汽車智能底盤原理及技術(shù) 課件 第五章 智能懸架系統(tǒng)

汽車智能底盤原理及技術(shù)第五章智能懸架系統(tǒng)第五章智能懸架系統(tǒng)3智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理半主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理課前小討論42023年4月10日，比亞迪汽車發(fā)布了“云輦”技術(shù)，共包含云輦-C、云輦-A、云輦-P以及云輦-X四套不同取向的車身控制系統(tǒng)。云輦-C類似于市場上基于CDC可變阻尼減振器的半主動懸架系統(tǒng)，利用電磁閥來調(diào)節(jié)減振器阻尼特性，實(shí)現(xiàn)阻尼無級自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在路況不好時(shí)，控制系統(tǒng)以微秒級的處理時(shí)間來調(diào)節(jié)阻尼強(qiáng)度，對來自路面的顛簸能起到有效緩沖作用，快速抑制車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的垂向振動。云輦-P為電控液壓式主動懸架系統(tǒng)，基于阻尼控制技術(shù)、高度控制技術(shù)、智能感知技術(shù)、剛度控制技術(shù)以及四輪聯(lián)動技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的車身控制性能。類似地，2023年12月23日，蔚來汽車發(fā)布了主動懸架系統(tǒng)SkyRide天行，該集成式液壓主動懸架配有主動式懸架電驅(qū)單元，可實(shí)現(xiàn)車身“起伏路面不顛簸”，帶來智能、安全、愉悅的駕乘體驗(yàn)。比亞迪云輦-P懸架結(jié)構(gòu)汽車用戶對體驗(yàn)感的需求趨勢是什么？汽車懸架技術(shù)開發(fā)需要相應(yīng)開展哪些工作？智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.1智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)5懸架的概念：汽車懸架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上連接簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量，起到連接和減震的作用，一般由彈性元件、阻尼元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。彈性元件：儲存振動能量的螺旋彈簧/空氣彈簧/鋼板彈簧/扭桿彈簧/油氣彈簧等，阻尼元件：耗散振動能量的液壓減振器，二者主要影響動力學(xué)特性。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：通過控制車輪定位參數(shù)，保證車輪的正確定位，引導(dǎo)車輪在各方向上的運(yùn)動，確保車輪與地面保持良好接觸，主要影響運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.1智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)6懸架的分類：根據(jù)懸架的彈性元件或阻尼元件參數(shù)是否可調(diào)可以將懸架分為：被動懸架、半主動懸架、主動懸架。

被動懸架

半主動懸架

主動懸架被動懸架的阻尼特性和剛度特性無法調(diào)節(jié)半主動懸架可以調(diào)節(jié)彈簧剛度或減振器阻尼力參數(shù)主動懸架可以調(diào)節(jié)阻尼特性和剛度特性智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.1智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)7智能懸架系統(tǒng)主要組成智能懸架：智能懸架能夠根據(jù)路面狀況、車輛運(yùn)動狀態(tài)及載荷等參數(shù)的變化，通過電控系統(tǒng)智能地控制懸架剛度/阻尼/導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)剛度、阻尼、高度、施加主動力，甚至K&C（KinematicandCompliance）特性等，以改善車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等汽車主要性能的系統(tǒng)，主要包括半主動懸架、主動懸架兩大類型。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—半主動懸架8半主動懸架的概念：半主動懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)汽車載荷狀態(tài)、行駛路面條件和行駛狀態(tài)（加速、減速或轉(zhuǎn)彎等），通過對懸架的彈簧剛度或減振器的阻尼進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，使懸架總是處于最佳狀態(tài)附近。半主動懸架系統(tǒng)分類:一種是自適應(yīng)懸架，其阻尼系數(shù)可以緩慢地調(diào)整，通常用于調(diào)整開環(huán)結(jié)構(gòu)體系。一種是通常意義下的半主動懸架，其阻尼系數(shù)可以在較大帶寬的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—半主動懸架9半主動懸架的優(yōu)點(diǎn)：（1）能耗低。因?yàn)閮H需要調(diào)節(jié)減振器阻尼系數(shù)，只需要幾瓦的功耗用于調(diào)整液壓閥孔或流體粘度。（2）安全。在半主動懸架中，其穩(wěn)定性可以得到保證，因?yàn)椴还茏枘嵯禂?shù)是多少，整個系統(tǒng)始終是耗散性的。（3）低成本、質(zhì)量輕。