悬架原理.docx

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悬架原理

悬架

概述

作用和组成：

作用

1．把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，保证汽车正常行驶，即起传力作用。

2．利用弹性元件和减振器起到缓冲减振的作用。

3．利用悬架的某些传力构件使车轮按一定轨迹相对于车架或车身跳动，即起导向作用。

4．利用悬架中的辅助弹性元件横向稳定器，防止车身在转向等行驶情况下发生过大的侧向倾斜。

组成

1．弹性元件——起缓冲作用

2．减振元件——起减振作用

3．传力机构或称导向机构——起传力和导向作用

4．横向稳定器——防止车身产生过大侧倾。

悬架系统的自然振动频率

　　n——悬架的频率；

　　M——簧载质量；

　　K——悬架刚度；

N随簧载质量的变化而变化，人体最舒适的范围为1～1.6Hz，如果将汽车行驶过程中的频率保持在该范围内，最好使用变刚度悬架。

类型：

1．非独立悬架：

两侧车轮通过整体式车桥相连，车桥通过悬架与车架或车身相连。

如果行驶中路面不平，一侧车轮被抬高，整体式车桥将迫使另一侧车轮产生运动。

2．独立悬架：

车桥是断开的，每一侧车轮单独地通过悬架与车架（车身）相连，每一侧车轮可以独立跳动。

弹性元件

1．钢板弹簧：

由若干片合金弹簧片组成的弹性梁。

2．螺旋弹簧：

用弹簧钢棒料卷制而成，常用于各种独立悬架。

特点是没有减振和导向功能，只能承受垂直载荷。

在螺旋弹簧悬架中必须另装减振器（起减振作用）和导向机构（传递垂直力以外的各种力和力矩，并有导向作用）。

3．扭杆弹簧：

一根由弹簧钢制成的杆。

一端固定在车架上，一端固定在悬架的摆臂上，摆臂与车轮相连。

4．气体弹簧：

在一个密封的容器中冲入压缩空气，利用气体可压缩性实现弹簧作用。

特点是：

作用在弹簧上的载荷增加时，容器中气压升高，弹簧钢度增大；反之，当载荷减小时，气压下降，钢度减小。

因此具有理想的变刚度特性。

空气弹簧——囊式空气弹簧：

由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气所组成。

节数越多，弹性越好，但密封性越差。

膜式空气弹簧：

由橡胶膜片和金属压制件组成。

刚度较小，车身自然振动频率较低；尺寸较小，多用于轿车上。

油气弹簧：

一般以惰性气体氮为弹性介质，用油液作为传力介质，有气体弹簧和相当于减振器的液压缸组成。

单气室油气弹簧——油气分隔式（可防止油液乳化，且便于充气）和油气不分隔式。

单气室油气不分隔式油气弹簧：

该油气弹簧不仅是前悬架的弹性元件和减振元件，而且还兼做转向主销。

双气室油气弹簧：

比单气室多一个作用力方向相反的反压气室和一个浮动活塞。

当弹簧处于压缩行程时，主气室中的活塞上移，使主气室内的气压增高，弹簧刚度增加。

此时浮动活塞下面的油液，在反压气室的气体压力作用下经通道流入主气室的活塞下面，补充活塞上移后空出的容积，则反压气室内的气压下降。

当弹簧处于伸张行程时，主活塞下移，主气室内的气压降低，主活塞下面的油液受挤压，经通道流回浮动活塞的下面，推动活塞上移，而使反压气室内的气压增高，从而提高了伸张行程的弹簧刚度。

这种油气弹簧消除了在伸张行程中活塞与缸体底部发生撞击的可能性。

两级压力式油气弹簧——在工作活塞的上方设有两个并列的气室，但两个气室的工作压力不同。

主气室内的气压与单气室油气弹簧的气压相近，而补偿气室内的气压则较高，从而具有了变刚度特性。

5．橡胶弹簧——利用橡胶本身的弹性起弹性元件的作用。

它可以承受压缩载荷和扭转载荷，由于橡胶的内摩擦较大，橡胶弹簧还具有一定的减振能力。

橡胶弹簧多用作悬架的副簧和缓冲块。

减振器

原理：

当车架与车桥作往复相对运动时，减振器中的活塞在缸筒内也作往复运动，减振器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。

