悬架

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楼主 2020-02-13 15:56:26
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悬架


悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称,悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩,比如支撑力、制动力和驱动力等,并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。典型的汽车悬架结构由弹性元件、减震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。绝大多数悬架具有螺旋弹簧和减震器结构,但不同类型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。根据结构不同可将悬架分为非独立式和独立式两种。

悬架把车架与车轮弹性地联系起来,关系到汽车的多种使用性能,是汽车最重要的三大总成之一(其他两个分别是发动机和变速器)。从结构上看,汽车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧等简单构件组成的,但汽车悬架却是一个非常难达到完美要求的汽车总成,这是因为悬架既要满足汽车操纵稳定性的要求,又要保证汽车的舒适性要求,而这两方面又是相互矛盾的。为了取得良好的舒适性,需要大大缓冲汽车的振动,这样弹簧就要设计得软些,但弹簧软了却容易使汽车发生制动“点头”、加速“抬头”以及严重侧倾偏向的现象,不利于汽车的转向,容易导致汽车操纵不稳定等。

悬架的构件虽然简单,但参数的确定却相当的复杂,厂家不但要考虑汽车的舒适性、操控稳定性,还要考虑到成本问题,基于这三个问题,不同厂家有不同的倾向性策略。因此,就产生了比较常见的五种悬架:麦弗逊式独立悬架、双叉臂式独立悬架、单纵臂扭杆梁式半独立悬架、连杆支柱式独立悬架、多连杆式独立悬架。

1 非独立悬架

非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连,车轮连同车桥一起通过弹性悬架系统安装在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点,但由于其舒适性及操纵稳定性都相对较差,在现代轿车中只有成本控制比较严格的车型才会使用,更多的用于货车和大客车上,如图2-19所示。

图2-19 非独立悬架

非独立悬架系统的优点:

(1)左右轮在弹跳时会相互牵连,轮胎角度的变化量小,轮胎的磨损小。

(2)在车身高度降低时还不容易改变车轮的角度,使操控的感觉保持一致。

(3)构造简单,制造成本低,容易维修。

(4)占用的空间较小,可降低车底板的高度。

非独立悬架系统的缺点:

(1)左右轮在弹跳时会相互牵连,而降低乘坐的舒适性及操纵的稳定性。

(2)因构造简单使设计的自由度小,操控的安定性较差。

2 独立悬架

独立悬架系统中每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的。其优点是:质量轻,减少了车身受到的冲击,并提高了车轮的地面附着力;可用刚度小的较软弹簧,以改善汽车的舒适性;可以使发动机位置降低,汽车重心也得到降低,从而提高汽车的行驶稳定性;左右车轮单独跳动,互不相干,能减小车身的倾斜和振动。不过,独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点,同时因为结构复杂,会侵占一些车内乘坐空间,如图2-20所示。

图2-20 独立悬架

现代轿车大多采用独立悬架系统,按其结构形式的不同,独立悬架系统又可分为横臂式、多连杆式、纵臂式、烛式、麦弗逊式、拖曳臂式悬架系统等。

1.横臂式独立悬架

横臂式独立悬架是指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬架,按横臂数量的多少又分为单横臂式和双横臂式独立悬架。

单横臂式独立悬架具有结构简单、侧倾中心高以及有较强的抗侧倾能力的优点。但随着现代汽车速度的提高,侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化大、轮胎磨损加剧,而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大,导致后轮外倾增大,后轮侧偏刚度减小,从而产生高速甩尾的严重情况。单横臂式独立悬架多应用在后悬架上,但由于不能适应高速行驶的要求,目前应用不多。

图2-21 双横臂式独立悬架

双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长,又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时,能保持主销倾角不变,但轮距变化大(与单横臂式相类似),造成轮胎磨损严重,现已很少采用。对于不等长双横臂式悬架,只要适当选择、优化上下横臂的长度,并通过合理的布置,就可以控制轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内,保证汽车具有良好的行驶稳定性。目前不等长双横臂式悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上,部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构,如图2-21所示。

2.多连杆式独立悬架

多连杆式独立悬架是由3~5根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬架。多连杆式独立悬架能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线摆动,是横臂式和纵臂式独立悬架的折中方案,适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角,可不同程度地获得横臂式与纵臂式悬架的优点,以满足不同的使用性能要求。多连杆式独立悬架的主要优点是:车轮跳动时轮距和前束的变化很小,不管汽车是在驱动状态还是在制动状态都可以按驾驶员的意图进行平稳地转向,其不足之处是汽车高速时有轴摆动现象,如图2-22所示。

图2-22 多连杆式独立悬架

连杆式独立悬架主要是在FR驱动方式,并且在后车轴左右一体化(与中间的差速器刚性连接)的情况下使用,过去多采用钢板弹簧支撑车身,现在从提高行车平顺性的角度考虑,多使用连杆式和摆臂式独立悬架,并且使用平顺性好的螺旋弹簧。连杆在左右两侧各有一对,分为上拉杆和下拉杆,作为传递横向力(汽车驱动力)的机构,通常再与一根横向推力杆一起组成五连杆式结构。横向推力杆一端连接车身,一端连接车轴,其目的是防止车轴(或车身)横向窜动。当车轴因颠簸而上下运动时,横向推力杆会以与车身连接的接点为轴做圆弧运动,如果摆动角度过大会使车轴与车身之间产生明显的横向相对运动,与下摆臂的原理类似,横向推力杆也要设计得比较长,以减小摆动角。

