和激勵(lì)進(jìn)行區(qū)分，對(duì)懸架受到的擾動(dòng)和激勵(lì)只能進(jìn)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(guò)配置兩個(gè)彈簧和設(shè)定合理的參數(shù)，在受到激勵(lì)時(shí)，主彈簧或者副彈簧有一個(gè)被激活，而對(duì)于擾動(dòng)，懸架的兩個(gè)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(duì)比，該新型雙彈簧懸架可以保證車(chē)輛具有最佳的操穩(wěn)性[4]。

3.2 特性曲線(xiàn)對(duì)比

單彈簧懸架由一個(gè)彈簧響應(yīng)所有的擾動(dòng)和激勵(lì)，雖然有的懸架裝置中配備了兩個(gè)及以上的彈簧，但這些彈簧都是簡(jiǎn)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(xiàn)大致分為三種類(lèi)型：1）直線(xiàn)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(xiàn)可以是以上兩種或三種特性曲線(xiàn)的組合，稱(chēng)之為組合型特性曲線(xiàn)[5-7]。

雙彈簧懸架的特性曲線(xiàn)如圖3所示，圖中懸架在平衡靜止時(shí)的靜載荷為G0，主彈簧預(yù)緊力F1，設(shè)定F1≥1.2G0，副彈簧預(yù)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(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)，懸架的行程變化值f很小甚至為0，懸架受到激勵(lì)時(shí)，其負(fù)荷變化超過(guò)了剛性區(qū)間，激活主彈簧或者副彈簧，使特性曲線(xiàn)處于壓縮行程或者伸長(zhǎng)行程，而對(duì)于一般的擾動(dòng)，因?yàn)檩d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(guò)以上對(duì)比，單彈簧懸架會(huì)對(duì)懸架所受擾動(dòng)和激勵(lì)進(jìn)行同等響應(yīng)，而雙彈簧懸架能夠區(qū)分?jǐn)_動(dòng)和激勵(lì)，響應(yīng)激勵(lì)，但可以不響應(yīng)擾動(dòng)。此時(shí)懸架行程依然保持在靜撓度點(diǎn)，懸架的行程不發(fā)生變化，懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也就不會(huì)變化，綜上分析，采用雙彈簧懸架技術(shù)可以使汽車(chē)達(dá)到理想的操穩(wěn)性。

4 雙彈簧懸架的振動(dòng)耦合特性

雙彈簧懸架不僅可以在受到擾動(dòng)時(shí)，通過(guò)采用不響應(yīng)的設(shè)計(jì)獲得理想的操穩(wěn)性，還可以消除激勵(lì)對(duì)底盤(pán)的沖擊，使汽車(chē)具備理想的平順性。本文通過(guò)雙彈簧懸架的振動(dòng)耦合特性進(jìn)行建模和分析，證明雙彈簧懸架在保證車(chē)輛操穩(wěn)性的同時(shí)可以保證車(chē)輛具有理想的平順性。

4.1 雙彈簧懸架耦合振動(dòng)特性及物理模型

如圖3-1是普通四輪汽車(chē)的簡(jiǎn)化物理模型，A、B、C、D四點(diǎn)代表底盤(pán)的4個(gè)垂直受力點(diǎn)，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(chē)輪傳遞到受力點(diǎn)的沖擊載荷，以底盤(pán)A受力點(diǎn)為例，F(xiàn)A受到向上沖擊，這個(gè)沖擊大于FA向上的高剛性載荷范圍，主彈簧被激活，這個(gè)懸架對(duì)激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)是積極的。如果把一個(gè)底盤(pán)看作一個(gè)杠桿進(jìn)行分析，將D點(diǎn)看作支點(diǎn)，假設(shè)B點(diǎn)產(chǎn)生向上的力fB，如果保持在fB≤FB的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，與B點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)和C點(diǎn)看做支點(diǎn)，那么D點(diǎn)受到向下的壓力，同理，如果保持在fD≤FD的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，D點(diǎn)的主彈簧和副彈簧全部處于未激活狀態(tài)，也就是說(shuō)與BCD三個(gè)點(diǎn)連接的懸架沒(méi)有發(fā)生行程上的變化，根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，最終結(jié)果是車(chē)身所在的平面并沒(méi)有發(fā)生變化，車(chē)輛在與A點(diǎn)連接處產(chǎn)生的沖擊經(jīng)過(guò)懸架傳導(dǎo)到車(chē)身時(shí)，這個(gè)激勵(lì)在底盤(pán)上消失了，這就是雙彈簧懸架的耦合振動(dòng)特性，這個(gè)特性可以使車(chē)輛獲得很好的平順性。