孔壁与油液间的摩擦及液体分子内的摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减振器壳体所吸收，并散到大气中。

1．双向作用筒式减振器

2．新型减振器

充气式减振器——在缸筒下部有一个浮动活塞，其与缸筒形成的密闭气室内充满高压氮气。

浮动活塞上装有大断面的O型密封圈（封气活塞），把油和气完全分。

由于活塞杆进出而引起的缸筒容积的变化由浮动活塞的上下运动来补偿。

这种减振器不需储液缸筒，所以亦称单筒式减振器。

阻力可调式减振器——当汽车载荷增加，空气囊中的气压升高，则气室内的气压也随之升高，使膜片向下移动与弹簧产生的压力相平衡。

与此同时，膜片带动与它相连的柱塞杆和柱塞下移，使得柱塞相对空心连杆上的节流孔的位置发生变化，结果减小了节流孔的通道截面积，也减少了油液流经节流孔的流量，从而增加了油液流动阻力。

非独立悬架

1．纵置板簧式非独立悬架——由钢板弹簧和减振器组成。

钢板弹簧中部用两个U型螺栓固定在车桥上。

弹簧前端卷耳用钢板弹簧销与前支架相连，形成固定铰链支点；后端卷耳通过钢板弹簧吊耳销与吊耳相连接。

由于吊耳可以前后摆动，保证了弹簧变形时两卷耳中心线间的距离可以改变。

2．螺旋弹簧非独立悬架——由螺旋弹簧、减振器、纵向推六杆和横向推力杆组成。

多用于轿车的后悬架。

3．空气弹簧非独立悬架——由囊式空气弹簧、压气机、车身高度调节控制阀、控制杆等组成。

采用空气弹簧悬架容易实现车身高度的自动调节。

4．油气弹簧非独立悬架——由油气弹簧（兼起减振器作用）、横向推力杆、纵向推力杆等组成，推力杆起导向和传力的作用。

独立悬架

优点：

两侧车轮可以单独运动互不影响；减小了非簧载质量，有利于汽车的平顺性；采用断开式车桥，可以降低发动机位置，降低整车重心；车轮运动空间较大，可以降低悬架刚度，改善平顺性。

类型：

横臂式独立悬架——车轮在汽车横向平面内摆动的悬架；

纵臂式独立悬架——车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架。

烛式悬架和麦弗逊式悬架（也称滑柱连杆式悬架）车轮沿主销移动的悬架；

单斜臂式独立悬架——车轮在汽车的斜向平面内摆动的悬架。

1．

横臂式独立悬架

单臂式独立悬架——当悬架变形时，车轮平面将产生倾斜而改变两侧车轮与路面接触点间的距离（轮距），致使轮胎相对于地面侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着。

