【汽车科普】汽车构造与原理 6.悬架系统
汇总
目录
1.引言
Suspension
悬架就是汽车的腿，车轮则是汽车的脚。
对于以奔跑为己任的汽车来讲，悬架的重要性可想而知。
不同用途的汽车，对悬架性能的要求也不同，不同构造的悬架，其成本、性能也不尽相同
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2.悬架的作用和构造
The Function＆Structure of Suspension
2.1 悬架的作用
悬架概述
- 悬架：
- 车轮与车身之间 连接的部分，
- 悬架就像是汽车的腿：
- 悬架上连接车身，下连接车轮，承上启下，保证汽车平稳行驶
- 当在不平路面上行驶时：
- 悬架系统 自动压缩、弯曲和伸直，使车轮尽量与地面保持最大的接触面，让车身尽量保持平稳行驶状态。
悬架的作用
- 从形式上看的两个作用：
- 将车轮悬挂在车身下面；
- 将车身支撑在车轮上面。
- 从悬架自身性能上看的两大作用
- 减振作用，这也是当初在汽车上采用悬架的主要原因；
- 支撑作用，它要对庞大的车身起到支撑作用
- 悬架图示
2.2 悬架的部件构成
悬架系统构成
- 悬架系统主要由三种部件组成：连杆、弹簧和减振器。
连杆
- 连杆：连接车轮和车身的部分
- 连杆的作用：控制车轮运动的方式和角度。
- 连杆的种类：双臂式、单臂式、扭转梁式、多连杆式等。
弹簧
- 弹簧：位于连杆与车身之间的部分
- 弹簧的作用：支持车身的重量，在车轮通过凸凹不平的路面时发挥缓冲作用。
- 弹簧的种类：螺旋式、钢板式、扭杆式，橡胶或充满空气的胶囊。
减震器
- 减振器的功能：抑制弹簧的过分振荡，能稳定车身，并确保车轮与地面有良好的接触。
- 减振器的分类：液压式、充气式、电磁式等。
- 充气式和电磁式的减振器：可随行车情况而主动调节减振器的性能，实时改变减振器的阻尼。
2.3 减震弹簧和减震器
弹簧的减震作用过程
- 车辆受到路面冲击时：
- 弹簧会以本身的压缩变形吸收振动的力量，缓冲不平路面对车身造成的颠簸和振动。
- 冲击力量消失时：
- 弹簧会在恢复原状的同时释放吸收的能量，自身拉伸变长，从而将车辆往上弹
- 这种现象即称为回弹（Rebound）。
- 回弹：会使车中乘客感到不舒适，而且会造成车辆操控困难，容易发生危险。
- 因此，在悬架中（一般是在弹簧圈中）装置减振器（Shock Absorber），阻止产生回弹
弹簧与减震器
- 弹簧的作用：缓冲地面的冲击
- 减振器的作用：限制弹簧的过分弹力
- 二者作用截然不同。
奔驰C级轿车前减振器
2.4 减震器
液压减震器
- 液压式减振器是最常用的一种减振器。
- 原理：
- 在一个钻有小孔和装有活塞的筒内注满压力油，当弹簧振动时油液会被迫流过小孔，因此产生限制作用。
- 小孔直径的大小，决定了限制（或减振）的作用大小。
- 如小孔直径较小，则有较强的限制，汽车稳定性会较高；
- 反之，汽车舒适性则较高。
- 设计时，小孔直径的大小要兼顾稳定性和舒适性。
- 液压减振器工作原理示意图
支柱式悬架系统构造图
空气减震器
- 空气减振器：
- 用一个空气泵向其充入空气，通过控制空气泵便可以调整空气减振器中的空气量或压力。
- 空气减振器的硬度和弹性系数是可调的。
- 空气被压缩得越多，弹性系数越大，它越能大大提高行驶运动性和稳定性。
- 空气弹簧：一个气囊，往往要配合减振器一起工作。
- 空气弹簧的空气量变化时，弹性系数就会发生变化，从而调节悬架的软硬度
- 奔驰S级轿车空气减振器
电磁减振器
- 利用电磁反应原理开发的一种减振器
- 可以针对路面情况，在1毫秒时间内做出反应，抑制振动，保持车身稳定。
- 特别是在车速很高又突遇障碍时，更能显出它的优势。
- 在减振器内采用的不是普通油，而是一种被称作电磁液的特殊液体。
- 由合成碳氢化合物以及3～10微米大小的磁性颗粒组成。