连杆式悬架与车轴形成一体,弹簧下方质量大,且左右车轮不能独立运动,颠簸路面对车身产生的冲击能量比较大,平顺性差。因此出现了摆臂式悬架,这种方式是仅车轴中间的差速器固定,左右半轴在差速器与车轮之间设万向节,并以其为中心摆动,车轮与车架之间用Y形下摆臂连接。“Y”的单独一端与车轮刚性连接,另外两个端点与车架连接并形成转动轴。根据这个转动轴是否与车轴平行,摆臂式悬架又分为全拖动式摆臂悬架和半拖动式摆臂悬架,平行的是全拖动式,不平行的是半拖动式。

由于舒适性是轿车最重要的使用性能之一,而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)之间连接的传力构件,又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此,汽车悬架往往被列为重要部件而编人轿车的技术规格表,作为衡量轿车质量的指标之一。

3.纵臂式独立悬架

纵臂式独立悬架是指车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架结构,又分为单纵臂式和双纵臂式两种。采用单纵臂式独立悬架时,车轮上下跳动会使主销后倾角产生较大的变化,因此单纵臂式独立悬架不用在转向轮上。双纵臂式独立悬架的两个摆臂一般做成等长的,形成一个平行四杆结构,这样,当车轮上下跳动时主销的后倾角保持不变。双纵臂式独立悬架多应用在转向轮上,如图2-23所示。

图2-23 双纵臂式独立悬架

4.烛式独立悬架

烛式独立悬架的结构特点是:车轮沿着刚性地固定在车架上的主销轴线上下移动。烛式独立悬架的优点:当悬架变形时,主销的定位角不会发生变化,仅是轮距、轴距稍有变化,因此特别有利于汽车的转向操纵稳定和行驶稳定。烛式独立悬架的缺点:汽车行驶时的侧向力会全部由套在主销套筒的主销承受,致使套筒与主销间的摩擦阻力加大,磨损也较严重。烛式独立悬架,如图2-24所示,现已应用不多。

图2-24 烛式独立悬架

5.麦弗逊式独立悬架

麦弗逊式独立悬架的车轮也是沿着主销滑动的悬架,但与烛式独立悬架不完全相同,它的主销是可以摆动的,麦弗逊式独立悬架是摆臂式与烛式独立悬架的结合。与双横臂式独立悬架相比,麦弗逊式独立悬架的优点是:结构紧凑,车轮跳动时前轮定位参数变化小,有良好的操纵稳定性,加上由于取消了上横臂,给发动机及转向系统的布置带来了方便;与烛式独立悬架相比,它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善,如图2-25所示。

虽然麦弗逊式独立悬架并不是技术含量最高的悬架结构,但它仍是一种经久耐用的独立悬架,具有很强的道路适应能力。

图2-25 麦弗逊式独立悬架

6.拖曳臂式悬架

拖曳臂式悬架称为半独立悬架,从悬架的大分类来看,所有的悬架可以被分成两大类,即独立悬架和非独立悬架。但是在单纵臂扭转梁悬架上,这两个分类变得有些模糊。从悬架结构来看其属于不折不扣的非独立悬架,因为左右纵向摇臂被一根粗大的扭转梁焊接在一起,但是从悬架性能来看,这种悬架实现的是具有更高稳定性的全拖式独立悬架的性能。拖曳臂式悬架本身具有非独立悬架的缺点,但同时也兼有独立悬架的优点,拖曳臂式悬架的最大优点是左、右两轮的空间较大,而且车身的外倾角没有变化,避振器不产生弯曲应力,所以摩擦小。这种悬架的舒适性和操控性均有限,当其制动时除了车头较重会往下沉外,拖曳臂式悬架的后轮也会往下沉以平衡车身,无法提供精准的几何控制,如图2-26所示。

图2-26 拖曳臂式悬架

2.2.3 可变悬架

悬架直接影响到车辆的舒适性和操控性。可变悬架可通过手动或车辆自动改变悬架的高低、软硬以适应不同路面的行驶需求。

1.空气式可调悬架

可变悬架系统中应用最广泛的是空气式可调悬架,而在系统组成上,它主要包括控制电脑、空气泵、储压罐、气动前后减震器和空气分配器等部件,主要用途就是控制车身的水平运动、调节车身的水平高度以及调节减震器的软硬程度,如图2-27所示。

图2-27 空气式可调悬架

通常来讲,装备空气式可调悬架的车型前轮和后轮的附近都会设有离地距离传感器,按离地距离传感器的输出信号,行车电脑会判断出车身高度变化,再控制空气压缩机和排气阀门,使弹簧自动压缩或伸长,从而降低或升高底盘离地间隙,以增加高速车身稳定性或复杂路况的通过性。