主要的阻尼調(diào)控技術(shù)器件（電磁閥、磁流變、電流變、空氣阻尼）結(jié)構(gòu)緊湊，輕量化水平高，可以低成本地進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)。（4）性能優(yōu)異。通過改變阻尼系數(shù)，車輛的乘坐舒適性和路面附著性等均有望得以顯著改善。半主動懸架的缺點(diǎn)：半主動懸架系統(tǒng)對阻尼或剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本質(zhì)上是產(chǎn)生等效的可控作用力。然而，由于無法產(chǎn)生負(fù)方向的等效作用力，通常無法完全得到期望的控制力，導(dǎo)致控制效果與預(yù)期存在偏差。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—半主動懸架10半主動懸架阻尼或剛度特性的調(diào)節(jié)的方式：（1）傳統(tǒng)的電液技術(shù)?；跍p振器缸體內(nèi)部或外部的電磁閥，通過改變閥口的大小來調(diào)整減振器的阻尼系數(shù)，主要構(gòu)型包括切換式減振器和阻尼連續(xù)可調(diào)式（ContinuousDampingControl，CDC）減振器等。（2）磁流變（Magneto-Rheological，MR）技術(shù)。依靠在磁場中可以改變粘度的液體來調(diào)整阻尼。（3）電流變（Electro-Rheological，ER）技術(shù)。依靠在電場中可以改變粘度的液體來調(diào)整阻尼。（4）空氣彈簧技術(shù)。通過氣泵改變氣囊中的空氣容量，實(shí)現(xiàn)對剛度的調(diào)節(jié)。半主動懸架系統(tǒng)對阻尼或剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本質(zhì)上是產(chǎn)生等效的可控作用力。然而，由于無法產(chǎn)生負(fù)方向的等效作用力，通常無法完全得到期望的控制力，導(dǎo)致控制效果與預(yù)期存在偏差。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—主動懸架11主動懸架的概念：主動懸架是有源控制，除導(dǎo)向機(jī)構(gòu)外，通常包括產(chǎn)生作用力的作動器（液壓缸、氣缸、伺服電動機(jī)、電磁鐵等）、測量元件（加速度、位移和力傳感器等）和控制器等。為了實(shí)現(xiàn)主動懸架失效時(shí)的冗余或容錯控制，主動懸架系統(tǒng)通常還并聯(lián)有被動式彈簧。主動懸架的分類：（1）載荷平衡懸架，這類懸架的工作帶寬低于主要懸架偏頻。（2）慢主動懸架，工作帶寬在車身和車輪的振動頻率之間。（3）全主動懸架，即全帶寬的主動懸架系統(tǒng)。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—主動懸架12主動懸架阻尼或剛度特性的調(diào)節(jié)的方式：液壓式：采用液壓元件作為作動器，通過控制液壓油的流動方向及流量大小，進(jìn)行車身姿態(tài)的控制及調(diào)整，包括基于伺服閥和基于電機(jī)的兩類主要形式。電磁式：采用電磁作動器控制力的輸出，通過改變電磁線圈的電流來控制電磁鐵產(chǎn)生的作用力，有直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)兩類形式。油氣式：核心部件為油氣彈簧，由作為蓄能器的氣體彈簧和具有減振功能的油缸組成，控制器控制電磁比例閥調(diào)節(jié)油缸充放油流量，實(shí)現(xiàn)對車身狀態(tài)的控制。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.2智能懸架系統(tǒng)工作原理—不同懸架的特性13系統(tǒng)類別控制范圍（彈簧）控制范圍（阻尼）控制帶寬（Hz）功率需求（W）控制變量平順性改善（%）安全性改善（%）被動—————自適應(yīng)1~510~20阻尼15~2010~25半主動30~4010~20阻尼20~3010~25載荷平衡0.1~1100~200靜載——慢主動1~51000~5000力>30—全主動20~305000~10000力>30>25智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)汽車懸架系統(tǒng)對平順性和操縱穩(wěn)定性具有重要影響。針對不同的懸架系統(tǒng)研究，平順性和操縱穩(wěn)定性的可以轉(zhuǎn)化為典型振動特性評價(jià)問題。14汽車平順性：是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，對于貨車還包括保持貨物完好的性能。汽車操縱穩(wěn)定性：是指駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—乘坐舒適性智能懸架系統(tǒng)對乘坐舒適性的影響主要體現(xiàn)：（1）顛簸性。按照道路試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法，進(jìn)行模擬路面測試。智能懸架系統(tǒng)需要有效吸收路面顛簸，并能夠通過調(diào)節(jié)懸架阻尼和剛度，提高車輛的舒適性。（2）隔音性。在噪聲測試中，智能懸架系統(tǒng)需要在遏制路噪聲方面表現(xiàn)良好，保持車內(nèi)噪聲水平相對較低。（3）坐姿舒適性。結(jié)合人體工程學(xué)方法，對懸架系統(tǒng)進(jìn)行坐姿舒適評價(jià)。懸架調(diào)節(jié)后應(yīng)能提高駕乘者的坐姿舒適性。15智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—乘坐舒適性乘坐舒適性最主要的評價(jià)指標(biāo)是基于車身加速度加權(quán)均方根值，其評價(jià)函數(shù)一般定義為：16——懸架的車身加速度傳遞函數(shù)；——標(biāo)準(zhǔn)被動懸架的車身加速度傳遞函數(shù)；——路面激勵的上限頻率；——路面激勵的下限頻率；——車身加速度加權(quán)函數(shù)，參照ISO2631-1:1997(E)標(biāo)準(zhǔn)。