自动驾驶专题介绍 ———— 悬架系统

悬架系统

介绍

 悬架是车架（承载式车身）与车轮（车桥）之间的一切传力连接装置的总称。悬架的作用是把路面作用于车轮上的力所造成的力矩传递到车架上，可吸收和缓和路面不平所造成的振动和冲击，以保证汽车的正常行驶，提高乘客的乘坐舒适性和运输货物的安全性。
 汽车悬架的结构形式多种多样，一般由弹性元件、减振器、导向机构（纵向推力杆和横向推力杆）组成。其中弹性元件可使车架与车桥之间作弹性联系，承受和传递垂直载荷，缓和及抑制不评论路面所引起的冲击；导向装置用来传递纵向力、横向力及其力矩，并保证车轮相对于车架或车身有一定的运动规律；减振器用以加快振动的衰减，限制车身和车轮的震动。三个组成部分分别起到缓冲、导向和减振作用。

类型

 汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的特点是左右车轮安装在一根整体式车桥两端，车桥则通过弹性元件与车架相连。当非独立悬架一侧的车轮跳动时，另一侧车轮也会收到影响，因此也把它称为相关悬架。独立悬架的两侧车轮分别安装在断开式车桥两端，每段车桥和车轮通过弹性元件与车架相连。每个车轮都能独立上下运动而不相互影响。

非独立悬架

 非独立悬架因其结构简单，工作可靠而被广泛运用于货车的前后悬架。对于桥车来讲，非独立悬架仅用于后桥。非独立悬架按照弹性元件的不同，可以分为钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、油气弹簧等多种类型。这里以钢板弹簧进行举例说明。对于钢板弹簧，其本身兼具导向机构作用，还具有一定的减振作用，这就使得悬架结构得到了极大简化。钢板弹簧是由若干片长度不等、曲率半径不同、厚度相等或不等的弹簧钢片叠合在一起。在车架加载弹簧变形时，钢板弹簧各片之间相对滑动从而产生摩擦，此时弹簧本身具有一定的减震作用。如果钢板弹簧之间没有任何润滑剂，这样会导致轮胎所受到的冲击直接传导给车架，降低了悬架缓和冲击的能力，也会加速弹簧片的磨损。

独立悬架

 独立悬架的结构特点就决定了它具备如下的优点：
  1. 弹性组件在一定范围内产生变形时，两侧车轮处于一个单独运动的状态，没有相互之间的影响。这样可以最大程度上减少车架和车身在不平整道路上的振动，也有助于消除转向轮不断偏摆的影响。
  2. 减少了弹簧支承的重量，可以提高汽车的平均行驶速度。
  3. 发动机总成位置可前移和降低，汽车重心下降，提高了行驶稳定性。
  4. 可保持汽车与道路的接触面，增加了驱动力。

 上述的优点使得更多的厂商愿意给汽车安装独立悬架，尤其是桥车的转向轮。凡事存在两面性，由于独立悬架的结构较为复杂，生产成本高，维修难度增加。此外，还存在车轮跳动时，车轮外倾角与轮距变化较大，会导致车轮磨损严重。

 独立悬架的结构也有很多种，大致可以分为以下四类：
  1. 横臂式 —— 车轮在汽车横向平面内摆动的悬架
  2. 纵臂式 —— 车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架
  3. 滑柱连杆式 —— 车轮沿主销移动的悬架
  4. 单斜臂式 —— 车轮在汽车斜向平面内摆动的悬架

发展

 前面介绍的时传统悬架，其刚度和阻尼等性能无法在汽车行驶过程中进行调节，这就不可避免会影响汽车行驶平顺性和乘坐舒适性。由于其被动性的存在，传统悬架也可以成为被动悬架。如果想最大程度保证汽车行驶平顺性和乘坐舒适性，我们可以选择电控悬架。电控悬架可以根据汽车的行驶条件调节系统的刚度和阻尼特性。电控悬架的最大优点时它能够随着行驶工况而做出不同的反应。电控悬架通常包含以下四个部分：
  1.执行结构：执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电机、电磁阀等）。
  2. 检测系统：检测系统的各种状态，为控制系统提供数据依据，包括但不限于各种传感器的输出数据。该系统将汽车行驶的参数（速度、加速度、转向等等）传递给电子控制模块。
  3. 控制系统：处理数据和发出各种执行命令，核心部件是电子控制器。
  4. 能源系统：为以上各个部分提供能源。

 同样的，我们也可以对电控悬架进行分类 —— 全主动悬架和半主动悬架两大类。
  1. 全主动悬架：可根据汽车行驶的具体情况，对悬架的刚度和阻尼进行自适应调节。相当于在被动悬架系统中额外增加了一个可控制作用力的装置。
  2. 半主动悬架：不对悬架的刚度进行调节，只对悬架的阻尼进行调节。其不能随外界的输入进行最优控制和调节，会随着路面的激励和车身的响应，按存储在电控单元内的各种前置条件，令弹簧和减振器的优化参数对弹簧的阻尼进行调节，从而使得车身的振动控制在某一个范围内。

 半主动悬架属于无源控制，即没有一个动力源作为悬架的能量输入。因此在汽车转向、启动、制动等工况下不对悬架刚度和阻尼力的进行有效控制。与主动悬架相比，半主动悬架存在着结构简单、不消耗汽车动力和制造成本低的优势，可能在未来会有着较大的应用前景。