汽车维修与底盘构造第九章 悬架.docx

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汽车维修与底盘构造第九章悬架

第九章悬架

第一节　概述

　　悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力连接装置的总称。

　　1．悬架的功用和组成

　　1）悬架的功用

（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，保证汽车的正常行驶，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。

　　2）悬架的组成

（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。

　　2．悬架系统的自然振动频率

　　悬架系统的频率与汽车的平顺性（也称舒适性）有直接关系。

　　n——悬架的频率；

　　M——簧载质量；

　　K——悬架刚度；

　　悬架频率n随簧载质量的变化而变化，人体最舒适的频率范围为1～1.6Hz，如果要将汽车行驶过程中的频率保持在1～1.6Hz内，最好采用变刚度悬架。

3．汽车悬架的类型

　　1）非独立悬架

　　非独立悬架的特点是：

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

　　独立悬架的特点是：

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

第二节　弹性元件

一、钢板弹簧

　　钢板弹簧是由若干片等宽但不等长的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁，多数情况下由多片弹簧组成。

钢板弹簧的第一片也是最长的一片为主片，其两端弯成卷耳，内装衬套，以便用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳作铰链连接。

中心螺栓用以连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。

除中心螺栓以外，还有若干个弹簧夹（亦称回弹夹）将各片弹簧连接在一起，以保证当钢板弹簧反向变形（反跳）时，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。

　　中心螺栓距两端卷耳中心的距离相等时，称为对称式钢板弹簧，不相等时，称为非对称式钢板弹簧。

　　多片式钢板弹簧可以同时起到缓冲、减振、导向和传力的作用，用于货车后悬架可以不装减振器。

　　一些轻型货车和客车采用由单片或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，它可以实现汽车的轻量化。

二、螺旋弹簧

　　螺旋弹簧用弹簧钢棒料卷制而成，常用于各种独立悬架。

其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和导向机构，前者起减振作用，后者用以传递垂直力以外的各种力和力矩，并起导向作用。

三、扭杆弹簧

　　扭杆弹簧本身是一根由弹簧钢制成的杆。

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上。

摆臂还与车轮相连。

当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线摆动，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。

四、气体弹簧

　　气体弹簧是在一个密封的容器中充入压缩气体，利用气体可压缩性实现弹簧的作用。

气体弹簧的特点是，作用在弹簧上的载荷增加时，容器中气压升高，弹簧刚度增大；反之，当载荷减小时，气压下降，刚度减小。

气体弹簧具有理想的变刚度特性。

　　1．空气弹簧

　　1）囊式空气弹簧

　　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。

气囊有单节和多节式，节数越多，弹性越好，但密封性越差。

　　2）膜式空气弹簧

　　膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成。

与囊式相比，其刚度较小，车身自然振动频率较低；尺寸较小，在车上便于布置，故多用在轿车上。

2．油气弹簧

　　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，由气体弹簧和相当于减振器的液压缸组成。

　　1）单气室油气弹簧

　　单气室油气弹簧分油气分隔式和油气不分隔式两种，前者可防止油液乳化，且便于充气。

（1）单气室油气分隔式油气弹簧

　　上半球室、下半球室和橡胶油气隔膜构成了油气分隔式弹簧，工作缸、活塞和阻尼阀等构成了减振器。

（2）单气室油气不分隔式油气弹簧

　　工作缸固定在车架上，管形活塞的下端与转向节相连。

该油气弹簧不仅是前悬架的弹性元件和减振元件，而且还兼作转向主销。

管形活塞内腔以及活塞与工作缸壁间形成的环形腔内都充满着工作油液。

在管形活塞头的上面有一油层，既可以润滑活塞又可以作为气室的密封。

油层上方的空间即为高压气室，其中充满高压氮气，气体和油液之间没有任何隔离装置。

2）双气室油气弹簧

　　双气室油气弹簧比单气室油气弹簧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，弹簧的刚度增大。

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，而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。