而在日常调节中,空气式可调悬架会有以下几个状态:

(1)保持状态。当车辆被举升器举起而离开地面时,空气式可调悬架系统将关闭相关的电磁阀,同时电脑记忆车身高度,使车辆落地后保持原来高度。

(2)正常状态,即发动机运转状态。行车过程中,若车身高度变化超过一定范围,空气式可调悬架系统将每隔一段时间调整一次车身高度。

(3)唤醒状态。当空气式可调悬架系统被遥控钥匙、车门开关或行李厢盖开关唤醒后,系统将通过车身水平传感器检查车身高度。如果车身高度低于正常高度一定程度,储气罐将提供压力使车身升至正常高度。同时,空气式可调悬架可以调节减震器软硬度,包括软态、正常及硬态三个状态(也有标注成舒适、普通、运动三个模式等),驾驶员可以通过车内的控制按钮进行控制。

2.电磁式可调悬架

电磁式可调悬架就是利用电磁反应来实现汽车底盘高度升降变化的一种悬架方式,它可以在极短的时间内做出反应来抑制振动,保持车身稳定。特别是在一些相对极端的环境下,比如高速行车中突然遇到颠簸,电磁式可调悬架的优势就会非常明显,它的反应速度比传统悬架快5倍,如图2-28所示。

图2-28 电磁式可调悬架

在系统组成方面,电磁式可调悬架系统是由行车电脑、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减震器组成的。在每个车轮和车身连接处都有一个车轮位移传感器,传感器与行车电脑相连,行车电脑又与电磁液压杆和直筒减震器相连。电磁减震器的奥秘在于其中充当阻尼介质的电磁液,这种电磁液由合成的碳氢化物和细微的铁粒组成,这些金属粒子在普通状态下会杂乱无章地分布在液体中,而随着电磁场的产生及磁通量的改变,它们就会排列成一定结构,黏滞系数也随之改变,进而改变阻尼。可通过改变电流来控制电磁场的强度,也就是只需要改变电流就能够达到控制阻尼系数的目的。

其实这个减振过程,主要就是在车辆行驶到颠簸路面引起车轮跳动的时候,传感器迅速将信号传至控制系统,控制系统发出相应指令,将电信号发送到各个减震器的电子线圈,使电流的运动产生磁场,在磁场的作用下,电磁液的黏度得到改变,从而达到控制车身、减振的目的,而如此复杂的过程实际上只是瞬间完成的。

3.液压式可调悬架

液压式可调悬架就是利用液体压力变化来调节车身的悬架系统,如图2-29所示。它的核心部件是一个内置式电子液压集成模块,可以根据车辆行驶速度对减震器的伸缩频率和程度加以调整。另外,由于不同车型的重心分配有所不同,因而通常要在汽车重心的附近安装纵向、横向加速度横摆陀螺传感器,用来采集车身振动、车轮跳动以及倾斜状态等信号,这些信号经过行车电脑运算,把相应执行信号传递给四个执行油缸,并以增、减液压油的方式来改变离地间隙等。

图2-29 液压式可调悬架

与空气式可调悬架类似,液压式可调悬架也可以进行底盘升高或自动调节。它在停车时,其车身高度自动降为最低,车发动后恢复车身高度。在车辆行驶状态下,城市道路及车速低于110 km/h时,会采用标准高度;当车速超过110 km/h时,电子液压集成块控制车身头部降低15 mm,车尾部降低11 mm。降低重心可以改善车辆行驶稳定性,减小迎风最大截面和降低对侧风的敏感度,同时降低油耗;当车速低于90 km/h后车身恢复到标准高度;路况不好时,电子液压集成块控制车身升高,以最大限度保证减振行程长度与舒适性。

4.电子液力式可调悬架

电子液力式可调悬架也称连续减振控制系统(CDC),它也是主动悬架的一种,如图2-30所示。这套系统可以独立控制每个车轮的悬架阻尼,其电子感应器能根据读取路况信息,适时对减震器做出调整,使之在软硬间频繁切换,从而更迅速准确地控制车身的侧倾、俯仰以及横摆跳动,提高车辆高速行驶和过弯的稳定性。

图2-30 电子液力式可调悬架

而与较为传统的液压式可调悬架不同,电子液力式悬架对电子设备的依赖性更强。核心部件由中央控制单元、CDC减震器、车身加速度传感器、车轮加速度传感器以及CDC控制阀构成,其中减震器是基于传统的液压减震器构造,减震器内注有油液,有内外两个腔室,油液可通过连通两个腔室间的孔隙流动,在车轮颠簸时,减震器内的活塞便会在套筒内上下移动,其腔内的油液便在活塞的往复运动的作用下在两个腔室间往返流动。油液分子间的相互摩擦以及油液与孔壁之间的摩擦对活塞的运动形成阻力,将振动的动能转化为热量,热量通过减震器外壳散发到空气中,这样就实现了减震器的“减振”过程。

         


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