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摘 要：操稳性和平顺性是评价汽车性能的两个重要指标，分析研究表明，操稳性主要源于悬架对车身扰动的响应，响应越小，操稳性越好；平顺性主要源于悬架对路面激励的响应，响应越充分，平顺性越好。传统的单弹簧悬架对扰动和激励只能进行单一响应，无法同时提高车辆的操稳性和平顺性；新型双弹簧悬架对扰动采用不响应的设计，对激励进行充分响应的同时还可以保持底盘的平衡，其操稳性和平顺性远超过传统单弹簧悬架。本文结合双弹簧悬架的耦合振动进行分析，在提高车辆操稳性的同时，找到提高平顺性的参数范围和设计方法。
关键词：扰动；激励；耦合振动；操稳性；平顺性
中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：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
操穩性和平顺性是衡量汽车性能的两大重要指标，一般来说，平顺性主要取决于悬架对车轮冲击时的响应能力，操稳性主要取决于悬架对车身冲击的响应能力[1]，但是这种冲击区别很大，冲击强度不在一个数量级上，作用时间也相差至少一个数量级。对于目前的单弹簧悬架技术，采用一个弹簧响应两个不同数量级的冲击，导致减振器的阻尼设定存在不可调和的矛盾，阻尼较大时，有利于提高操稳性，但平顺性降低，阻尼较小时，有利于提高平顺性，但操稳性降低[2]。虽然一些高级车辆配备的主动悬架可以根据路况和驾驶状态适时调整阻尼的大小，但也仅是通过牺牲一定的操稳性或平顺性以满足车辆的实时需求，无法同时提高这两个指标[3]。从原理上说，单弹簧悬架导致底盘振动是不可避免的，现有的技术只能减弱振动或选择性调控，本文提出的双弹簧悬架技术能够有效区别这两种冲击并分别响应，使底盘在受到冲击时减少甚至消除振动，在理论上可以同时提高汽车的操稳性和平顺性，大大提高车辆的综合性能。
2 悬架的“扰动”与“激励”
为便于讨论和分析，需要对汽车悬架在垂直方向上的受力重新进行定义，普通车辆的悬架受到的冲击主要包括两个来源，一个是来自车身的冲击，这个冲击的主要特点是作用时间长，强度低，本文定义为“扰动”，另一个是来自于车轮的冲击，主要特点是作用时间短，强度高，本文定义为“激励”。为了研究其作用机制，本文对扰动和激励的特征和参数进行了比较（以总重量为2吨的轿车为例），表1所示为扰动和激励的区别，从对比中可以看出，扰动和激励对悬架的要求及影响有很大区别，为了同时提高操稳性和平顺性，悬架就必须对扰动和激励进行区分并采取不同的响应方法，这也正是该新型双弹簧悬架的设计思路和基本原则。
3 单弹簧悬架和双弹簧悬架的区别
为寻找双弹簧悬架的作用机制，本文将单弹簧悬架和双弹簧悬架的结构、激活特性和特性曲线进行对比分析，以找到双弹簧悬架提高操稳性的参数范围和设计要求。
3.1 结构与激活特性对比
单弹簧悬架只配置一个弹簧，无法对扰动和激励进行区分，对悬架受到的扰动和激励只能进行单一的响应，弹簧和减振器始终处于激活状态，而双弹簧悬架通过配置两个弹簧和设定合理的参数，在受到激励时，主弹簧或者副弹簧有一个被激活，而对于扰动，悬架的两个弹簧都不响应，均处于未激活状态，图1所示为单弹簧和双弹簧悬架的结构对比，该新型双弹簧悬架可以保证车辆具有最佳的操稳性[4]。 悬架受到的激励主要来自于不平整的路面，可以说所有的实际路面都是不平整的，但是在相对平整道路上行驶时，两个以上的悬架同时被激励的概率很低，在同一时刻，绝大部分的激励都发生在单个悬架上，其他悬架仅仅是受到扰动，并没有行程上的变化。相比于悬架的每一次激励都会影响到车身平衡的单弹簧悬架，双弹簧悬架中单个悬架被激励时并不会导致车身平衡的破坏，在保证车辆平顺性方面的有着明显的优势。在路面激励中，不可避免存在两个甚至三个车轮同时受到激励的情况，但这种激励发生的概率很低，主要存在于减速带或人为设置障碍以及非铺装路面或者越野时，因为弹簧激励时的阻尼很小，依然可以降低底盘的受冲击强度，相比单弹簧悬架的平顺性也会提高很多。
车辆在行驶状态时，悬架受到的扰动时刻都在发生。在单弹簧悬架中，悬架时刻都有在响应扰动，车身始终都在处在不平衡状态，而双弹簧悬架对扰动表现为高刚性，悬架的主弹簧和副弹簧处于未激活状态，因此，双弹簧悬架在保证车辆操稳性方面同样优势明显。在特殊路况或者激烈驾驶状态时，也可能发生扰动激活双弹簧的情况，但是由于有预压力的存在，弹簧可以很快恢复到平衡状态，因此其操稳性相比单弹簧悬架也有着明显的改善。
