悬架的基本概念

一、概述：

1、悬架的定义、作用及其组成

    悬架的定义：悬架是现代汽车上主要总成之一。是将车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接装置的总称。

    悬架的作用：

（1）传递作用在车轮与车身之间的一切力和力矩。路面作用于车轮的垂直力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）、侧向力以及这些反力所造成的力矩都是通过悬架系统传递到车身上。

（2）缓和由不平路面传给车身的冲击载荷。由于路面不可能绝对的平整，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车身时，将会使乘客感到不舒适，货物也可能会受到损伤，并会引起汽车零件的早期损坏。为缓和冲击，除了使用弹性的充气轮胎以外，就靠悬架系统中的弹性元件来缓和冲击。

（3）衰减由冲击载荷引起承载系统的振动，以保证汽车的正常行驶。由于冲击载荷，将会产生振动，连续的冲击载荷必然使汽车振动加剧，甚至于发生共振，反而使车身的动负荷增加，持续的振动也容易使乘客感到不舒适和疲劳。这主要靠悬架系统的减振装置来衰减振动。

（4）保证汽车行驶所必要的稳定性。当汽车悬架设计比较柔软时，在制动或加速时，车身在纵向平面中发生显著的倾斜，为了防止制动时的“点头”或加速时的“后坐”。可采用非对称钢板弹簧结构来提高车身的纵向稳定性。在某些行驶状态下所引起横向力造成车身在横向平面中的倾斜，它将影响汽车的舒适性及稳定性。可以增加悬架的垂直刚度，采用相应的导向装置的结构布置，以及安装横向稳定杆，增加侧倾角刚度，来提高车身的横向稳定性。

    悬架的组成：悬架通常由弹性元件、导向机构、减振装置三部分组成。

（1）弹性元件：主要用来传递垂直力和缓和冲击。弹性元件主要是靠材料变形来储存能量，并随后将它缓慢地释放出来，而起到缓和冲击的作用。

    弹性元件的结构一般有钢板弹簧、扭杆弹簧、螺旋弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧、油气悬挂等。

（2）导向机构：主要用来决定车轮相对于车身的运动特性，以保证必要的稳定性，同时传递垂直力以外的力和力矩。

    导向机构一般有纵臂、横臂、斜臂及各种梁。前钢板弹簧也起导向机构的作用。

（3）减振装置：主要用来迅速衰减车轮和车身的振动。减振装置的结构有摇臂式减振器、筒式减振器、及充气式减振器、液力减振器等。

    以上三个组成部份分别起到缓冲、导向和减振的作用，然而三者的共同任务是传递力。

    另外当汽车悬架设计柔软、横向角刚度较小时，还要安装横向稳定杆，以减小车身的横向摆动，提高车身的横向稳定性。

2、悬架的分类：

（1）非独立悬架

    该种悬架的左右车轮用一根刚性轴连接起来，并通过悬架将车轮与车身）相连，该种悬架称非独立悬架。

    非独立悬架的优点：结构简单、性能可靠、制造容易、成本低、保养维修方便，当车轮上下跳动时轴向的定位参数变化小、轮胎磨损小。

    非独立悬架的缺点：

①、簧下重量大，一方面降低了平顺性，另一方面使车轮接地性差，影响了高速行驶的稳定性。

②、弹簧难于设计得较软，降低了平顺性。

③、用于前轮时，有“陀螺”效应，易使汽车发生摆振现象，用于后轮时，有传动轴扭矩造成的左右 轮垂直负荷转移现象。用于小客车时，对操纵稳定性不利。

    非独立悬架通常可分为钢板弹簧式、四连杆式及多迪奥式。

（2）独立悬架

    该种悬架的左右车轮不连在一根轴上，而且单独通过悬架与车身相连，该种悬架称为独立悬架。

独立悬架的优点：

①、非悬架重量小，因为它用较轻的杠杆代替了非独立悬架的整体车轴，约有1/3的簧下重量变为了簧上重量，因此改善了平顺性。

②、独立悬架的弹性元件只承受垂直载荷，其它方向的力或力矩由导向机构来承受，因此可以采用较软的弹簧以获得良好的行驶平顺性。

③、在越野车上采用独立悬架，可提高前后轴下的离地间隙，以及车轮的接地性好，因而提高了汽车的通过性和行驶稳定性。

    独立悬架的缺点：结构复杂、成本高，维修保养不便。

    独立悬架通常可分为单横臂式、单纵臂式、双横臂式、双纵臂式、斜臂式、烛式及滑柱连杆式。其中以双横臂式最为常见。

（3）平衡悬架：

    该悬架是将两个车轿（如三轴汽车的中桥与后桥）装在平衡轴的两端，而将平衡轴中部与车身作铰链式的连接，以求达到力的平衡。这样一个车轿抬高将使另一个车轿下降，而且由于平衡轴两个臂等长，因此两车轿上的垂直载荷在任何情况下都相等。使车轮有较好的接地性，从而提高了汽车的通过性。

