汽车悬架：类型和构成

1.悬架的基本特性

舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架作为车架（或车身）与车轴（或车轮）之间进行连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架也是衡量轿车质量的指标之一。

2.悬架的总体分类

悬架按结构特点可分为独立悬架和非独立悬架两大类。悬架系统的分类结构示意图如图3-240所示。

图3-240 悬架系统的分类结构示意图

非独立悬架是通过一根车轴将左右车轮连成一个整体，然后通过两个悬架弹簧将这个整体车轴同车架或车身相连。如图3-240a所示。非独立悬架多用于货车和公共汽车的前轮和后轮，乘用车从舒适性和高速行车的稳定性需要出发，多用于后轮，而前轮一般不采用。

采用钢板弹簧的非独立悬架结构简单、造价低廉，并且转向时钢板弹簧的偏角很小。除纵置钢板弹簧的非独立悬架不需要加装导向杆件外，其他采用螺旋弹簧、空气弹簧（主要用于大客车上）的非独立悬架都必须设置能约束车轴运动的导向杆。

独立悬架的左右车轮不是由一个整体车轴连在一起的，它两边的车轮运动相互没有联系，如图3-240b所示。这类悬架形式有如下优点：

1）汽车悬架弹簧下的重量减轻了，乘用车的舒适性得到了改善。

2）可以装用很软的弹簧，从而能提高乘车的舒适性。

3）能预防前轮摆振的发生。

4）对于FR型汽车的后轮，它可将差速器固定在车身的侧面，从而使车身底板和后座椅的离地高度降低、汽车的重心也能降低。

与以上优点相对的是这种悬架形式存在如下的缺点：

1）独立悬架的结构复杂，制造成本高。

2）汽车保养、修理困难。

3）汽车行驶时前轮定位和轮距常发生变化，因此有时轮胎磨损较大。

根据独立悬架的独立特点，它多用在乘用车的前后轮和中、小型货车的前轮上。独立悬架有多种结构形式，其中应用较多的有双摇臂式、烛式、摆臂式、半后延摆臂式等独立悬架。

按汽车控制形式来分有被动悬架和主动悬架两种。

被动悬架：目前多数汽车上采用被动式悬架。被动式悬架的定义是汽车姿态（状态）只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。

主动悬架：从20世纪80年代开始，主动悬架在部分汽车上应用，目前使用主动悬架的高级汽车越来越多。主动悬架可以根据路面和行驶工况自动调整悬架的刚度和阻尼，从而使车辆能主动地控制垂直振动及其车身或车架的姿态。该系统通常由传感器、控制阀、执行机构和悬架系统组成。

3.悬架的基本构成

（1）悬架的基本结构 典型的汽车悬架结构由弹性元件、减振器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲、减振和力的传递作用，此外还包括一些特殊功能的部件，如稳定杆、缓冲块和控制系统等。汽车独立悬架系统的基本构成如图3-241所示。绝大多数悬架多具有螺旋弹簧和减振器结构，但不同类型的悬架的导向机构差异却很大，这也是悬架性能差异的核心构件。汽车悬架系统中的重要元件减振器和弹性元件的结构如图3-242所示。

图3-241 汽车独立悬架系统的基本构成

图3-242 汽车减振装置中的减振器和弹性元件的构成及安装示意图

（2）悬架的振动频率 据力学分析可知，如将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振频的质量，则其自振频率：

式中 f——悬架垂直变形挠度；

M——悬架簧载质量；

g——重力加速度。

悬架的性能指标体现在自振频率（n）上。而自振频率取决于簧载质量和悬架刚度。要求在设计悬架时，其自振频率应与人体步行时身体上、下运动的频率相接近，在1～1.6Hz的理想范围内。

由上式可知：

1）当M一定，C越小，自振频率n越低，悬架垂直变形量越大，即（f越大），车轮上、下跳动所需的空间越大，而对于簧载质量大的货车，在结构上难以保证，所以货车的自振频率往往偏大，超过理想范围。

2）C一定，M越大，n越低。故空车的n_空＞n_满载（但n_空太大驾驶人受不了）。因此，为了使簧载质量从空载至满载变化时，车身自振频率n基本保持不变，就需将悬架刚度做成可变的，即空车时C小，满载时C大，如主、副弹簧结构、气体弹簧等，C可变；在刚度不可变的悬架结构中，采取一些措施，也可使C具有一定的可变刚度。

（3）悬架的功能元件 在悬架的减振机构中，除了减振器还会配个弹簧。有了减振器为什么还要弹簧呢？其实需要它们的合作，才能完成减振的任务。

当车辆行驶在不平路面时，弹簧受到地面冲击后发生变形，而弹簧需要恢复原形会出现来回振动的现象，显然这样会影响汽车的操控性和舒适性。而减振器对弹簧起到阻尼的作用，抑制弹簧来回摆动。这样在汽车通过不平路段时，才不至于不停地颤动。

1）弹性元件：弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。常见的弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧，如图3-243所示。扭杆弹簧（当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线摆动，使扭杆产生扭转变形，以保证车轮与车架弹性连接）和橡胶囊空气弹簧（空气弹簧是一种由夹有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气所组成的弹性元件）如图3-244所示。

图3-243 汽车用各类弹性元件弹簧产品(www.xing528.com)

图3-244 汽车扭杆弹簧和橡胶囊空气弹簧结构示意图

采用空气弹簧悬架时，可实现车身高度的自动调节。使车身高度在空载与满载时能基本保持不变，从而实现行驶平顺的要求。悬架空气弹簧充气及气量调整系统图如图3-245所示。当重量增大时，车身、车架靠近，活塞下行，充气；当重量减小时，车身、车架远离，活塞上行。