此外，这种悬架用于转向轮时，会使主销内倾角和车轮外倾角发生较大的变化，对于转向操纵有一定影响，故目前在前悬架中很少采用。

2．双横臂式独立悬架

两摆臂等长的悬架

两摆臂不等长的悬架——广泛用于中高级轿车

纵臂式独立悬架

1．单纵臂式独立悬架——多应用于不转向的后轮。

2．双纵臂式独立悬架——两个纵臂长度一般做成相等，形成平行四连杆机构。

车轮上下跳动时，主销的后倾角保持不变，适用于转向轮。

3．车轮沿主销移动的悬架

烛式悬架——当悬架变形时，主销的定位角不会变化，仅轮距、轴距稍有改变；有利于汽车的转向操纵性和行驶稳定性。

但由于侧向力全部由套筒和主销承受，二者间的摩擦阻力大，磨损严重。

因此，这种结构目前很少采用。

麦弗逊式悬架——前置前驱轿车和某些轻型客车上应用普遍。

筒式减振器为滑动立柱，横摆臂的内端通过铰链与车身相连，外端通过球铰链与转向节相连。

减振器的上端与车身相连，减振器的下端与转向节相连，车轮所受的侧向力大部分由横摆臂承受，其余由减振器活塞和活塞杆承受。

筒式减振器上铰链的中心与横摆臂外端球铰链中心的连线为主销轴线，此结构也无主销结构。

4．单斜臂式独立悬架的结构介于单横臂和单纵臂之间，多用于后驱车的后悬架上。

5．横向稳定器——由U型横向稳定杆、连接杆和支座组成。

当车身只作垂直移动而两侧现价变形相等时，横向稳定杆在支座的套筒内自由转动，横向稳定杆不起作用。

当两侧悬架变形不等而车身相对于路面横向倾斜时，稳定杆一端向上运动，另一端向下运动，从而被扭转。

弹性稳定杆所产生的扭转内力矩妨碍了悬架弹簧的变形，减小了车身的横向倾斜和横向角振动。

多轴汽车的平衡悬架

1．等臂式平衡悬架——钢板弹簧相当于一根等臂平衡杆，它以悬架心轴为支点转动，从而保证汽车在不平道路上行驶时，各轮能着地，且中、后桥车轮的垂直载荷平均分配。

2．摆臂式平衡悬架——多用于货车。

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。

主动悬架与半主动悬架

主动悬架——悬架根据汽车的运动状态、路面状况以及载荷等参数的变化，对悬架的刚度和阻尼进行动态地自适应调节，是悬架系统始终处于最佳减振状态。

全主动悬架或有源主动悬架；半主动悬架或无源主动悬架。

1．主动悬架——在被动悬架系统（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控制作用力的装置。

由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

主动油气悬架系统——通过调节油气弹簧的刚度达到主动调节目的。

主动空气悬架系统——通过调节空气弹簧的刚度达到调节目的。

主动液力悬架系统——执行器（液压缸）中所采用的介质是不可压缩的油液，响应的灵敏度较高。

控制带宽一般至少覆盖0～15Hz，有的执行元件响应带宽甚至高达100Hz。

2．半主动悬架——用可控阻尼的减振器取代了执行器。

因此不改变悬架的刚度，只改变悬架的阻尼。

有级式半主动悬架、无极式半主动悬架

悬架评价指标：

1．侧倾中心高度——汽车在侧向力作用下，车身在通过左右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心称之为侧倾中心，到地面的高度称为侧倾中心高度。

侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。

但如过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。

2．车轮定位参数的变化——车轮相对车身上、下跳动时，主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。

若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。

。

3．悬架侧倾角刚度——当汽车作稳态圆周行驶时，侧向力作用下，车厢绕侧倾轴线转动，并将此转动角度车位车厢侧倾角。

车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。

4．横向刚度——悬架的横向刚度影响操纵稳定性。

若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。

悬架的设计要求

1．保证汽车有良好的行驶平顺性。

2．具有合适的衰减振动能力

3．保证汽车具有良好的操纵稳定性。

4．汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。

5．有良好的隔声能力。

6．结构紧凑、占用空间尺寸小。

7．可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

悬架

双横臂式

单横臂式

单纵臂式

单斜臂式

麦弗逊式

扭转梁随动臂式

侧倾中心高

较低

较高

较低

介于单横臂和单纵臂之间

较高

较低

车轮定位参数的变化

车轮外倾角与主销内倾角均有变化

车轮外倾角与主销内倾角变化大

主销后倾角变化大

有变化

变化小

左右轮同时跳动时不变

轮距

变化小，轮胎磨损速度慢

变化大，轮胎磨损速度快

不变

变化不大

变化很小

不变

悬架侧倾角刚度

较小，需用横向稳定器

较大，可不装横向稳定器

较小，需用横向稳定器

介于单横臂式和单纵向臂式之间

较大，可不装横向稳定器

横向刚度

横向刚度大

横向刚度小

横向刚度较小

横向刚度大

占用空间尺寸

占用较多

占用较小

几乎不占用高度空间

占用空间较小

其它

结构复杂前悬架用得较多

结构简单、成本低，前悬架上用得少

结构简单、成本低

结构简单、紧凑，轿车上用得较多

结构简单，用于发动机前置前轮驱动轿车后悬架。

悬架主要参数的确定

静挠度——汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即Fc=Fw/C

动挠度——从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自出高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车身的垂直位移。

振动频率：

1～1.6Hz