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 悬架种类
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| 现代汽车悬架的发展十分快，不断出现，崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，如图D－X5－1。13-7也就是汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。80年代以来主动悬架开始在一部分汽车上应用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼。 | ||||||
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1. 弹性元件；2. 纵向推力杆；3. 减振器；4. 横向稳定杆；5. 横向推力杆 |
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图D－X5－1 被动悬架组成示意图 |
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| 根据汽车导向机构不同悬架种类又可分为独立悬架，非独立悬架。如图D－X5－2所示。 | ||||||
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a. 独立悬架 b. 非独立悬架 |
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图D－X5－2 独立悬架与非独立悬架示意图 |
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| 非独立悬架如图D－X5－2(a)所示。其特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。 | ||||||
| 独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不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。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。如图D－X5－2(b)所示。 | ||||||
| 汽车性能对悬架的要求 |
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| 汽车的固有频率是衡量汽车平顺性的重要参数，它由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量（簧载质量）所决定。人体所习惯的垂直振动频率约为1～1.6Hz。车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围，才能满足舒适性要求。固有频率按下式计算： | ||||||
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式中：g-重力加速度； f-悬架垂直变形（挠度） M-悬架簧载质量 |
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| C(=Mg/f)-悬架刚度是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂直载荷 从固有频率公式可以看出，在悬架垂直载荷 一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低 | ||||||
| 但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。这样若无有足够大的限位行程，就会使撞击限位块的概率增加。若固有频率选取过低，很可能会出现制动点头角，转弯侧货角，空载和满载车身高度变化过大。一般货车固有频率是1.5～2Hz，旅行客车1.2～1.8Hz，高级轿车1～1.3Hz。另外，当悬架刚度一定时，簧载质量越大，悬架垂直变形也愈大，而固有频率越低。空车时的固有频率要比满载时的高。簧载质量变化范围大，固有频率变化范围也大。为了使空载和满载固有频率保持一定或很小变化，需要把悬架刚度做成可变或可调的。 | ||||||
| 影响汽车平顺性的另一个悬架指标是簧载质量。簧载质量分为簧上质量与簧下质量两部分，由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧上质量。车轮、非独立悬架的车轴等属于簧下质量，也叫非簧载质量M。如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比m/M进行评价，此比值越小越佳。 | ||||||
| 影响汽车平顺性的另一重要指标是阻尼比Ψ，它表达为： | ||||||
 k-代表悬架阻尼元件的阻力系数。 |
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| Ψ值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大的冲击传递到车身，Ψ值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比Ψ设计得比伸张小。 | ||||||
| 悬架的侧倾角刚度及前后匹配是影响汽车操纵稳定性的重要参数。当汽车受侧向力作用发生车身侧倾，若侧倾角过大，乘客会感到不安全，不舒适，如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，乘客也会感到不适，司机路感不好。所以，整车侧倾角刚度应满足：当车身受到0.4g侧向加速度时，其侧倾角在2.5～4°范围内，汽车有一定不足转向特性，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度。一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.4～2.6范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求，可在前后悬架中加装横向稳定杆，提高汽车操纵稳定性。 | ||||||
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| 二.弹性元件 | ||||||
| 悬架采用的弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧等。 | ||||||
| 钢板弹簧 |
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| 钢板弹簧又叫叶片弹簧，它是由若干不等长的合金弹簧片叠加在一起组合成一根近似等强度的梁。如图D－X5－3右侧所示。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，内装青铜或塑料或橡胶。粉沫冶金、制成的衬套，用弹簧销与固定在车架上的支架、或吊耳作铰链连接。钢板弹簧的中间用U形螺栓与车桥固定。 | ||||||
| 中心螺栓4用来连接各弹簧片，并保证各片的装配时的相对位置。中心螺栓到两端卷耳中心的距离可以相等，也可以不相等如图D－X5－3(b)。为了增加主片卷耳的强度，将第二片末端也弯成半卷耳，包在主片卷耳和外面，且留有较大的间隙，使得弹簧在变形时，各片间有相对滑动的可能。 | ||||||
| 钢板弹簧在载荷作用下变形，各片之间因相对滑动而产生摩擦，可促使车架的振动衰减。各片间的干摩擦，车轮将所受冲击力传递给车架，且增大了各片的摩损。所以在装合时，各片间涂上较稠的润滑剂（石墨润滑脂），并应定期保养。 | ||||||
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1. 卷耳；2. 弹簧夹；3. 钢板弹簧；4. 中心螺栓； |
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图D－X5－3 非对称式钢板弹簧 |
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| 钢板弹簧本身还兼起导向机构的作用，可不必单设导向装置，使结构简化，并且由于弹簧各片之间摩擦引起一定减振作用。有些高级轿车的后悬架采用钢板弹簧作弹性元件。目前一些国家汽车上采用变厚度的单片或二至三片的钢板弹簧，可以减少片与片间的干摩擦，减小动刚度，还提高使用应力，同时减轻重量。 | ||||||