组合钢板弹簧的结构如图3-246所示，由若干不等长的弹簧片叠合而成的一根等强度弹簧梁。钢板弹簧第一片称为主片，是最长的一片，两端弯成卷耳，内装青铜衬套，用销子与车架上的吊耳作铰链连接，为增加主片卷耳强度，第二片末端也弯成半卷耳，包在主片外面。钢板弹簧在工作时，越接近中部所受的弯曲力矩越大。为充分利用材料，减轻重量，将钢片长度由上至下逐渐减短。并将各片自由状态下的弯度做成不等，主要是可使各片的负荷接近均匀，长度大的弯度小，这样装配好后各片先受到一个反向预加负荷，在工作时便可与工作负荷抵消一部分，以减小弹簧的变形。钢板弹簧同时具有减振、导向的作用。

图3-245 悬架空气弹簧充气及气量调整系统图

图3-246 组合钢板弹簧的结构及安装示意图

2）减振器：减振器主要用来抑制弹簧吸振后反弹时的振荡及来自路面的冲击。在经过不平路面时，虽然弹簧可以过滤路面的振动，但弹簧自身还会有往复运动，而减振器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。减振器太软，车身就会上下跳跃，减振器太硬就会带来太大的阻力，妨碍弹簧正常工作。通常硬的减振器会与硬的弹簧相搭配，而弹簧的硬度又与车重息息相关，因此较重的车一般采用较硬的减振器。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动。减振器的类型有筒式减振器、阻力可调式减振器和充气式减振器，用于限制弹簧的自由振荡，提高乘坐舒适性。目前悬架系统中广泛采用液力筒式减振器。

对减振器的使用要求：

①悬架压缩行程内，阻尼力较小，以充分发挥弹性元件的作用（弹簧起主要作用）。

②悬架伸张行程内，阻尼力应大，以求迅速减振（减振器起主要作用）。

③当车桥与车架之间的相对速度过大时，减振器应能自动加大液流通道截面积，使阻尼力保持在一定限度内。

减振器的分类：按其作用方式不同分为双向作用减振器（在压缩、伸张两行程中均起减振作用）和单向作用减振器（仅在伸张行程中起减振作用）两类。

3）双向作用筒式减振器。

①器件总成：双向作用筒式液压减振器总成示意图如图3-247所示。

图3-247 双向作用筒式液压减振器总成示意图

②工作原理。

a）压缩行程：当汽车驶上凸起或驶出凹坑时，车轮靠近车架。双向作用筒式减振器受冲击力时的压缩行程工况如图3-248所示。当活塞杆带动活塞压缩相对工作缸下移时，称为压缩行程。此时上腔的体积增大，下腔的体积减小，使下腔的工作压力高于上腔，下腔的工作液使复原阀关闭，流通阀打开，下腔的工作液通过流通阀向上腔流动充满上腔。

图3-248 双向作用筒式减振器受冲击力时的压缩行程工况

图3-249 双向作用筒式减振器伸张行程工况

b）伸张行程：当汽车掉入凹坑时，车轮下跳，减振器受拉伸活塞上移。双向作用筒式减振器伸张行程工况如图3-249所示。当活塞杆带动活塞拉伸相对工作缸上移时，称为伸张行程（复原行程）。此时由于上腔的体积减小，下腔的体积增大，使上腔的工作压力高于下腔，上腔的工作液使流通阀关闭，使复原阀打开通过复原阀节流后向下腔流动产生复原（拉伸）阻力。

c）工作全程：双向作用筒式减振器全程工作原理简图如图3-250所示。当车架（或车身）和车桥间振动而出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减振器吸收散发到大气中。

图3-250 双向作用筒式减振器全程工作原理简图

③双向作用筒式减振器的结构：双向作用筒式减振器的总成构造及组成零件结构如图3-251所示。

图3-251 双向作用筒式减振器总成及零件结构示意图

4）新型减振器：充气式和阻力可调整式减振器总成结构示意图如图3-252所示。

图3-252 充气式和阻力可调整式减振器总成结构示意图

如图3-252a所示，充气式减振器内的工作液在预充的气体作用下，提高了补偿阀的补偿能力，从而提高临界速度，即使减振器受到急剧的拉伸和压缩作用，工作液也不会产生“乳化”和“空化”现象，有利于消除一般液压减振器固有的缺陷以及减振器的工作噪声，使减振器的工作性能更加稳定，高频状态下舒适性得到了充分的提高。

如图3-252b所示，装有阻力可调式减振器汽车的悬架一般用刚度可变的空气弹簧作为弹性元件。其原理是若空气弹簧气压升高，则减振器气室内的压力也升高，由于压力的改变而使油液的节流孔径发生改变，从而达到改变阻尼刚度的目的。

导向装置（机构）：导向装置用来使车轮按一定运动轨迹相对车身运动，同时起传递力的作用。通常导向装置由控制摆臂式杆件组成，有单杆式和连杆式。钢板弹簧作为弹性元件时，它本身兼导向作用，可不另设导向装置。用于使上述部件定位，并控制车轮的横向和纵向运动。独立悬架系统的构成如图3-253所示。

图3-253 独立悬架系统的构成

横向稳定杆：横向稳定杆也归属于导向装置。在有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设有横向稳定杆，目的是提高侧倾刚度，使汽车具有不足转向特性，当汽车转弯时，外侧悬架会压向稳定杆，稳定杆发生弯曲，由于变形产生的弹力可防止车轮抬起，从而使车身尽量保持平衡，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。用于防止汽车横向摆动。稳定杆的两端分别固定在左右悬架上，如图3-253所示。