第20章 悬架.docx

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第20章悬架

汽车构造教案

课程名称

汽车构造

课时

授课班级

教学方式

讲授

课题

任课教师

教学目

的与要求

1．掌握悬架的作用；

２．掌握典型性悬架的结构；

３．掌握常见的减震器工作原理；

４．了解电控车身高度自动调节和空气悬架装置的工作原理。

重、难点

教学内容

第20章悬架

20.1概述

汽车悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间弹性连接的部件。

汽车悬架主要有弹性元件、减震器和导向机构三个基本部分组成。

弹性元件使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间实现弹性连接，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。

减振器用来衰减由于弹性系统受到冲击后引起的振动，很多汽车在悬架中设有专门的减振器。

导

向机构是用来使车轮（特别是转向轮）按一定运动轨迹相对于车身运动，同时以上三者兼有传递力的作用。

若钢板弹簧作为弹性元件时，它本身兼有导向作用可不另设导向机构。

在多数的轿车和客车上，为防止车身的转向等情况发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件—横向稳定器,用以提高侧倾的刚度使汽车具有不足转向特性,改善气车的操纵稳定性和行驶的平顺性。

20.2汽车悬架的功用和类型

1、汽车悬架的功用

汽车悬架的功用如下：

①抑制、缓和由不平路面引起的振动和冲击；

②传递汽车垂直力以外，还传递其它个方向的力和力矩；

③保证车轮和车身（或车架）之间有确定的运动关系，使汽车具有良好的驾驶性能。

2、汽车悬架的分类

按照控制形式不同，悬架可分为被动式悬架和主动式悬架两大类。

目前多数汽车上采用被动式悬架，如图20-1所示。

被动式悬架的含义是，汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面。

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。

主动悬架可以根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼，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。

根据汽车导向装置的不同，悬架又可分为独立悬架和非独立悬架。

如图20-2所示。

非独立悬架的特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，车轮连同车桥一起通过弹性元件悬挂在车架或车身上。

当一侧车轮受到冲击时会直接影响到另一侧车轮。

非独立悬架由于簧载质量比较大，特别是汽车高速行驶、悬架受到较大的冲击载荷时，汽车平顺性较差。

独立悬架的两侧车轮分别独立地与车架或车身弹性地连接，当一侧车轮受到冲击时，基运动不会直接影响到另一侧车轮。

独立悬架所采用的车桥是断开式的，这样可使发动机降低安装位置，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。

独立悬架允许前轮有较大的跳动空间，这样便于选择较软的弹性元件使平顺性得到改善。

同时，独立悬架簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性能。

20.3弹性元件及典型悬架

20.3.1钢板弹簧

钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧，其中钢板弹簧使用的最为广泛。

1、普通钢板弹簧的构造及布置形式

钢板弹簧一般构造如图20-3所示。

它是由若干片等宽但不等长（厚度可以相等，也可以不相等）的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁。

钢板弹簧3的第一片（最长的一片）称为主片，其两端弯成卷耳1，内装青铜或塑料、橡胶、粉沫冶金制成的衬套，以便用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳作铰链连接。

钢板弹簧的中部一般用U形螺栓与车桥固定。

中心螺栓4用以连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。

中心螺栓距两端卷耳中心的距离可以相等（称对称式钢板弹簧，如图20-3a所示），也可以不相等（称为非对称式钢板弹簧，如图20-3b所示）。

当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正向时，各个力的方向和作用点如图20-3b中箭头所示。

各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的趋势。

这时，车桥和车架便互相靠近。

当车桥与车架直相远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形便逐渐减小，有时甚至会反向。

为了增加主片卷耳的强度，通常将第二片末端也变成卷耳，包在主片的外面（亦称包耳），且留有较大的间隙，使得弹簧变形时各片有相对滑动。

有些悬架中的钢板弹簧两端不做成卷耳，而采用其它的支承连接方式。

连接各片的构件，除中心螺栓以外，还有若干个弹簧夹（亦称回弹夹）2，其主要作用是当钢板弹簧反向变形（即反跳）时，使各片不致互相分开，以免主片单独承载、此外，还可防止各片横向错动。

弹簧夹用铆钉铆接在与之相连的最下面弹簧片的端部。

弹簧夹的两边用螺栓了连接，在螺栓上有套管6顶住弹簧夹的两边，以免将弹簧片夹得过紧。

在螺栓套管与弹簧片之间有一定间隙（不小于1.5mm）。

以保证弹簧变形时，各片可以相互滑移。

钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间有相对滑动而产生摩擦，片间的摩擦力可以促进车架振动的衰减。

