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第二十三章悬架孟庆雨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；f——悬架桡度悬架频率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。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。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。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。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，属于单纵臂式独立悬架。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。五、横向稳定器横向稳定器主要由U形横向稳定杆、连接杆和支座组成，支座固定在车身上，稳定杆两端通过连杆与下摆臂相连。当车身只作垂直移动而两侧悬架变形相等时，横向稳定杆在支座的套筒内自由转动，横向稳定杆不起作用。当两侧悬架变形不等而车身相对于路面横向倾斜时，稳定杆一端向上运动，另一端向下运动，从而被扭转。弹性稳定杆所产生的扭转内力矩妨碍了悬架弹簧的变形，因而减小了车身的横向倾斜和横向角振动。第七节主动悬架与半主动悬架主动悬架定义：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。主动悬架分类：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。车辆主动悬架系统是在悬架中附加一个可控制作用力装置，通常由四部分组成：执行机构：执行控制系统指令。如：液压缸、气缸、电动机等。测量系统：测量系统各状态，为控制系统提供依据。如各种传感器。控制系统：处理数据，发出各种控制指令。如：电子计算机。能源系统：为以上各部分提供能源。全主动悬架（有源主动悬架）：可调节悬架刚度和阻尼。半主动悬架（无源主动悬架）：只能调节悬架阻尼。微处理机电动机半主动悬架阀杆全主动悬架悬架下支承摆臂传感器油箱油泵储压器油气弹簧主动悬架系统：被动悬架工作演示全主动悬架（有源主动悬架）：可调节悬架刚度和阻尼半主动悬架：只能调节悬架阻尼