- 控制单元发出脉冲信号后：
- 线圈内产生电压，从而形成一个磁场，并改变粒子的排列方式。
- 这些粒子马上会按垂直于压力的方向排列，阻碍油液在活塞通道内流动的效果，从而提高阻尼系数，调整悬架的减振效果。
- 奥迪TT电磁减振器构造图
- 奥迪电磁减振器工作原理图
自适应减振器
- 自适应减振器是指：
- 可根据路面起伏和颠簸程度来自动调节阻尼系数的减振器。
- 有多种实现方式：
- 例如：奔驰A级车曾使用过的自适应减振器，它通过控制油液流动来调节阻尼系数，以适应不同的路面情况。
- 自适应减振器构造示意图
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3.悬架形式
Suspension Type
3.1 独立悬架和非独立悬架
独立悬架
- 左右两个车轮之间没有硬轴连接、一侧车轮跳动时不会影响到另一侧车轮
- 独立悬架由于车轮之间没有干涉，可以调校出更好的舒适性和操控性。
- 两侧车轮都可以尽量与地面保持垂直状态，使轮胎与地面的接触面积较大，保证轮胎的抓地力和行驶的稳定性
- 独立悬架构造图
非独立悬架
- 两个车轮之间有硬性连接物，两侧车轮是连接在一体的，当一侧车轮跳动时，另一侧车轮也会受到影响。
- 非独立悬架由于结构简单，可以获得更好的刚性和通过性
- 非独立悬架构造图
两种悬架的实用取舍
- 绝大多数轿车的前悬架都是独立式的
- 后悬架：经济型轿车可能采用非独立悬架；中档和高档轿车都采用独立悬架
3.2 不同的悬架形式
- 结合悬架三种结构的不同分类
- 连杆(双臂式、单臂式、扭转梁式、多连杆式)、
- 弹簧(螺旋式、钢板式、扭杆式，橡胶或充满空气的胶囊)、
- 减震器(液压式、充气式、电磁式)
- 悬架形式示意图
3.3 麦弗逊式悬架
麦弗逊式悬架的结构
- 由 A形控制臂 与 减振支柱 共同组成
- 车轮的上部通过一根减振支柱与车身相连，下部则是通过一根A形控制臂与车身相连。
- 上部的减振支柱：集成了弹簧和减振器，支撑车体和减振，以及承受车轮上端的横向力。
- 下部的A臂：承担车轮下端的横向力和纵向力。
- 连杆支柱式悬架：
- 麦弗逊式悬架的变种，一般出现在后悬架中。
- 它的下部不再是A臂，而是两根平行连杆和一根纵向拉杆
示意图
- 麦弗逊式悬架系统构造图
- 标致107轿车前麦弗逊独立悬架
3.4 扭转梁式悬架
扭转梁式悬架的结构
- 别名：转矩梁式悬架、扭梁杆式悬架等。
- 这类悬架的左右车轮之间通过一个扭转梁连接。
- 一个车轮遇到非平整路面时，那个粗壮的“扭转梁”仍然会对另一侧车轮产生一定的干涉，只不过其干涉程度没有硬轴大而已。
- 归类：厂家宣传为半独立悬架。严格来说，是非独立悬架
应用
- 扭转梁式悬架是在经济型轿车上最为常见的悬架形式
示意图
- 扭转梁式后悬架构造图：
3.5 双叉臂式悬架
双叉臂式悬架的结构
- 双叉臂式又称双A臂、双横臂式悬架。
- 下部构造与麦弗逊式悬架一样，是一根A臂（或称叉臂），同时车轮上部也有一根A臂与车身相连，
- 减振弹簧和减振器则一般与下A臂相连。
- 减振支柱只承担支撑车体和减振任务，车轮的横向力纵向力则都由A臂来承担。
双叉臂式悬架的优势
- 强度和耐冲击力都要比麦弗逊式悬架强很多
- 大多数SUV都用这种悬架。
- 轮胎上下均有A臂支撑，支撑力强：
- 在悬架被压缩时，两组A臂会形成反向力，可以很好地抑制侧倾和制动点头等问题。
- 由于支撑力强，在弯道上也有利于轮胎定位的精准化，从而可以提高过弯极限。
- 用在部分高级别轿车和跑车中
图示
- 奔驰汽车双叉臂式前悬架
- 奥迪汽车双叉臂式前悬架构造图
3.6 多连杆式悬架
多连杆式悬架的结构
- 按惯例，一般都把 4连杆或更多 连杆结构的悬架，称为多连杆式悬架
- 可以保证一定的舒适性（是完全独立式悬架）
- 操控性一般都不错：