3）两级压力式油气弹簧

　　两级压力式油气弹簧的特点是，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。

五、橡胶弹簧

　　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。

第三节　减振器

　　液力减振器的作用原理是：

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。

一、双向作用筒式减振器

二、新型减振器

　　1．充气式减振器

　　充气式减振器的结构特点是：

在缸筒的下部装有一个浮动活塞，浮动活塞与缸筒形成的密闭气室中，充有高压氮气。

浮动活塞之上是减振器油液。

浮动活塞上装有大断面的O形密封圈，把油和气完全分开，此活塞亦称封气活塞。

　　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。

因此这种减振器不需储液缸筒，所以亦称单筒式减振器。

　　2．阻力可调式减振器

　　阻力可调式减振器的工作过程是，当汽车的载荷增加时，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，即减少了油液流经节流孔的流量，从而增加了油液流动阻力。

第四节　非独立悬架

一、纵置板簧式非独立悬架

　　板簧式非独立悬架主要由钢板弹簧和减振器组成。

　　钢板弹簧的中部用两个U形螺栓固定在车桥上。

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。

东风EQ1108G系列汽车前悬架钢板弹簧的后端采用滑板式支承，前端为固定铰链连接。

钢板弹簧变形时，主片与弧形滑块的接触点是变动的，从而使弹簧工作长度发生变化，刚度略有变化。

第二片弹簧后端带有直角弯边，防止弹簧中部下落时钢板弹簧从支架中脱出。

　　为提高汽车的行驶平顺性，有的轻型货车后悬架采用将副簧置于主簧之下的渐变刚度钢板弹簧。

载荷小时，主簧起作用，当载荷增加到一定值时，副簧开始与主簧接触，悬架刚度随之相应提高，弹簧特性变为非线性。

当副簧全部接触后，弹簧特性又变为线性。

二、螺旋弹簧非独立悬架

　　螺旋弹簧非独立悬架由螺旋弹簧、减振器、纵向推力杆和横向推力杆组成。

常用于轿车的后悬架。

三、空气弹簧非独立悬架

　　空气弹簧非独立悬架主要由囊式空气弹簧、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。

四、油气弹簧非独立悬架

　　油气弹簧非独立悬架主要由油气弹簧（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。

第五节　独立悬架

　　独立悬架具有以下优点：

　　1）两侧车轮可以单独运动互不影响；

　　2）减小了非簧载质量，有利于汽车的平顺性；

　　3）采用断开式车桥，可以降低发动机位置，降低整车重心；

　　4）车轮运动空间较大，可以降低悬架刚度，改善平顺性。

　　独立悬架的类型如下：

　　1）横臂式独立悬架车轮在汽车横向平面内摆动的悬架；

　　2）纵臂式独立悬架车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架；

3）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；

　　4）单斜臂式独立悬架车轮在汽车的斜向平面内摆动的悬架。

一、横臂式独立悬架

　　1．单横臂式独立悬架

　　其特点是当悬架变形时，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

　　1）两摆臂等长的悬架

　　2）两摆臂不等长的悬架

　　两摆臂不等长的双横臂独立悬架广泛应用于中高级轿车。

二、纵臂式独立悬架

　　1．单纵臂式独立悬架

　　如果转向轮采用单纵臂式独立悬架，车轮上下跳动将使主销后倾角产生很大变化。

因此，单纵臂式独立悬架一般多用于不转向的后轮。

　　按车轮运动形式分类，富康轿车的后悬架属于单纵臂式扭杆弹簧独立悬架。

　　桑塔纳和捷达轿车的后悬架结构相同，也属于单纵臂式独立悬架。

它有一根整体的V形断面横梁，在其两端焊接着变截面的管状纵臂，从而形成了一个整体构架——后轴体。

纵臂前端通过橡胶－金属支承与车身作铰接式连接。

纵臂后端与轮毂、减振器相连。

汽车行驶时，车轮连同后轴体相对车身以橡胶－金属支承为支点作上下摆动，相当于单纵臂式独立悬架。

当两侧悬架变形不等时，后轴体的V形断面横梁发生扭转变形，由于该横梁有较大的弹性，可起横向稳定器的作用。

它不像普通带有整体轴的非独立悬架那样，一侧车轮的跳动会直接影响另一侧车轮。

因此，该悬架又称纵臂扭转梁式独立悬架。

2．双纵臂式独立悬架

　　双纵臂式独立悬架的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，这种形式的悬架适用于转向轮。

三、车轮沿主销移动的悬架

　　1．烛式悬架

　　其优点是当悬架变形时，主销的定位角不会发生变化，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。

缺点是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，这种结构形式目前很少采用。

　　2．麦弗逊式悬架

　　麦弗逊式悬架是目前前置前驱动轿车和某些轻型客车应用比较普遍的悬架结构形式。

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，其余部分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，此结构也为无主销结构。

