汽車懸架系統的減振效果對整車的行駛平順性、操縱穩定性和通過性等多種使用性能有著很大的影響[1-2]。相比傳統的定剛度定阻尼的被動式懸架，空氣懸架有其獨特優點[3-4]：（1）空氣懸架剛度低，裝備空氣懸架的車輛可以獲得較低的固有頻率，行駛平順性好，乘坐舒適性好，能夠延長車輛的使用壽命，減輕車輛對路面的破壞；（2）空氣懸架剛度是非線性且可調節，剛度隨著車輛載荷的變化而變化，能夠有效限制振幅、避開共振、防止沖擊，空載和滿載的固有頻率基本保持不變。另外，車身姿態急劇變化時，可以使彈簧變硬，以抑制車身姿態的變化；（3）空氣懸架高度可調，不論是否載重，載重是否均勻，車身均可在一定高度保持水平。通過加裝升降控制裝置還可實現車身的升降功能，從而提高車輛的通過性，利于物流運輸的貨車上下貨物或方便乘客上下車；（4）空氣懸架質量輕，能吸收高頻振動，隔音性能好，壽命長。由于空氣懸架有諸多優點，把空氣彈簧的可調剛度特性與筒式減振器可調阻尼的特性結合起來，借助電液技術、計算機技術、傳感器微處理以及電液控制單元制造技術，發展電控空氣懸架技術具有非常大的應用前景[5-6]。因此，對電控空氣彈簧麥弗遜懸架代替螺旋彈簧麥弗遜懸架的可行性問題進行研究對整車結構的改進也具有理論指導意義。

本文針對平順性仿真計算，對電控空氣彈簧麥弗遜懸架和螺旋彈簧麥弗遜懸架進行比較分析和可行性驗證，此研究可為整車結構的改善和空氣懸架控制策略的研究提供一定的理論基礎。

電控空氣懸架主要由控制單元、空氣彈簧、減振器、傳感器組、空氣供應機組、電磁閥組、蓄壓器等組成。系統控制原理如圖1所示。

圖1 系統控制原理圖

駕駛員通過操縱控制面板（SETUP）來定義控制器的控制模式，前橋和后橋水平高度傳感器用來收集車身底盤高度。汽車在靜止狀態下，根據不同的控制模式，系統有不同的默認水平高度。當汽車空載或者滿載時，車身會被提高或降低，車身水平高度傳感器產生信號給控制器，控制器根據信號的不同產生控制信號來控制壓縮機和閥系對空氣彈簧進行放氣或者充氣，以維持車身在固定的水平高度上。而當汽車在運動狀態下行駛在越野路面上時，可以通過水平高度傳感器的信號來控制壓縮機充氣以提高車輛的通過性。車身速度和加速度傳感器用來收集車身縱向速度和垂向、縱向、側向3 個方向上的加速度，根據車身縱向速度的大小和速度維持時間的長短以及3個方向的加速度的大小來控制空氣彈簧的剛度和減振器的阻尼，以達到最好的平順性效果。壓縮機溫度傳感器反饋壓縮機的溫度，防止過熱。附加信號主要包括車門、行李箱等的接觸信號，保證行駛中的安全性。所有傳感器產生的信號都要經過控制單元的分析、判斷，然后根據控制策略產生控制信號控制執行裝置進行調控。

本文研究的電控空氣懸架系統如圖2所示。

圖2 電控空氣懸架系統

用空氣加壓裝置給空氣彈簧充入0.6MPa的氮氣，調節穩壓電源的電流為1.8A，此時阻尼孔開閥為最大的狀態，空氣彈簧力學特性曲線圖如圖3所示。

圖3 空氣彈簧力學特性

從圖3中可以看出，空氣彈簧作用力與位移的曲線表現出了非線性特性，而且在位移為零的位置剛度比較小，在兩端位置比較大。

不同電流下減振器阻尼特性曲線如圖4。

圖4 不同電流下減振器阻尼特性

不同電流下減振器等效線性阻尼系數如圖5。

圖5 不同電流下減振器等效線性阻尼系數

從圖4和圖5中可以看出，通過調節電流，在相同速度點上阻尼力有明顯的變化，可以很好地改善汽車的平順性。

通過上面的分析，對試驗所得數據進行了適當的處理，最終得到了彈簧力- 位移數據和不同電流條件下的阻尼力- 速度數據，將這些數據輸入到ADAMS/Car 屬性文件中，即可為整車仿真提供汽車懸架系統的主要特性參數。

汽車是一個多自由度的“質量- 剛度- 阻尼”系統，汽車行駛在不平的路面上，路面產生的振動經輪胎、懸架系統、座椅等最終傳遞到人體上。整車虛擬模型的建立，既要保證運動系統的準確性，又要對和主要研究目標影響不大的因素進行簡化，以提高運算仿真的速度[7-8]。本文主要進行的是整車的行駛平順性仿真分析，應用ADAMS/Car進行建模時，進行了如下假設：