- 由于连杆较多，车轮与地面可尽最大可能保持垂直，减小车身的倾斜，维持轮胎的贴地性。
- 理论上讲，多连杆式悬架是目前解决舒适性和操控性矛盾的最佳方案
稳定杆
- 也称平衡杆或防倾杆，它的两端分别固定在左右悬架上。
- 汽车转弯时：可减小车身侧倾程度，使车身尽量保持平衡。
- 当汽车转弯时，外侧悬架会压向稳定杆，这样稳定杆就会发生扭曲。
- 由于稳定杆是个弹性杆，相当于一根扭杆弹簧，它的弹力会阻止车轮抬起，从而使车身尽量保持平衡
- 一般在注重运动性的车型上使用，前后悬架都可使用。
图示
- 奔驰汽车5连杆后悬架构造图
3.7 空气悬架
空气悬架的结构
- 空气悬架，是指采用空气减振器或空气弹簧的悬架
- 空气悬架是一种主动悬架，它可以控制车身高度、车身倾斜度和减振阻尼系数等。
- 空气悬架中的电子控制单元（ECU），根据惯性传感器、车身高度、车速、转向角度和制动等信号，实时控制空气压缩机的工作情况。
- 空气压缩机将 高压空气 输送到每个空气悬架中，根据需要控制每个悬架的行程、阻尼系数和高度等，从而使汽车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性
空气悬架的优势
- 与传统钢制汽车悬架系统相比较，空气悬架具有很多优势。
- 高速行驶时，悬架可以变硬，提高车身稳定性；
- 长时间低速行驶时，控制单元会认为正在经过颠簸路面，便使悬架变软来提高乘坐舒适性。
- 空气悬架系统还能自动保持车身水平高度，无论空载还是满载，车身都能保持水平状态。
- 一些汽车可以升降底盘的原因
- 空气弹簧的长度和行程根据弹簧内压缩空气量的多少也是可控的。
- 它通过与发动机相连的空气泵调节泵入的空气量，便可调节空气减振器的行程和长度。
图示
- 奥迪A6轿车空气弹簧悬架
- 奔驰轿车空气弹簧后悬架
- 奔驰汽车空气悬架控制系统示意图
3.8 瓦特连杆悬架
- 瓦特连杆：最初是由英国发明家兼工程师詹姆斯·瓦特所发明的
- 曾在别克英朗、奔驰A级（W169）、奔驰B级车上使用过。
- 作用原理：
- 当汽车转向时，离心力会作用在车轮上。
- 瓦特连杆的作用就是平衡两边车轮上的这些离心力，将其反转到另一边，以减少后轮侧向力对车轮前束的影响，
- 从而使两侧车轮受力始终与路面保持最适宜的接触，达到最佳的附着力。
- 瓦特连杆：
- 不仅提高了车辆的驾乘舒适性，也加强了车辆循迹性。
- 带瓦特连杆的扭转梁式后悬架系统：
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4.悬架性能
4.1 簧下质量
较重的簧下质量，就相当于人腿上绑着沙袋去运动，肯定会影响运动的灵活性
簧上质量与簧下质量
- 簧下质量：
- 是指不由悬架系统中的弹性元件所支撑的质量
- 一般包括 车轮、弹簧、减振器、制动轮缸以及其相关部件 等。
- 簧上质量：
- 指车辆剩余部分的质量，包括车架、动力系统、传动装置和乘员等。
簧下质量小，运动特性更好
- 簧上质量与簧下质量之比越大，乘坐舒适性越好
- 簧下质量较大：
- 会有较大的运动惯性，应对路面的反应能力会变弱
- 路面颠簸时，会将=起伏状态直接传递给车身
- 而悬架系统不能完成过滤振动、吸收冲击的任务。
- 簧下质量较小：
- 就会使悬架系统拥有更好的动态响应，可迅速灵活地应对路面的冲击，以达到车身平稳
- 较小的簧下质量 意味着悬架系统拥有较好的动态响应能力和操控性。
- 一些运动车型都要选择轻质的铝合金车轮以减轻簧下质量。
4.2 悬架都是妥协设计
- 悬架系统既要满足舒适性的要求，又要兼顾操纵稳定性的要求，而它们往往又是相互矛盾的。
- 悬架软时：乘坐较舒服；
- 但悬架太软：会出现制动点头、操纵不稳等现象，影响运动性能。
- 悬架设计：在舒适性和运动性之间做出妥协
- 根据车型定位确定它们的具体妥协点