    该平衡悬架通常可分为双轴平衡式及铰联式两种，其中以双轴平衡式为常见。

二、介绍几种常见的悬架弹性元件

    弹性元件主要是靠材料变形来储存能量，并随后将它缓慢的释放出来，而起缓和冲击的作用。

1、汽车钢板弹簧

    汽车钢板弹簧是汽车悬架系统中最传统的弹性元件，由于其可靠性好、结构简单、制造工艺流程短、成本低而且结构能大大简化等优点，从而得到广泛的应用。汽车钢板弹簧一般是由若干片不等长的合金弹簧钢组合而成一组近似于等强度弹簧梁。在悬架系统中除了起缓冲作用而外，当它在汽车纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，即可担负起传递所有各向的力和力矩，以及决定车轮运动的轨迹，起导向的作用，因此就没有必有设置其它的导向机构，另外钢板弹簧是多片叠加而成，当载荷作用下变形时，各片有相对的滑动而产生摩擦，产生一定的阻力，促使车身的振动衰减，因此采用此种结构可以不装减振器。但是钢板弹簧单位重量储存的能量最低，因些材料的利用率最差。一般多片簧ε=60%，少片簧ε=75%~85%。耗费大量的合金钢，它的重量占汽车自重的8~9%。

    汽车钢板弹簧从结构上可分为多片簧和少片簧。

    少片变截面弹簧

（1）从节能的角度出发，力求使汽车轻量化，作为钢板弹簧总成由于自重较大，约占汽车自重的8~9%，是实现汽车轻量化的一个不可忽视的部件。为减轻汽车的自重，改善汽车的行驶平顺性，提高整车的性能，近几年钢板弹簧的设计的轻量化是朝着少片变截面弹簧发展。

少片变截面弹簧是由一片或几片纵向等长的变断面弹簧组成，一般为2~3片，最多不超过5片。

（2）少片变截面弹簧的优点：

①、重量轻

a. 与多片簧相比可减轻重点30~40%，采用合理的断面形状，与多片簧相比更接近于等应力梁，应力分布更合理，材料利用率最高ε=75~85%。

b. 提高了设计应力，设计应力可以比多片簧提高20%（设计应力提高10%，重量可以减轻20%），大大的减轻了弹簧的重量。

c. 非工作部分少，因少片簧中部夹紧长度比多片簧小。

②、改善了悬架振动性能

a. 片数少、片间摩擦小，阻力也比较稳定。

b. 刚度增加小。

③、有可能提高板簧寿命

a. 采用了先进的强化方式，应力喷丸。

应力喷丸施加的预应力有以下几种方式：

A. 100kg/cm2    B、120 kg/cm2   C、140 kg/cm2

如果采用施加预应力120 kg/cm2，所产生的残余压应力-b5~-90 kg/cm2。

b. 喷涂防腐层

c. 片间加垫，防止了片间的接触，减少了片间摩擦。

④、减少了弹簧的加工的工作量。

⑤、减少弹簧总成的总厚度，可以使整车的重心高度降低，总布置好布置。

2、空气弹簧：

    空气弹簧是由夹有帘线的橡胶囊和充入其内腔的压缩空气所组成的弹簧元件。空气悬架除弹性元件，导向机构和减振器外，一般装有车身高度调节装置，目前已广泛的应用在客车、载重车及挂车上。

    空气弹簧的优点：

（1）空气弹簧具有变刚度特性，容易得到较低的固有频率，从而保证了良好的汽车行驶平顺性。据整车的试验表明，装有汽车钢板弹簧的大客车的固有频率在2~2.7HZ（120~160次/分）范围内，而装上空气弹簧后，其固有频率可达到1.25~1.7HZ（75~100分/次），使汽车的乘座舒适性大为改善，强度高（工作压力：3~4kg/ cm2，压破压力：22kg/ cm2）。

（2）空气悬架装有高度调节阀后，使车身的高度不随载荷的增减而变动。

（3）空气弹簧的寿命比钢板弹簧高得多，因空气弹簧寿命只取决于橡胶囊的寿命，相当于钢板弹簧的寿命3~4倍。

（4）可以节省大量的合金钢材。

    空气悬架的缺点：

（1）结构比较复杂，因为空气弹簧只能承受垂直载荷，还需要装导向机构来承受垂直力以外的力和力矩。

（2）密封环节较多，容易漏气。

（3）空气弹簧的尺寸较大，在非独立悬架中，布置上往往不易保证足够大的弹簧中心距，使横向角刚度达到应有的数值，往往需要装横向稳定杆以弥补其不足。

3、油气弹簧（油气悬挂）：

    油气弹簧是空气弹簧的一种特例，它仍以气体（一般用惰性气体——氮）作为弹性元件，而在气体与活塞之间引入油液作为中间介质。油气弹簧的工作缸由气室、油液和起减振作用的阻尼阀组成。

    该弹性元件主要用于25吨以上的矿用车上。

（1）油气弹簧的优点：

①、可以得到比较满意的非线性特性，可以得到较低的固有频率（可达到80次/分左右），同时有很强的阻尼力，能满足汽车行驶平顺性要求，改善驾驶员的劳动强度。

②、油气弹簧与空气弹簧相比较，由于采用了钢筒作为气室，气室的压力可比空气弹簧高10~20倍，通常为5~7N/mm2，有的高达20N/mm2。

③、体积小、重量轻。用于重型矿用自卸车上比采用钢板弹簧要轻50%以上的重量。例如：25吨级的矿用车后悬架采用钢板弹簧，片数13片，规格100×20，总重量约为450kg，而采用油气悬架总重量约为185kg，减轻重量58%。

④、使用寿命长，零件损耗大大地降低。

⑤、便于系列化，可以选用适当的缸径，改变其工作压力。

（2）油气弹簧的缺点：

①、油气悬架工作缸内为高压气体和油液，要求有较高的密封性。

②、使用过程中气体会缓慢的泄漏，需要定期充气，但不能充气过多，需要有一套特殊的充气装备和操作规程。

③、作用中还要保持工作缸内的清洁，否则容易引起表面拉伤，所以油气悬挂的加工复杂，维护较麻烦。