（1）將車身簡化為一剛體，并集中質量于底盤上，通過改變車身質量來修改整車質量。

（2）把動力總成簡化為一個剛體，并集中質量于底盤。

（3）考慮輪胎的彈性特性和懸架的緩沖、減振作用，把具體的零部件（如轉向節、下擺臂）視為剛體。

整車建模過程中，需要輸入各組件的特性參數。表1列出了某款汽車一些主要技術參數。

表1 整車主要技術參數

經過簡化，最終的整車系統主要包括以下幾個部分：底盤模型、車身模型、動力總成模型和C級路面模型。本文主要對整車進行平順性仿真，因而需要建立整車模型，通過添加橡膠襯套和其它約束元件，即可將上面的子系統進行裝配，建立適用于仿真的整車模型，如圖6和圖7所示。

圖6 螺旋彈簧麥式懸架整車系統

圖7 電控空氣彈簧麥式懸架整車系統

汽車平順性主要是保持汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊對乘員舒適性的影響在一定的界限內，因此，平順性主要是根據乘員主觀感覺的舒適性來評價的，對于載貨汽車還包括保持貨物完好的性能，它是現代汽車的主要性能之一[9-10]。對于懸架系統，我們在評價其性能時，通常有3個評價指標是需要考慮的：

（1）車體質心的垂直振動加速度。反映了乘員乘坐舒適性和車體振動環境，該值越小，舒適性越好。

（2）懸架系統的動撓度。即車輪相對于車體垂直跳動的動位移。對于汽車的懸架系統，其動撓度是有限的，當懸架系統的動撓度超過系統許用動行程[ fd] 時，就會出現懸架彈簧撞擊限位器，此時稱為“懸架擊穿”。為使汽車“懸架擊穿”的概率極小（0.3% 以下），則要保證懸架動行程的均方根值σf ≤ [ fd]/3，本文取fd=70mm，即要保證σf ≤ 23.3 mm。

（3）車輪的動載荷。該指標的大小主要用來衡量車輪的抓地能力，反映了高速車輛的行駛安全性。為了使車輪跳離地面的概率極小（小于0.3%），要保證車輪動載荷的均方根值σd ≤ [ Gj] /3，Gj 為車輪靜載。本文經過靜平衡分析可得滿載狀態下：雙前輪靜載Gfj=3924N，則σfd ≤ 1308 N； 雙后輪靜載Gij=4169N， 則σrm ≤ 1390N。

對空氣懸架前后懸架分別進行雙輪同向激振，在平衡位置±70mm，在ADAMS/Car 軟件中建模如圖8所示：設定前懸架單側簧載質量為400kg，后懸架簧載質量為425kg， P=0.6MPa，通過仿真，可以測得前、后懸架剛度曲線如圖9、圖10所示。

圖8 空氣彈簧麥式懸架雙輪同向激振模型

圖9 空氣彈簧麥式懸架前懸架剛度曲線

圖10 空氣彈簧麥式懸架后懸架剛度曲線

通過圖9、圖10可以看出，在靜平衡位置時，空氣懸架前懸架剛度為kf=20kN/m，后懸架剛度為kr=25kN/m。

同理，對螺旋彈簧麥式懸架系統進行雙輪同向激勵仿真，經過多次仿真調試，可求得在靜平衡位置時，當前懸架螺旋彈簧的剛度ksf=23kN/m、后懸架螺旋彈簧的剛度為ksr=30kN/m 時，才能使螺旋彈簧麥式懸架的前懸架剛度為kf=20kN/m，后懸架剛度為kr=25kN/m。

（1）仿真條件

① 電控空氣彈簧麥氏懸架特性曲線為P=0.6MPa的彈簧特性曲線，阻尼特性為I=1.0A；螺旋彈簧麥式懸架的前懸架螺旋彈簧剛度kf=23kN/m，后懸架螺旋彈簧剛度kr=30kN/m，阻尼特性為I=1.0A；

②兩種懸架車輛的其他參數相同；

③車輛在滿載的狀況下以70 km/h 的車速在C 級路面上直線行駛10 s。

（2）車身垂向加速度對比和功率譜密度對比分別如圖11、圖12所示。

圖11 C級路面車身垂向加速度對比

圖12 C級路面車身垂向加速度功率譜密度對比

（3）前、后懸架動撓度對比如圖13、圖14。

圖13 C級路面前懸架動撓度對比

圖14 C級路面后懸架動撓度對比

（4）前、后車輪動載荷對比如圖15、圖16。

圖15 C級路面前輪動載荷對比

圖16 C級路面后輪動載荷對比

表2 電控空氣彈簧麥式懸架

（類型1）與螺旋彈簧麥式懸架

（類型2）行駛平順性3種指標對比匯總

（1）電控空氣彈簧麥式懸架與螺旋彈簧麥式懸架3個評價標準相比：加權均方根值小30.3%， 前、后懸架動撓度均方根值分別小15.4%、19.0%， 前、后車輪動載荷分別小28.6%、30.6%。故從汽車行駛平順性角度來說，用電控空氣彈簧麥式懸架代替螺旋彈簧麥式懸架優勢明顯。

（2）綜合兩種類型懸架的優缺點，考慮到人們對乘坐舒適性和行駛安全性的要求越來越高以及減振器的成本問題，在減振器制造成本不太大的情況下用空氣彈簧麥式懸架代替螺旋彈簧麥式懸架是可行的。