5.2 悬架扰动和激励的动态分析
车辆在正常行驶时，悬架受到的扰动通常是叠加在一起的，而且常常会超过悬架的刚性区间，主弹簧和副弹簧也可能被扰动激活，但是在实车测试过程中，这样的扰动很快就会被修正，悬架很快便可以恢复到平衡状态，与单弹簧悬架相比，在操稳性和平顺性方面具有明显的技术优势。
悬架在受到激励时，还会受到扰动的影响，但扰动与激励相比，其形成的冲击小1到2个数量级，可以忽略不计。综合起来，只要设计范围合理，能够尽可能地减少车辆在行驶状态所受的冲击，使悬架实现车身的自动平衡。经过实车验证，双弹簧悬架能够同时提高车辆的操稳性和平顺性。
6 结论
新型双弹簧悬挂系统与当前的单弹簧悬架系统相比具有明显的技术优势，有望成为单弹簧悬架的升级换代产品。其技术优势主要包括：
（1）车辆自动平衡功能：避免或最大程度地减少车辆的横摇、纵摇和斜摇，具备实现车身自动平衡的基础，技术效果优于现有技术。
（2）车辆高度保持功能：在负载变化时可以保持车身高度不变，使车辆在最佳参数范围内运行，提高驾驶安全性。
（3）同时提高车辆的操稳性和平顺性：这是现有技术无法实现的，即使是复杂的智能控制和伺服机构也只是对舒适性和操控性的折中选择。
（4）低成本，长寿命和高可靠性：在很大程度上减少了车身的振动，大幅度降低了振动能量消耗和悬架的动作频次，有效提高了悬架弹簧和减振器的使用寿命并节油10%以上，同时还降低了生产成本和后期的维护保养成本。
参考文献：
[1]杨荣山，袁仲荣，黄向东，等.车辆操纵稳定性及平顺性的协同优化研究[J].汽车工程，2009， 31（11）：1053-1059.
[2]陆优.汽车主动悬架系统控制策略探究[D].武汉理工大学.2006，5.
[3]陈双.基于电控空气悬架的轿车平顺性和操纵稳定性协调控制研究[D].吉林大学，2012.
[4]席玉林.双弹簧减震器总成：中国，CN201710589104[P]. 2017.09.29.
[5]楊蔚华.半主动悬架电动轮汽车的动力学特性与振动控制研究[D].武汉科技大学，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]鲍卫宁.汽车空气悬架及其控制系统动力学仿真分析研究[D].华中科技大学，2011.
[8]席玉林.组合弹簧补偿悬挂装置：中国，CN201510206214 [P].2015.07.15.
关键词：扰动；激励；耦合振动；操稳性；平顺性
中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：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
操穩性和平顺性是衡量汽车性能的两大重要指标，一般来说，平顺性主要取决于悬架对车轮冲击时的响应能力，操稳性主要取决于悬架对车身冲击的响应能力[1]，但是这种冲击区别很大，冲击强度不在一个数量级上，作用时间也相差至少一个数量级。对于目前的单弹簧悬架技术，采用一个弹簧响应两个不同数量级的冲击，导致减振器的阻尼设定存在不可调和的矛盾，阻尼较大时，有利于提高操稳性，但平顺性降低，阻尼较小时，有利于提高平顺性，但操稳性降低[2]。虽然一些高级车辆配备的主动悬架可以根据路况和驾驶状态适时调整阻尼的大小，但也仅是通过牺牲一定的操稳性或平顺性以满足车辆的实时需求，无法同时提高这两个指标[3]。从原理上说，单弹簧悬架导致底盘振动是不可避免的，现有的技术只能减弱振动或选择性调控，本文提出的双弹簧悬架技术能够有效区别这两种冲击并分别响应，使底盘在受到冲击时减少甚至消除振动，在理论上可以同时提高汽车的操稳性和平顺性，大大提高车辆的综合性能。
2 悬架的“扰动”与“激励”
为便于讨论和分析，需要对汽车悬架在垂直方向上的受力重新进行定义，普通车辆的悬架受到的冲击主要包括两个来源，一个是来自车身的冲击，这个冲击的主要特点是作用时间长，强度低，本文定义为“扰动”，另一个是来自于车轮的冲击，主要特点是作用时间短，强度高，本文定义为“激励”。为了研究其作用机制，本文对扰动和激励的特征和参数进行了比较（以总重量为2吨的轿车为例），表1所示为扰动和激励的区别，从对比中可以看出，扰动和激励对悬架的要求及影响有很大区别，为了同时提高操稳性和平顺性，悬架就必须对扰动和激励进行区分并采取不同的响应方法，这也正是该新型双弹簧悬架的设计思路和基本原则。