但各片间的干摩擦使弹簧各片加速磨损，这是不利的。

为减少弹簧片间的磨损，在装合钢板弹簧时，各片间须涂上较稠的润滑剂（石墨润滑脂），并应定期进行保养。

有时将钢板弹簧装在护套内，使用期间内长期储存润滑脂和防止污染。

为了保证在弹簧片间产生定值摩擦力以及消除噪声，也可在弹簧片之间夹入塑料垫片。

如某些高级轿车（例如红旗牌轿车）的后是架钢板弹簧，即采用此种结构。

钢板弹簧的断面形状除采用对称断面外，如图20-4a所示，还有采用上下对称的特殊断面，如图20-4b所示。

这样可改变弹簧的受力情况，不仅提高其疲劳强度，还节约了金属材料。

目前，在汽车上采用了一种由单片或2～3片变厚度断面的弹簧片构成的少片变截面钢板弹簧，其弹簧片的断面尺寸沿长度方向是变化的，片宽保持不变，如图20-5所示。

这种少片变截面钢板弹簧克服了多片钢板弹簧质量大、性能差（由于片间摩擦的存在，影响了汽车的行驶平顺性）的缺点。

在两种弹簧寿命相等的情况下，少片变截面铜板弹簧可减少质量40％～50％。

因此，这种弹簧对实现车辆的轻量化，节约能源和合金弹簧钢材大为有利，故应用日渐广泛。

例如我国第一汽车制造厂新开发的2t轻型货车的前、后钢板弹簧均采用了这种少片变截面钢板弹簧。

2、钢板弹簧的平衡悬架

多轴的驱动（多于两桥）车辆的全部车轮如果都是单独地刚性悬挂在车架上，则在不平道路上行驶时将不能保证所有车轮同时接触地面（图21-6a）。

为了保证所有车轮与地面的良好接触，通常采用平衡悬架。

平衡悬架的原理是将两个车桥（如三轴汽车的中桥与后桥）装在平衡杆的两端，而将平衡杆中部与车架作铰链式的连接（图21-6b）。

这样，一个车桥抬高将使另一车桥下降。

而且，由于平衡杆两臂等长，则两个车桥上的垂直载荷在任何情况下都相等，不会产生如图21-6a所示的情况。

这种能保证中后桥车轮垂直载荷相等的悬架称为平衡悬架。

图20-7所示为近十几年来出现的新型平衡悬架——摆臂式平衡悬架的示意图。

这种悬架主要用于6×2的货车上。

这种货车的结构特点是前桥为转向桥，中桥为驱动桥，后桥为可以升降的支持桥。

当汽车在轻载或空载行驶时，可操纵举升油缸4，通过杠杆机构将后轮（支持轮）举起，使6×2汽车变为4×2汽车。

这不仅可减少轮胎的磨损和降低油耗，同时还可以增加空车行驶时驱动轮上的附着力，以免由于牵引力不足而使驱动轮发生滑转的现象。

为适应这种汽车总布置的需要，中（驱动）桥和后（支撑）桥就有必要采用图示的摆臂式平衡悬架。

中桥的悬架采用普通纵置半椭圆钢板弹簧，后吊耳不与车架相连接，而是与摆臂5的前端相连。

摆臂轴支架固定在车架上。

摆臂的后端与汽车的后桥（支持桥）相连。

左、右后支持轮之间没有整轴联系。

摆臂相当于一个杠杆，中、后桥上的垂直载荷的分配比例，取决于摆臂的杠杆比及钢板弹簧前、后段长度之比。

20.3.2螺旋弹簧

螺旋弹簧通常应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架中。

在有些轿车的后轮非独立悬架中，其弹性元件也采用螺旋弹簧。

螺旋弹簧用弹簧钢棒料卷制而成，可做成等螺距或变螺距。

前者刚度不变，后者刚度是可变的。

螺旋弹簧与钢板弹簧比较，具有以下优点：

无需润滑，不忌泥污；安置它所需的纵向空间不大；弹簧本身质量小。

螺旋弹簧本身没有减振和导向作用，因此在螺旋弹簧悬架中必须另装减振器和导向机构。

20.3.3扭杆弹簧

扭杆弹簧系用铬钒合金弹簧钢制成，其表面经过加工后很光滑。

使用中必须对扭杆表面很好保护，通常在扭杆弹簧表面上涂有环氧树脂，包一层玻璃纤维布，再涂一层环氧树脂，最后涂以沥青和防锈油漆，以防碰撞、刮伤和腐蚀，从而可提高扭杆弹簧的使用寿命。