4.2 雙彈簧懸架的耦合振動(dòng)特性及參數(shù)設(shè)計(jì)

以配置4個(gè)懸架的普通車(chē)輛為例，當(dāng)懸架處于平衡靜止位置時(shí)，設(shè)定懸掛的載荷為G0，如果懸架的主彈簧預(yù)緊力F1和副彈簧的預(yù)緊力F2同時(shí)滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

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

在此懸架中，我們?cè)O(shè)定F1=1.2G0，F(xiàn)2=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)，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(diǎn)上的剛性區(qū)間內(nèi)，懸架的剛性是無(wú)窮大的，f的變化接近于0，當(dāng)單個(gè)懸架受到來(lái)自于路面對(duì)車(chē)輪的激勵(lì)時(shí)，懸架主彈簧或者副彈簧的受力超過(guò)0.8F0～1.2F0范圍時(shí)，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(guò)車(chē)身傳導(dǎo)到其它懸架后形成的擾動(dòng)，一般情況下依然在0.8F0～1.2F0范圍內(nèi)，其它懸架不會(huì)發(fā)生形變，始終保持車(chē)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(duì)于車(chē)身導(dǎo)致的擾動(dòng)具備不響應(yīng)的特性可以使車(chē)輛保持在操穩(wěn)性最佳的狀態(tài)，同時(shí)，當(dāng)一個(gè)懸架受到激勵(lì)時(shí)，該懸架在響應(yīng)激勵(lì)的同時(shí)會(huì)通過(guò)車(chē)身對(duì)其他懸架產(chǎn)生擾動(dòng)，通過(guò)調(diào)整雙彈簧懸架的剛性區(qū)間，使其他三個(gè)懸架對(duì)這個(gè)擾動(dòng)仍然可以處于不響應(yīng)的狀態(tài)，也就是沒(méi)有受到激勵(lì)的懸架會(huì)繼續(xù)保持在靜撓度行程上，根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)車(chē)身沒(méi)有被激勵(lì)影響的情況。車(chē)身繼續(xù)保持在原平衡狀態(tài)，最終表現(xiàn)為單個(gè)車(chē)輪在垂直方向上的沖擊經(jīng)過(guò)雙彈簧懸架后傳導(dǎo)到底盤(pán)上時(shí)，多個(gè)懸架互相作用后，底盤(pán)和車(chē)身受到的沖擊消失了，或者說(shuō)，車(chē)輪的沖擊在底盤(pán)垂直方向上的耦合出現(xiàn)了穿越，對(duì)底盤(pán)的影響變?yōu)?的現(xiàn)象，我們將其稱(chēng)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(gè)以上懸架在同一個(gè)底盤(pán)上連接并同時(shí)受到?jīng)_擊作用，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)懸架受到激勵(lì)時(shí)，其它懸架必須保證三個(gè)以上不響應(yīng)，才能保證車(chē)身所在的平面保持平衡，這也是車(chē)輛平順性的重要來(lái)源。

在設(shè)計(jì)雙彈簧懸架時(shí)，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(fù)時(shí)可以設(shè)計(jì)較大的阻尼，以保證懸架在激活和恢復(fù)過(guò)程中對(duì)其他懸架的擾動(dòng)保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，使車(chē)身在垂直方向上受到的沖擊最小，從而保證車(chē)輛具備良好的平順性。