3 单弹簧悬架和双弹簧悬架的区别
为寻找双弹簧悬架的作用机制，本文将单弹簧悬架和双弹簧悬架的结构、激活特性和特性曲线进行对比分析，以找到双弹簧悬架提高操稳性的参数范围和设计要求。
3.1 结构与激活特性对比
单弹簧悬架只配置一个弹簧，无法对扰动和激励进行区分，对悬架受到的扰动和激励只能进行单一的响应，弹簧和减振器始终处于激活状态，而双弹簧悬架通过配置两个弹簧和设定合理的参数，在受到激励时，主弹簧或者副弹簧有一个被激活，而对于扰动，悬架的两个弹簧都不响应，均处于未激活状态，图1所示为单弹簧和双弹簧悬架的结构对比，该新型双弹簧悬架可以保证车辆具有最佳的操稳性[4]。 悬架受到的激励主要来自于不平整的路面，可以说所有的实际路面都是不平整的，但是在相对平整道路上行驶时，两个以上的悬架同时被激励的概率很低，在同一时刻，绝大部分的激励都发生在单个悬架上，其他悬架仅仅是受到扰动，并没有行程上的变化。相比于悬架的每一次激励都会影响到车身平衡的单弹簧悬架，双弹簧悬架中单个悬架被激励时并不会导致车身平衡的破坏，在保证车辆平顺性方面的有着明显的优势。在路面激励中，不可避免存在两个甚至三个车轮同时受到激励的情况，但这种激励发生的概率很低，主要存在于减速带或人为设置障碍以及非铺装路面或者越野时，因为弹簧激励时的阻尼很小，依然可以降低底盘的受冲击强度，相比单弹簧悬架的平顺性也会提高很多。
车辆在行驶状态时，悬架受到的扰动时刻都在发生。在单弹簧悬架中，悬架时刻都有在响应扰动，车身始终都在处在不平衡状态，而双弹簧悬架对扰动表现为高刚性，悬架的主弹簧和副弹簧处于未激活状态，因此，双弹簧悬架在保证车辆操稳性方面同样优势明显。在特殊路况或者激烈驾驶状态时，也可能发生扰动激活双弹簧的情况，但是由于有预压力的存在，弹簧可以很快恢复到平衡状态，因此其操稳性相比单弹簧悬架也有着明显的改善。
5.2 悬架扰动和激励的动态分析
车辆在正常行驶时，悬架受到的扰动通常是叠加在一起的，而且常常会超过悬架的刚性区间，主弹簧和副弹簧也可能被扰动激活，但是在实车测试过程中，这样的扰动很快就会被修正，悬架很快便可以恢复到平衡状态，与单弹簧悬架相比，在操稳性和平顺性方面具有明显的技术优势。
悬架在受到激励时，还会受到扰动的影响，但扰动与激励相比，其形成的冲击小1到2个数量级，可以忽略不计。综合起来，只要设计范围合理，能够尽可能地减少车辆在行驶状态所受的冲击，使悬架实现车身的自动平衡。经过实车验证，双弹簧悬架能够同时提高车辆的操稳性和平顺性。
6 结论
新型双弹簧悬挂系统与当前的单弹簧悬架系统相比具有明显的技术优势，有望成为单弹簧悬架的升级换代产品。其技术优势主要包括：
（1）车辆自动平衡功能：避免或最大程度地减少车辆的横摇、纵摇和斜摇，具备实现车身自动平衡的基础，技术效果优于现有技术。
（2）车辆高度保持功能：在负载变化时可以保持车身高度不变，使车辆在最佳参数范围内运行，提高驾驶安全性。
（3）同时提高车辆的操稳性和平顺性：这是现有技术无法实现的，即使是复杂的智能控制和伺服机构也只是对舒适性和操控性的折中选择。
（4）低成本，长寿命和高可靠性：在很大程度上减少了车身的振动，大幅度降低了振动能量消耗和悬架的动作频次，有效提高了悬架弹簧和减振器的使用寿命并节油10%以上，同时还降低了生产成本和后期的维护保养成本。
参考文献：
[1]杨荣山，袁仲荣，黄向东，等.车辆操纵稳定性及平顺性的协同优化研究[J].汽车工程，2009， 31（11）：1053-1059.
[2]陆优.汽车主动悬架系统控制策略探究[D].武汉理工大学.2006，5.
[3]陈双.基于电控空气悬架的轿车平顺性和操纵稳定性协调控制研究[D].吉林大学，2012.
[4]席玉林.双弹簧减震器总成：中国，CN201710589104[P]. 2017.09.29.
[5]楊蔚华.半主动悬架电动轮汽车的动力学特性与振动控制研究[D].武汉科技大学，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]鲍卫宁.汽车空气悬架及其控制系统动力学仿真分析研究[D].华中科技大学，2011.
[8]席玉林.组合弹簧补偿悬挂装置：中国，CN201510206214 [P].2015.07.15.