扭杆弹簧本身是一根由弹簧钢制成的杆1（图20-8）。

扭杆断面通常为圆形，少数为矩形或管形。

其两端形状可以做成花键、方形、六角形或带平面的圆柱形等等，以便一端固定在车架上，另一端固定在悬架的摆臂2上。

摆臂则与车轮相连。

当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线而摆动，使扭杆产生扭转弹性变形，借以保证车轮与车架的弹性联系。

有的扭杆由一些矩形断面的薄条（扭片）组合而成，这样，弹簧更为柔软。

扭杆本身的扭转刚度虽然是常数，但采用扭杆的悬架刚度却是可变的。

若将扭杆的固定端转过一个角度，则摆臂的初始位置将改变，借此可调节车架与车轮之间的距离，即调节车身高度。

扭杆弹簧在制造时，经热处理后预先施加一定的扭转力矩载荷，使之产生一个永久的扭转变形，从而使其具有一定的预应力。

左、右扭杆的预加扭转的方向都与扭杆安装在车上后承受工作载荷时扭转的方向相同。

其目的是减小工作时的实际应力，以延长扭杆弹簧的使用寿命。

如果左、右扭杆换位安装，则将使扭杆弹簧的预先扭转方向与工作时扭转方向相反，导致扭杆弹簧的实际工作应力加大，而使用寿命缩短，因此左、有扭杆弹簧不能互换。

为此，左、右扭杆刻有不同的标记。

扭杆弹簧与钢板弹簧相比较，具有质量小，不需润滑、保养维修简便等优点，使用于小型车及箱式车。

20.3.4、气体弹簧

气体弹簧分为空气弹簧和油气弹簧两种。

气体弹簧是在一个密封的容器中充人压缩气体（气压为0．5～1MPa），利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。

空气弹簧弹簧的刚度是可变的。

空气具有较理想的非线性弹性特性，加装高度调节装置后，车身高度不随载荷的增减而变化，弹簧钢度可设计的较低，乘坐的舒适性好。

但空气弹簧弹簧结构复杂、制造成本高。

1．空气弹簧囊式、膜式和复合式三种如图20-9所示。

（1）囊式空气弹簧

囊式空气弹簧如图20-9a所示，有单曲、双曲和多曲式三种。

若气室容积相同时，

气囊曲数愈多弹簧钢度愈小，但曲数太多，弹簧横向稳定性不好。

囊式空气弹簧有效面积变化率较大，弹簧钢度较高，因此，通常采用增加辅助气室办法减少弹簧的刚度。

若囊式空气弹簧选择适当的弹簧有效面积变化率和辅助气室容积，可得到适当的弹簧刚度。

囊式空气弹簧由于工作时橡胶膜片曲率变化小，弹簧使用寿命较长。

（2）膜式空气弹簧

膜式空气弹簧如图20-9b和20-9c所示，膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成。

与囊式的相比，有效面积变化率比囊式小，因此在没有辅助气室情况下，可以得到较低的弹簧刚度。

从弹簧密封形式看，膜式空气弹簧可采用压力自封式，结构简单、成本低。

由于膜式空气弹簧尺寸较小，在车上便于布置，故目前汽车上使用较多。

但是制造较困难，寿命也较短。

（3）复合式空气弹簧

从结构上看，复合式空气弹簧20-9d所示，是介于囊式和膜式之间的一种型式，它综合了上述两种空气弹簧的优点，具有较低的弹簧刚度，但制造工艺复杂。

２．油气弹簧

油气弹簧空气弹簧的一种特例，它仍以气体（一般是氮气）作为弹性介质，在气体与活塞之间引入油液作为传力介质。

油气弹簧主要由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸所组成。

油气弹簧的型式有单气室（图20-10）、双气室（带反压气室）以及两级压力式等。

单气室油气弹簧又分为油气分隔式（图20-10a）和油气不分隔式（图20-10b）两种。

前者可防止油液乳化，且便于充气。

油气分隔式油气弹簧其结构原理如图20-10a所示。

球形室1固定在工作缸6上，室内用橡胶个膜3将油与