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—乘坐舒適性乘坐舒適性最主要的評價(jià)指標(biāo)是基于車身加速度加權(quán)均方根值，其評價(jià)函數(shù)一般定義為：17智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—操縱穩(wěn)定性18智能懸架系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在：（1）輪胎抓地力：智能懸架系統(tǒng)可以改善輪胎的附著，增強(qiáng)橫縱向輪胎動力。（2）轉(zhuǎn)向靈敏度：智能懸架系統(tǒng)可以快速地響應(yīng)駕駛員指令，提高轉(zhuǎn)向靈敏度。（3）轉(zhuǎn)彎半徑：智能懸架系統(tǒng)在平衡彎道車速和轉(zhuǎn)彎半徑方面表現(xiàn)優(yōu)異。（4）加速平順度：智能懸架系統(tǒng)在保持加速平順的同時(shí)，可以提高車輛的行駛穩(wěn)定性。智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—操縱穩(wěn)定性19操縱穩(wěn)定性最主要的評價(jià)指標(biāo)是輪胎變形（動載荷）均方根值，其評價(jià)函數(shù)一般定義為：——懸架輪胎動變形傳遞函數(shù)；——標(biāo)準(zhǔn)被動懸架的輪胎動變形傳遞函數(shù)；——車體車輪動變形加權(quán)函數(shù)。

智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—操縱穩(wěn)定性20操縱穩(wěn)定性最主要的評價(jià)指標(biāo)是輪胎變形（動載荷）均方根值，其評價(jià)函數(shù)一般定義為：智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.3懸架系統(tǒng)性能評價(jià)—系統(tǒng)安全性21智能懸架的系統(tǒng)安全性指標(biāo)是一個綜合性指標(biāo)，需要綜合考慮以下內(nèi)容：（1）路感反饋和懸架控制：懸架系統(tǒng)對路面情況的感知和反饋能力，應(yīng)提供準(zhǔn)確的路況信息給駕駛員，并對懸架系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，增強(qiáng)駕駛的舒適性和安全性。（2）防側(cè)滑和側(cè)傾穩(wěn)定性：懸架系統(tǒng)在側(cè)風(fēng)和路面濕滑等條件下的響應(yīng)能力，應(yīng)減少側(cè)滑和提供更好的抓地力，提高車輛的穩(wěn)定性和安全性。（3）緊急制動控制：懸架系統(tǒng)在緊急制動時(shí)的反應(yīng)速度和精確度，應(yīng)確保車輛穩(wěn)定并按照駕駛者的期望充分發(fā)揮制動性能。第五章智能懸架系統(tǒng)22智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理半主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)半主動懸架系統(tǒng)23根據(jù)對懸架力學(xué)特性調(diào)節(jié)手段的不同，半主動懸架系統(tǒng)可以分為：半主動懸架系統(tǒng)分類變阻尼懸架系統(tǒng)：也稱為可變阻尼自適應(yīng)懸架，是一種先進(jìn)的懸掛系統(tǒng)，它能夠根據(jù)車輛行駛狀態(tài)自動調(diào)節(jié)減震器的阻尼硬度，以實(shí)現(xiàn)不同路況下的懸掛舒適性和操控穩(wěn)定性。變剛度懸架系統(tǒng)：通過改變懸架中彈簧的剛度或采用可變剛度元件（如可變剛度彈簧、可調(diào)阻尼器等）來實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)，以提供更好的操控性、舒適性和穩(wěn)定性。半主動懸架系統(tǒng)24變阻尼懸架系統(tǒng)包括：阻尼切換式懸架系統(tǒng)和阻尼連續(xù)可調(diào)式CDC懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)阻尼切換式懸架系統(tǒng)：阻尼切換式懸架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上一般通過調(diào)整減振器節(jié)流閥的開、關(guān)來實(shí)現(xiàn)阻尼的切換。阻尼連續(xù)可調(diào)式CDC懸架系統(tǒng)：阻尼連續(xù)可調(diào)減振器主要功能是通過對減振器阻尼力進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，改善車輛在不同工況時(shí)對振動和沖擊的衰減性能。半主動懸架系統(tǒng)25阻尼切換式懸架系統(tǒng)典型的例子：德國F&S公司所開發(fā)的ADC-1系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)德國F&S公司所開發(fā)的ADC-1系統(tǒng)的減振器通過電機(jī)控制活塞桿內(nèi)的兩個旋轉(zhuǎn)滑閥，實(shí)現(xiàn)兩個相互獨(dú)立的阻尼特性。該系統(tǒng)的阻尼切換時(shí)間較長（約為30~200ms）改進(jìn)后，開發(fā)出了具有內(nèi)置分配閥的可調(diào)式減振器ADC-2.2，將響應(yīng)時(shí)間減少至20~100ms。ADC-1系統(tǒng)的兩級切換式減振器的阻尼特性曲線半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)26阻尼連續(xù)可調(diào)減振器主要功能是通過對減振器阻尼力進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，改善車輛在不同工況時(shí)對振動和沖擊的衰減性能。