| 螺旋弹簧 |
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| 螺旋弹簧是用弹簧钢钢棒料卷制而成，它们有刚度不变的圆柱形螺旋弹簧和刚度可变的圆锥形螺旋弹簧。 | ||||||
| 螺旋弹簧大多应用在独立悬架上， 尤以前轮独立悬架采用广泛。有些轿车后轮非独立悬架也有采用螺旋弹簧作弹性元件的。由于螺旋弹簧只承受垂直载荷，它用做弹性元件的悬架要加设导向机构和减振器。它与钢板弹簧相比具有不需润滑，防污性强，占用纵向空间小，弹簧本身质量小的特点，因而现代轿车上广泛采用。 |  |
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| 扭杆弹簧 |
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| 扭杆弹簧总成用铬钒合金弹簧钢制成，它的表面经过加工很光滑。通常为保护扭杆表面，在其上涂有环氧树脂，并包一层玻璃纤维，再涂一层环氧树脂，最后涂上沥青和防锈油漆，以防摩蚀和损坏表面，从而提高扭杆弹簧的使用寿命。 | ||||||
| 如图D－X5－4所示。扭杆弹簧是一根由弹簧钢制的杆1。扭杆断面常为圆形，少数是矩形或管形，扭杆一端固定在车架上，（另一端上的）摆臂2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，以保证车轮与车架的弹性联接。 | ||||||
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1. 扭杆；2. 摆臂 |
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| 扭杆弹簧在制造时，经热处理后施加一定的扭转力矩载荷，使它有一个永久变形，而具有一定的预应力，这样可以在实际工作中减小工作时的实际应力，有利于延长扭杆弹簧的寿命。但应注意左右扭杆由于施加应力有方向性，装在车上后承受工作载荷时扭转的方向应与所预加在扭杆上的扭转方向相一致，因而左右扭杆做有标记，安装时应加以注意。 | ||||||
| 采用扭杆弹簧做弹性元件的悬架要设导向机构和减振器。扭杆弹簧与钢板弹簧相比质量轻于钢板弹簧，而且不需润滑，保养维修简便。 | ||||||
| 气体弹簧 |
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| 气体弹簧主要有空气弹簧和油气弹簧两种。气体弹簧是以空气做弹性介质，即在一个密闭的容器内装入压缩空气（气压为0.5～1MPa），利用气体的可压缩性实现弹簧的作用。这种弹性元件叫空气弹簧，它分为囊式和膜式空气弹簧。如图D－X5－6所示。空气弹簧在轿车上有采用尤其在主动悬架中被采用。这种弹簧随着载荷的增加，容器内压缩空气压力升高，使其弹簧刚度也随之增加，载荷减少，弹簧压力也随空气压力减少而下降，因而这种弹簧有其理想的弹性特性。 | ||||||
| 图D－X5－6空气弹簧 | ||||||
| 囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶组成的气囊和密闭在其中的压缩空气构成。气囊外展由耐油橡胶制成单节或多节，节数越多弹簧越软，节与节之间围有钢质腰环，防止两节之间摩擦。气囊上下盖板将空气封于室内。 | ||||||
| 膜式空气弹簧，它由橡胶模片和金属压制件组成。它比囊式空气弹簧的弹性曲线更为理想，固有频率更低些，且尺寸小，便于布置因而多用于轿车上，但造价贵，寿命较短。 | ||||||
| 油气弹簧以气体（氮-惰性气体）作为弹性介质，用油液作为传力介质。油气弹簧类型有简单式油气弹簧，不带隔膜式的油气弹簧。带隔膜式油气弹簧，它将气体和液体分开，便于充气并防油液乳化。如图(c)所示是带反压气室式油气弹簧，它有一个反压气室，相当于在简单油气弹簧上加上一个方向相反的小筒单油气弹簧，用以提高空载时弹簧刚度，使空载满载自然振动频率变化不大。目前此种弹簧多用于重型车和部分小客车上。 | ||||||
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图D－X5－7 油气弹簧简图 |
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| 空气和油气弹簧用在悬架中，由于它们只能承受轴向载荷，因此悬架中必须加设导向机构和减振器。 | ||||||
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| 三.减振器 | ||||||
| 悬架系统中由于弹性元件受冲击产生振动，为改善汽车行驶平顺性，悬架中与弹性元件并联安装减振器，为衰减振动，汽车悬架系统中采用减振器多是液力减振器，其工作原理是当车架（或车身）和车桥间受振动出现相对运动时，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。在油液通道截面和等因素不变时，阻尼力随车架与车桥（或车轮）之间的相对运动速度增减，并与油液粘度有关。 | ||||||
| 减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏。因面要调节弹性元件和减振器这一矛盾。 | ||||||
| (1) 在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用。 | ||||||
| (2) 在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。 | ||||||
| (3) 当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。 | ||||||
| 在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器。 | ||||||
| 双向作用筒式减振器工作原理说明。在压缩行程时，指汽车车轮移近车身，减振器受压缩，此时减振器内活塞3向下移动。活塞下腔室的容积减少，油压升高，油液流经流通阀8流到活塞上面的腔室（上腔）。上腔被活塞杆1占去了一部分空间，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，一部分油液于是就推开压缩阀6，流回贮油缸5。这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。减振器在伸张行程时，车轮相当于远离车身，减振器受拉伸。这时减振器的活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀8关闭，上腔内的油液推开伸张阀4流入下腔。由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的容积，主使下腔产生一真空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀7流进下腔进行补充。由于这些阀的节流作用对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。 | ||||||
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图D－X5－8 双向作用筒式减振器示意图 |
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| 1. 活塞杆；2. 工作缸筒；3. 活塞；4. 伸张阀；5. 储油缸筒； 6. 压缩阀；7. 补偿阀；8. 流通阀；9. 导向座；10. 防尘罩；11. 油封 | ||||||
| 由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计的大于压缩阀，在同样压力作用下，伸张阀及相应的常通缝隙的通道载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道截面积总和。这使得减振器的伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程的阻尼力，达到迅速减振的要求。 | ||||||
| 图D－X5－9表示了奥迪100轿车前、后悬架减振器结构图。其作用原理如前所述。 | ||||||
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图D－X5－9 |
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