四、单斜臂式独立悬架

　　单斜臂式独立悬架的结构介于单横臂和单纵臂之间，多用于后轮驱动汽车的后悬架上。

第六节　多轴汽车的平衡悬架

如果多轴车辆的全部车轮都是单独地刚性悬挂在车架上，在不平道路上行驶时将不能保证所有车轮同时接触地面。

当使用弹性悬架而道路不平度较小时，虽然不一定会出现车轮悬空现象，但各个车轮间垂直载荷的分配比例会有很大改变。

当车轮垂直载荷变小甚至为零时，车轮对地面的附着力随之变小甚至为零。

转向车轮遇此情况将使汽车操纵能力大大降低以致失去操纵；驱动车轮遇此情况将不能产生足够的驱动力。

此外，还会使其他车桥及车轮有超载的危险。

全部车轮采用独立悬架，可以保证所有车轮与地面的良好接触，但将使汽车结构变得复杂，对于全轮驱动的多轴汽车尤其是如此。

　　如果将两个车桥（如三轴汽车的中桥与后桥）装在平衡杆的两端，而将平衡杆的中部与车架作铰链式连接，一个车桥抬高将使另一车桥下降。

由于平衡杆两臂等长，使两个车桥上的垂直载荷在任何情况下都相等，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。

1．等臂式平衡悬架

　　等臂式平衡悬架是三轴和四轴越野汽车上普遍采用的一种平衡悬架结构形式。

钢板弹簧的两端自由地支承在中、后桥半轴套管上的滑板式支架内。

这样，钢板弹簧便相当于一根等臂平衡杆，它以悬架心轴为支点转动，从而可保证汽车在不平道路上行驶时，各轮都能着地，且使中、后桥车轮的垂直载荷平均分配。

2．摆臂式平衡悬架

　　摆臂式平衡悬架主要用于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，后桥是可以升降的支持桥。

当汽车在轻载或空载行驶时，可操纵举升油缸，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。

为适应这种汽车总体布置的需要，中（驱动）桥和后（支持）桥就有必要采用摆臂式平衡悬架。

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。

第七节　主动悬架与半主动悬架

　　悬架系统可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，使悬架系统始终处于最佳减振状态的称为主动悬架系统。

　　包含动力源的主动悬架系统称为全主动悬架或有源主动悬架；不包含动力源的主动悬架系统称为半主动悬架或无源主动悬架。

　　1．全主动悬架（简称主动悬架）

　　主动悬架是在被动悬架系统（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。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是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、伺服电动机、电磁阀等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

（1）主动油气悬架系统

　　其特点是通过调节油气弹簧的刚度达到主动调节目的。

（2）主动空气悬架系统

　　其特点是通过调节空气弹簧的刚度达到调节目的。

　　（3）主动液力悬架系统

　　其特点是执行器（液压缸）中所采用的介质是不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较高。

当执行器（液压缸）发生作用时，液压缸中的活塞从上、下两侧接受油压，一侧油压上升，另一侧油压下降，从而使活塞产生往复伸缩运动，以适应路面的凸凹，保持车身的平稳。

　　2．半主动悬架

　　半主动悬架与主动悬架的区别是，半主动悬架用可控阻尼的减振器取代了执行器。

因此它不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼。

半主动悬架无动力源，由可控的阻尼元件（减振器）和弹簧组成。

（1）有级式半主动悬架（如下图左）

　　将悬架系统中的阻尼分成两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择所需要的阻尼级。

（2）无级式半主动悬架（如上图右）

　　其特点是可根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内由最小变到最大进行无级调节。

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