技術(shù)路線工作原理響應(yīng)時(shí)間可調(diào)阻尼應(yīng)用場景電磁閥式通過改變電流來控制電磁閥流通截面開度，進(jìn)而改變減振器油液流道截面積，實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)?！?0ms可單獨(dú)調(diào)節(jié)復(fù)原或壓縮阻尼，亦可聯(lián)合調(diào)節(jié)復(fù)原和壓縮阻尼。大批量應(yīng)用于乘用車、商用車市場。磁流變式通過改變線圈電流改變磁場強(qiáng)度，從而改變磁流變液剪切強(qiáng)度，進(jìn)而改變阻尼力。其阻尼力主要由磁流變液剪切強(qiáng)度和粘性阻尼力產(chǎn)生?！?5ms復(fù)原和壓縮阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)。小批量應(yīng)用于乘用車、特種車、橋梁等市場。伺服電機(jī)式通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)閥桿位置調(diào)整，從而調(diào)整減振器油液流道截面積，進(jìn)而改變阻尼力?！?00ms復(fù)原、壓縮需不同裝置分開調(diào)節(jié)。售后和改裝市場電流變式通過高壓改變電場強(qiáng)度，從而改變電流變液剪切強(qiáng)度，進(jìn)而改變阻尼力。其阻尼力主要由電流變液剪切強(qiáng)度和粘性阻尼力產(chǎn)生?！?5ms復(fù)原和壓縮阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)。尚無量產(chǎn)應(yīng)用案例。目前實(shí)現(xiàn)阻尼連續(xù)可調(diào)的技術(shù)路線半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)27電磁閥式減振器是目前汽車主機(jī)廠廣泛使用的阻尼可調(diào)減振器，較傳統(tǒng)減振器主要增加了中間缸和電磁閥兩個零部件。其工作原理是通過電流信號控制調(diào)節(jié)電磁閥的開度大小，改變減振器油液的流量實(shí)現(xiàn)對減振器阻尼力的控制。電磁閥結(jié)構(gòu)示例電磁閥式減振器電磁閥阻尼可調(diào)減振器結(jié)構(gòu)圖半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)28目前行業(yè)已批量應(yīng)用的電磁閥式減振器主要有：內(nèi)置式電磁閥減振器和外置式電磁閥減振器。電磁閥式減振器1-活塞桿；2-儲油缸；3-CDC控制閥；4-工作缸；5-工作缸；6-CDC控制閥內(nèi)置式（左），外置式（右）內(nèi)置式電磁閥減振器：串聯(lián)流通，阻尼響應(yīng)較外置快，減振器結(jié)構(gòu)簡單、外徑尺寸小、重量輕，復(fù)原阻尼可調(diào)區(qū)間大，成本較外置式高，是高端車型的優(yōu)先選擇。外置式電磁閥減振器：并聯(lián)流通，可以實(shí)現(xiàn)減振器閥系和電磁閥解耦，阻尼力可調(diào)性好，減振器行程長，適用于不同類型懸架結(jié)構(gòu)。目前使用的閥系主要是基于彈簧式和閥片式的閥系，壓縮復(fù)原頻率均實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)，目前應(yīng)用較多的是壓縮頻率可調(diào)。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)29外置式電磁閥只允許油液單向流通，反向截止，復(fù)原行程和壓縮行程會互相影響。外置式電磁閥式減振器外置式CDC減振器，單閥（左），雙閥（右）單閥CDC的缺點(diǎn)在于壓縮行程的阻尼可調(diào)范圍小雙閥CDC：一個電磁閥接入工作缸上腔，另一個接入下腔，實(shí)現(xiàn)復(fù)原和壓縮行程的獨(dú)立調(diào)節(jié)；能增強(qiáng)電磁閥的控制效果，單獨(dú)增大減振器復(fù)原阻尼力能增強(qiáng)減振器對能量的耗散，單獨(dú)減小減振器壓縮阻尼力減小地面對車身的反饋，更好的提高整車的平順和操穩(wěn)性能。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)30電磁閥式電磁閥式阻尼可調(diào)減振器的理想特性x——活塞位移量；I——電控指令（例如電磁閥的電流），在I=0和I=Imax之間變化；co——零場阻尼，表示電控指令為off時(shí)達(dá)到的最小阻尼；γ——電控指令的增益；電磁閥式減振器的理想阻尼特性圖半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)31磁流變減振器磁流變減振器（MRDamper）利用磁流變液的物理屬性，磁流變液在磁場的感應(yīng)下黏度會發(fā)生改變。通過調(diào)節(jié)線圈電流改變磁場強(qiáng)度，繼而改變磁流變液剪切強(qiáng)度，進(jìn)而改變阻尼力，其阻尼力主要由磁流變液剪切強(qiáng)度和粘性阻尼力構(gòu)成MagneRide磁流變減振器半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)32磁流變減振器工作原理磁流變減振器活塞上布置有可以在阻尼閥中產(chǎn)生磁場的線圈，活塞實(shí)際上可以看作一個磁流變閥，阻尼力是液體和閥通道摩擦作用的結(jié)果。由于無須移動任何機(jī)械部件，所以它在使用時(shí)響應(yīng)非常及時(shí)。在有磁場和無磁場情況下的原理示意圖（B為磁場）減振力僅取決于電磁流變液的電流大小，可最多調(diào)整至每秒1000次，響應(yīng)速度較普通油壓減振器用的電磁閥可提高10倍～100倍。