該新型雙彈簧懸架在設(shè)計(jì)時(shí)，要求主彈簧配置的減振器的壓縮阻尼相對(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)可以使彈簧在激活過(guò)程中降低剛性，減弱對(duì)車(chē)身的沖擊，將其對(duì)其它懸架的主動(dòng)干擾控制在較小的范圍內(nèi)，當(dāng)一個(gè)車(chē)輪受到?jīng)_擊時(shí)，通過(guò)限制底盤(pán)傳導(dǎo)到車(chē)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(dòng)”和“激勵(lì)”的概率分析

懸架受到的激勵(lì)主要來(lái)自于不平整的路面，可以說(shuō)所有的實(shí)際路面都是不平整的，但是在相對(duì)平整道路上行駛時(shí)，兩個(gè)以上的懸架同時(shí)被激勵(lì)的概率很低，在同一時(shí)刻，絕大部分的激勵(lì)都發(fā)生在單個(gè)懸架上，其他懸架僅僅是受到擾動(dòng)，并沒(méi)有行程上的變化。相比于懸架的每一次激勵(lì)都會(huì)影響到車(chē)身平衡的單彈簧懸架，雙彈簧懸架中單個(gè)懸架被激勵(lì)時(shí)并不會(huì)導(dǎo)致車(chē)身平衡的破壞，在保證車(chē)輛平順性方面的有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在路面激勵(lì)中，不可避免存在兩個(gè)甚至三個(gè)車(chē)輪同時(shí)受到激勵(lì)的情況，但這種激勵(lì)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(shí)，因?yàn)閺椈杉?lì)時(shí)的阻尼很小，依然可以降低底盤(pán)的受沖擊強(qiáng)度，相比單彈簧懸架的平順性也會(huì)提高很多。

車(chē)輛在行駛狀態(tài)時(shí)，懸架受到的擾動(dòng)時(shí)刻都在發(fā)生。在單彈簧懸架中，懸架時(shí)刻都有在響應(yīng)擾動(dòng)，車(chē)身始終都在處在不平衡狀態(tài)，而雙彈簧懸架對(duì)擾動(dòng)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(chē)輛操穩(wěn)性方面同樣優(yōu)勢(shì)明顯。在特殊路況或者激烈駕駛狀態(tài)時(shí)，也可能發(fā)生擾動(dòng)激活雙彈簧的情況，但是由于有預(yù)壓力的存在，彈簧可以很快恢復(fù)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(dòng)和激勵(lì)的動(dòng)態(tài)分析

車(chē)輛在正常行駛時(shí)，懸架受到的擾動(dòng)通常是疊加在一起的，而且常常會(huì)超過(guò)懸架的剛性區(qū)間，主彈簧和副彈簧也可能被擾動(dòng)激活，但是在實(shí)車(chē)測(cè)試過(guò)程中，這樣的擾動(dòng)很快就會(huì)被修正，懸架很快便可以恢復(fù)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(shì)。

懸架在受到激勵(lì)時(shí)，還會(huì)受到擾動(dòng)的影響，但擾動(dòng)與激勵(lì)相比，其形成的沖擊小1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，可以忽略不計(jì)。綜合起來(lái)，只要設(shè)計(jì)范圍合理，能夠盡可能地減少車(chē)輛在行駛狀態(tài)所受的沖擊，使懸架實(shí)現(xiàn)車(chē)身的自動(dòng)平衡。經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，雙彈簧懸架能夠同時(shí)提高車(chē)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(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)，有望成為單彈簧懸架的升級(jí)換代產(chǎn)品。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括：

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

（2）車(chē)輛高度保持功能：在負(fù)載變化時(shí)可以保持車(chē)身高度不變，使車(chē)輛在最佳參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行，提高駕駛安全性。

（3）同時(shí)提高車(chē)輛的操穩(wěn)性和平順性：這是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，即使是復(fù)雜的智能控制和伺服機(jī)構(gòu)也只是對(duì)舒適性和操控性的折中選擇。

（4）低成本，長(zhǎng)壽命和高可靠性：在很大程度上減少了車(chē)身的振動(dòng)，大幅度降低了振動(dòng)能量消耗和懸架的動(dòng)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(shí)還降低了生產(chǎn)成本和后期的維護(hù)保養(yǎng)成本。

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