由于電流的控制是可變的，可提供幾乎連續(xù)變化、范圍更寬的阻尼，能更精確地控制車身俯仰和側(cè)傾運(yùn)動，改善接地能力、轉(zhuǎn)向特性和安全性，能夠極為敏感地響應(yīng)來自路面的沖力。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)33磁流變減振器理想特性c0——液體自由流過活塞阻尼通道時(shí)的最小阻尼；x——活塞位移量；I——加載在線圈上的電控指令（通常是電流），在I=0和I=Imax之間變化；FMR——磁流變液與活塞阻尼通道之間的摩擦力，是I與活塞速度?的非線性函數(shù)。磁流變減振器的理想阻尼特性圖由于磁流變減振器具有相對較低的最小阻尼和相對較高的摩擦，曲線幾乎是平直的。這種幾乎平直的速度-阻尼力曲線是磁流變減振器的典型特征。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)34磁流變減振器典型例子——京西重工（BMI）公司的MagneRideTMMagneRideTM主要特點(diǎn)有：（1）由于不使用電磁控制閥和小運(yùn)動部件，因此結(jié)構(gòu)簡單，并且可靠性好；（2）作用力控制范圍大，并且響應(yīng)速度快（高頻帶寬度）；（3）低能耗（一個減振器的平均用電量僅為5瓦，最多25W）；（4）當(dāng)其與集成式底盤控制相結(jié)合，可以具有更優(yōu)異的車輛動力學(xué)控制性能。半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)35電流變減振器電流變減振器（ERDamper）利用減振器內(nèi)部流動液體（電流變液）的物理屬性來實(shí)現(xiàn)阻尼變化。電流變液可以看作是油液和對電場敏感的微小顆粒物的混合物。當(dāng)未加載電場時(shí)，液體在阻尼通道內(nèi)可以自由流動；當(dāng)加載電場時(shí)，顆粒表現(xiàn)出極性并形成鏈狀物，因此液體由自由流動的狀態(tài)變?yōu)轲に芰?。電流變減振器可以看作一個電容，外部缸體是陽極，活塞是陰極?；钊c缸體之間的空間有電場（E）。有電場和無電場情況下的原理示意圖（E是電場）半主動懸架系統(tǒng)2.1變阻尼懸架系統(tǒng)36電流變減振器理想特性

c0——液體自由流過活塞阻尼通道時(shí)的最小阻尼；x——懸架的變形量；V——加載在活塞（陰極）和缸體（陽極）之間的電控指令（通常是電壓）；FER——電流變液與活塞表面之間的摩擦力。電流變減振器的理想阻尼特性電流變減振器在3種電控指令下的速度-阻尼力特性，其曲線形狀具有電流變阻尼器的典型特征。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)37空氣懸架系統(tǒng)架構(gòu)空氣懸架系統(tǒng)空氣懸架是用空氣壓縮機(jī)形成壓縮空氣，并將壓縮空氣送到空氣彈簧氣室中，以此來改變車輛的高度；通過控制壓縮機(jī)和排氣閥，使彈簧壓縮或伸長，從而起到減振的效果，其剛度和阻尼特性都是可調(diào)的，主要零部件包括：空氣彈簧、電控減振器、壓縮機(jī)總成、控制閥總成、儲氣罐總成、空氣管路、高度/加速度傳感器、懸架電子控制單元等半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)38空氣彈簧空氣彈簧是一個充滿壓縮空氣的橡膠氣囊，根據(jù)路況的不同以及傳感器的信號，控制空氣壓縮機(jī)和排氣閥門，通過空氣彈簧的充氣、放氣，實(shí)現(xiàn)車身高度和彈簧剛度的調(diào)節(jié)。單腔空氣彈簧單腔空氣彈簧只有一個氣室，其結(jié)構(gòu)、工藝簡單，成本較低，是目前國內(nèi)乘用車空氣懸架車型主流采用的空氣彈簧類型。對單腔空氣彈簧在靜載荷狀態(tài)下充放氣時(shí)可使車身升高或降低，但充放氣時(shí)空簧內(nèi)部受力面積并沒有太大變化，故充放氣不會引起剛度的大范圍變化。前軸后軸半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)39空氣彈簧雙腔空氣彈簧雙腔空氣彈簧在空氣彈簧內(nèi)設(shè)有主和副兩個腔室，兩個腔室之間設(shè)有唯一通道由電磁閥控制開通和封閉。當(dāng)通道打開時(shí)，主腔室和副腔室連通，有效工作腔容積是主、副兩腔室容積之和，帶來較“軟”的懸架，此為低剛度模式。當(dāng)通道被封閉時(shí)，副腔室不再是有效工作腔，較小的容積帶來較“硬”的懸架，此為高剛度模式。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)40空氣彈簧三腔空氣彈簧三腔空氣彈簧將單腔的氣室分為三個氣室，獲得更多不同容積的氣室，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，成本更高，但具有優(yōu)越的綜合性能。附加容積整合在彈簧滑柱中，可通過電動閥開啟和關(guān)閉。附加容積的切換可以顯著改變空氣彈簧剛度系數(shù)。當(dāng)使用附加容積時(shí)，空氣彈簧的整體容積變大，剛度系數(shù)變小，駕乘體驗(yàn)會更加柔軟舒適；當(dāng)關(guān)閉附加容積時(shí)，空氣彈簧整體容積變小，剛度系數(shù)變大，可以滿足運(yùn)動性駕駛的需要。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)41空氣阻尼式彈簧以空氣彈簧為主氣室，增加節(jié)流阻尼元件（節(jié)流孔或節(jié)流管）和附加氣室組成的空氣彈簧兼有阻尼元件的作用。車身振動引起空氣彈簧拉伸或壓縮時(shí)，壓縮空氣在壓差作用下在空氣彈簧、附加氣室之間往復(fù)流動，氣體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)產(chǎn)生空氣阻尼，從而達(dá)到衰減振動的目的?？諝庾枘崾娇諝鈴椈杉仁翘娲饘購椈傻膹椥栽?，又是衰減振動的阻尼元件，具有重量輕、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于汽車底盤和整車輕量化，具有良好的應(yīng)用前景。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)42供氣單元的主要功能是為空氣彈簧提供高壓氣體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛姿態(tài)的調(diào)節(jié)，其一般組成包括：電動壓縮機(jī)、分配閥、干燥劑、隔振/隔音裝置等。根據(jù)供氣單元工作時(shí)是否向大氣吸氣或排氣，可以將供氣單元分為開環(huán)式和閉環(huán)式。類型開式系統(tǒng)閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理由各自獨(dú)立的氣泵、分配閥、控制器、儲氣罐等構(gòu)成，較重，成本高，需要較大的布置空間。氣路對外界開放，舉升車身時(shí)將儲氣罐內(nèi)的高壓空氣充到空氣彈簧內(nèi),車身下降時(shí)空氣彈簧內(nèi)高壓空氣直接排向大氣。將氣泵、分配閥、控制器等部件集成為一體，布置空間小，重量輕，有成本優(yōu)勢。系統(tǒng)氣路通常情況下不與外界交互空氣。需舉升車身時(shí)，將儲氣罐內(nèi)高壓空氣泵入空氣彈簧內(nèi)，需降低車身時(shí)，將空氣彈簧內(nèi)高壓空氣泵回到儲氣罐內(nèi)，能耗較低。噪音電機(jī)功率高，單次工作時(shí)間長，排氣頻次較高，工作噪聲較高。電機(jī)功率低，單次工作時(shí)問短，排氣頻次低，工作噪聲略低。升降速度升降速度一般在5mm/s左右升降速度略低于開式系統(tǒng)。連續(xù)工作性能連續(xù)工作性能較差，每次舉升都需要?dú)獗脤?biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣壓縮至18bar左右，單次工作時(shí)間長，產(chǎn)生的熱量較高，不利于及時(shí)散熱，在越野等顛簸路段的連續(xù)工作能力較差。連續(xù)工作能力較強(qiáng)。每次升降都是氣泵將一定壓力(高于大氣壓)的壓縮空氣壓縮至10bar左右,單次工作時(shí)問短，產(chǎn)生的熱量較低，便于及時(shí)散熱，連續(xù)工作能力較強(qiáng)。設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)相對簡單，控制方式相對單一。設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，需PWM控制，控制方式更精確。對高原地區(qū)的適應(yīng)性因其充氣過程需要與外界連通，低壓環(huán)境下充氣過程受到不利影響，充氣時(shí)間大幅延長。主要為內(nèi)部循環(huán)，與外界空氣交互少，外界氣壓對系統(tǒng)工作基本不造成影響。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)43空氣懸架系統(tǒng)原理圖空氣懸架系統(tǒng)工作流程工作流程：傳感器實(shí)時(shí)采集車輛狀態(tài)量，經(jīng)過電子控制單元（ECU）計(jì)算處理，得到各電磁閥相應(yīng)的控制電壓，電磁閥據(jù)此確定閥的開閉大小并執(zhí)行動作，由此改變空氣彈簧氣室內(nèi)的壓強(qiáng)，從而調(diào)節(jié)車身的振動特性，使懸架系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)44空氣懸架系統(tǒng)空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)：（1）剛度非線性，彈簧剛度隨載荷變化自動調(diào)節(jié)，提高乘客的舒適性；（2）承載范圍廣；（3）質(zhì)量輕、內(nèi)摩擦小,有利于車輛輕量化和降低噪聲；（4）耐疲勞壽命高，可超過400萬次。空氣彈簧的缺點(diǎn)：（1）空氣彈簧的氣密性標(biāo)準(zhǔn)很高，生產(chǎn)成本更高；（2）空氣彈簧只可以承受垂直負(fù)荷，還需借助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)傳遞橫向力，懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（3）容易被尖銳和高溫物體損壞。半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)45空氣彈簧布置方式：同軸布置和單獨(dú)布置兩類同軸布置單獨(dú)布置半主動懸架系統(tǒng)2.2變剛度空氣懸架系統(tǒng)46空氣懸架系統(tǒng)典型例子——比亞迪云輦-A空氣懸架系統(tǒng)比亞迪云輦-A空氣懸架系統(tǒng)，其前后軸分別采用了同軸布置，單獨(dú)布置兩種不同的空氣懸架布置形式。半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)為根本解決懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中行駛平順性與操縱穩(wěn)定性之間的矛盾，以穩(wěn)定桿為主要被控對象的側(cè)傾控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。側(cè)傾控制系統(tǒng)通過調(diào)整橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度以增強(qiáng)抗側(cè)傾力矩，進(jìn)而來降低汽車的側(cè)傾角。47主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)：需要額外能量輸入；半主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)：不需要額外能量輸入，只需要電控信號的系統(tǒng)。半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)48天合（TRW）公司的半主動側(cè)傾控制系統(tǒng)（SemiActiveRollControl，SARC）：包含一個布置于橫向穩(wěn)定桿端部的作動器和一個簡單的電控單元，并不包含液壓泵或者液壓管線，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單、造價(jià)低廉。當(dāng)汽車直線行駛時(shí)，橫向穩(wěn)定桿不起作用，使得汽車行駛平順性得以顯著改善，有助于抑制車輛點(diǎn)頭，并有助于提高越野路面的行駛性能；當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，橫向穩(wěn)定桿發(fā)揮作用，車身側(cè)傾角和翻車傾向得以降低。德爾福（Delphi）公司的動態(tài)車身控制系統(tǒng)（DynamicBodyControl，DBC）：系統(tǒng)由一個或兩個可以進(jìn)行解鎖與鎖止的半主動穩(wěn)定桿組件、一個控制器和相應(yīng)的車輛傳感器組成。系統(tǒng)由兩個狀態(tài)側(cè)傾控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)期的車身運(yùn)動狀態(tài)對半主動穩(wěn)定桿組件做出狀態(tài)切換的實(shí)時(shí)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對懸架系統(tǒng)側(cè)傾角剛度的控制和調(diào)節(jié)，降低汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾角、提高汽車直線行駛時(shí)的平順型。在越野路面上，DBC可以通過提高輪胎附著力改善低速越野時(shí)的牽引特性。半主動側(cè)傾控制系統(tǒng)DBC的開發(fā)目標(biāo)是主要應(yīng)用于載貨車。半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)典型例子半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)49半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)典型例子采埃孚薩克斯（ZFSachs）公司的防側(cè)傾穩(wěn)定系統(tǒng)（ActiveRollStabilization，ARS）：通過接近橫向穩(wěn)定桿中端布置的液控電機(jī)，穩(wěn)定桿所產(chǎn)生的扭矩特性就變?yōu)榱丝烧{(diào)方式。在彎道時(shí)，由傳感器獲取車速、轉(zhuǎn)向角度、縱向及橫向加速度等信息，通過電腦單元控制比例閥來調(diào)整液壓泵所產(chǎn)生的壓力，增加扭矩，從而降低彎道行駛中的搖擺或消減某個橫向加速度。而在直道時(shí)，電控系統(tǒng)會降低穩(wěn)定系統(tǒng)中的液壓壓力，減小扭矩，確保懸架的響應(yīng)更舒適。ARS用作動器橫向穩(wěn)定桿半主動懸架系統(tǒng)2.3半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)50半主動式側(cè)傾控制系統(tǒng)典型例子寶馬公司提出了一種新型半主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)，由一個機(jī)械-液壓穩(wěn)定桿和一套具有頻率選擇功能的阻尼閥組成。其工作原理是利用穩(wěn)定桿兩半部分的相對旋轉(zhuǎn)來調(diào)整液壓活塞，通過閥系調(diào)節(jié)油量流動，從而在不同頻率下產(chǎn)生不同的阻尼力。這種設(shè)計(jì)避免了完全主動系統(tǒng)的復(fù)雜性和高能耗，同時(shí)不需要額外的傳感器與控制信號，簡化了技術(shù)實(shí)現(xiàn)，降低了成本和維護(hù)需求。具有頻率選擇特性阻尼的機(jī)械-液壓穩(wěn)定桿概念第五章智能懸架系統(tǒng)51智能懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理半主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)52液壓式主動懸架系統(tǒng)液壓式主動懸架系統(tǒng)采用液壓元件作為作動器，通過電控系統(tǒng)控制液壓懸架系統(tǒng)內(nèi)液壓油的流動方向及流量大小進(jìn)行車身姿態(tài)的控制及調(diào)整，從而改善車輛的行駛性能。液壓主動懸架系統(tǒng)依據(jù)其所采用的控制執(zhí)行系統(tǒng)的不同可分為:基于伺服閥的液壓主動懸架系統(tǒng)基于電機(jī)的液壓主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)53基于電機(jī)的液壓主動懸架系統(tǒng)：由液壓缸、齒輪泵和直流電機(jī)等組成，通過控制器直接控制直流電機(jī)，從而控制液壓泵或齒輪泵的轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)液壓缸活塞兩側(cè)的壓力差，使液壓缸產(chǎn)生可控的作用力?；谒欧y的液壓主動懸架系統(tǒng)基于電機(jī)的液壓主動懸架系統(tǒng)基于伺服閥的液壓主動懸架系統(tǒng)：通過電子控制單元直接控制高精度、高靈敏度的比例閥或伺服閥，伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)液壓油的流向和流量，液壓油推動液壓缸活塞做功使其輸出作用力。主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)54梅賽德斯－奔馳公司的主動車身控制系統(tǒng)（ActiveBodyControl，ABC），在各懸架滑柱內(nèi)裝有一套液力調(diào)節(jié)伺服器，可動態(tài)調(diào)整的液壓缸根據(jù)不同的路面情況自動調(diào)節(jié)螺旋彈簧座的位置。ABC系統(tǒng)示意圖典型例子——奔馳ABC系統(tǒng)當(dāng)車輪遇到障礙物時(shí)，ABC系統(tǒng)通過傳感器感知，自動調(diào)節(jié)彈簧座，并在彈簧座上施加壓力，使之能最大限度地抵消傳遞給車身的跳動能量。同樣的方法，ABC系統(tǒng)還能夠避免轎車在制動、加速及轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的車身傾斜。主動懸架系統(tǒng)3.1液壓式主動懸架系統(tǒng)55該系統(tǒng)核心組件包括電機(jī)驅(qū)動的液壓泵、噪音消除裝置、內(nèi)嚙合齒輪泵、微型無刷直流電機(jī)，及底部的微處理器、功率器件和傳感器等?？傂谐炭蛇_(dá)220mm，使車輛在起伏路面上行駛時(shí)仍平穩(wěn)不顛簸。典型例子——蔚來ClearMotion系統(tǒng)ClearMotion技術(shù)的創(chuàng)新之處在于其高集成度的設(shè)計(jì)，這不僅提升了懸架系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，還能顯著降低行駛過程中傳遞到車內(nèi)的振動。ClearMotion系統(tǒng)示意圖主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)56電磁式主動懸架系統(tǒng)的概念：電磁主動懸架系統(tǒng)采用電磁作動器主動控制力的輸出，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可控性強(qiáng)，零部件和系統(tǒng)配置要求較液壓主動懸架低，且可以用來回收振動能量，但其體積相對較大，且成本較高。依據(jù)所采用電機(jī)結(jié)構(gòu)形式的不同，可將電磁作動器分為：直線電機(jī)式電磁主動懸架系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)式電磁主動懸架系統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)57直線電機(jī)式電磁作動器優(yōu)點(diǎn)：作動器中運(yùn)動機(jī)構(gòu)相對較少，機(jī)械損耗非常小，可靠性高；缺點(diǎn)：漏磁非常大，輸出的主動控制力相對較小，且體積較大，成本高。旋轉(zhuǎn)電機(jī)式電磁作動器：根據(jù)所采用的運(yùn)動方式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的不同可分為滾珠絲杠型和齒輪齒條型。滾珠絲杠型具有響應(yīng)快、精度高、工作時(shí)間長、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，但其抗沖擊能力差，軸向尺寸略長，會使懸架動行程受限。齒輪齒條型采用了旋轉(zhuǎn)電機(jī)與齒輪齒條相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，易于控制、主動控制力可調(diào)范圍廣，但其結(jié)構(gòu)尺寸較大，當(dāng)路面沖擊過大時(shí)容易造成齒輪齒條機(jī)構(gòu)斷裂失效。直線電機(jī)式電磁作動器滾珠絲杠型旋轉(zhuǎn)電機(jī)式電磁作動器主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)58電磁式主動懸架系統(tǒng)的典型例子：法拉利Purosangue車型首先搭載了Multimatic供應(yīng)商設(shè)計(jì)的TASV系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于主動滑閥液壓減振器，通過額外配置電機(jī)增強(qiáng)減振性能。TASV系統(tǒng)每一個減振器都配有液冷48V三相無刷電機(jī)，其通過獨(dú)特的齒輪箱組件將力引導(dǎo)到減振器活塞桿上，并均配備有車載電機(jī)控制模塊，由車輛動態(tài)控制器管理。TASV系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)主動懸架系統(tǒng)3.2電磁式主動懸架系統(tǒng)59比亞迪云輦Z架系統(tǒng)采用懸浮電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械懸架結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度極為迅速，其調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間低至10毫秒，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)主動懸架系統(tǒng)，使其具備更高的調(diào)節(jié)精度和速度，為乘客提供如磁懸浮列車般平穩(wěn)的乘坐體驗(yàn)。云輦Z系統(tǒng)示意圖電磁式主動懸架系統(tǒng)的典型例子：懸浮電機(jī)避免了傳統(tǒng)油液介質(zhì)的能量傳遞損耗，同時(shí)還能通過懸浮電機(jī)直接發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量回收，為車輛電池充電。主動懸架系統(tǒng)3.3油氣式主動懸架系統(tǒng)60油氣式主動懸架系統(tǒng)的概念：油氣主動懸架系統(tǒng)原理圖油氣彈簧剛度特性油氣彈簧結(jié)構(gòu)油氣主動懸架系統(tǒng)的核心部件之一是油氣彈簧，由作為蓄能器的氣體彈簧和具有減振功能的油缸組成。油氣彈簧以惰性氣體作為彈性介質(zhì)，將液壓油密封于活塞和儲能器橡膠隔膜之間，以油液傳遞壓力，油缸內(nèi)部的節(jié)流孔、單向閥等結(jié)構(gòu)代替了原被動懸架系統(tǒng)的阻尼器。控制器根據(jù)傳感器采集到的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)控制電磁比例閥來調(diào)節(jié)油缸充放油流量，從而對車身狀態(tài)進(jìn)行控制。主動懸架系統(tǒng)3.3油