汽车底盘设计系列讲座之

安徽工程大学：时培成2010年11月汽车底盘设计系列讲座之一（悬架）从底盘的角度阐述汽车悬架汽车底盘设计系列讲座之一（悬架）从底盘的角度阐述汽车悬架1名称由来（悬架或悬挂的历史）为解决“路上感觉非常颠簸”的问题。皮带弹簧当动力汽车面世时，人们陆续开发出其他更高效的弹簧系统，使乘客享有更平稳的行驶感觉。倒挂倒挂2悬架的组成悬架一般由弹性元件、减振装置和导向机构（横向稳定杆、摆臂、纵向推力杆等）三部分组成。1-弹性元件2-减振器3、4、5、7导向机构3悬架的作用悬架的作用：吸收和缓和行驶中因路面不平引起的车轮跳动而传给车架的冲击和振动。同时会把路面作用于车轮上的各种力及其产生的力矩传递到车架(或承载式车身)上。传递率：20%以内。悬架决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性,是现代汽车十分重要的部件之一。4悬架的分类根据汽车两侧车轮运动是否相互关联，汽车悬架分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架：汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式，但在载重汽车上被广泛应用。非独立悬架独立悬架：结构复杂，但车身的平稳性和高速行驶的稳定性较好，因此在轿车和小客车上得到普遍采用，并已成为一种发展趋势。独立悬架5非独立悬架按所采用的弹性元件不同，非独立悬架分为钢板弹簧式、螺旋弹簧式、空气弹簧式（高度自动调节）、油气弹簧式（具有变刚度特性）。5.1钢板弹簧非独立悬架这种悬架广泛用于货车的前、后悬架中。5.2螺旋弹簧非独立悬架螺旋弹簧非独立悬架一般只用做轿车的后悬架。1-螺旋弹簧瑞风商务车后悬架螺旋弹簧5.3空气弹簧非独立悬架1.压气机；2.7.空气滤清器；3.车身高度控制阀；4.控制杆；5.空气弹簧；6.储气罐；8.贮气筒；9.压力调节器；10.油水分离器空气弹簧车身高度控制阀目前高级大客车几乎全部使用空气悬架；空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升；部分轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯、德国的Benz300SE和Benz600等；在一些特种车辆（如对防震要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度可调节的集装箱运输车等）上，空气悬架几乎为唯一选择。5.4油气弹簧非独立悬架油气弹簧广泛应用于大型工矿用自卸车上。油气弹簧悬架具有变刚度特性，可保证汽车具有良好的行使平顺性，特别是工地和矿山用车，其道路条件非常恶劣。采用油气弹簧悬架后，可显著地缓和冲击，减少颠簸，改善驾驶员的劳动条件和提高平均车速。6独立悬架优点：1）两侧车轮可单独运动，互不影响；2）采用了断开式车桥；3）减少非簧载质量。以上优点使独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车前悬架普遍地采用了独立悬架。6.1横臂式独立悬架分为双横臂(a)和单横臂(b)式两种。ab双横臂式独立悬架单横臂式独立悬架6.1.1单横臂式：当悬架变形时，车轮平面产生倾斜而改变两侧车轮与路面的接触点距离——轮距，致使产生侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着。当用于转向轮时，会使主销内倾角和车轮外倾角发生较大变化，影响操稳性，现采用不多。6.1.2双横臂式：两摆臂长度可以相等，也可以不等。不等长的双横臂式独立悬架在轿车前轮上，应用较广泛。上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。不等臂双横臂上臂比下臂短。当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地向外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。上横臂下横臂双横臂的臂通常做成A字形或V字形，如图所示。V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。在独立悬架中，麦弗逊悬架被行家誉为结构最简单、设计最经典、应用最广泛、性价比最高、最经济的悬架。6.2麦弗逊式（滑柱摆臂式）悬架这种悬架构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。麦弗逊式悬挂是当今世界用的最广泛的轿车前悬挂之一。麦弗逊式悬挂由螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂组成，绝大部分车型还会加上横向稳定杆。主要结构简单的来说就是螺旋弹簧套在减震器上组成，减震器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动，并可以用减震器的行程长短及松紧，来设定悬挂的软硬及性能。6.3斜置单臂式独立悬架这种悬架(如下图所示）是单横臂和单纵臂独立悬架的折衷方案。其摆臂绕与汽车纵轴线具有一定交角的轴线摆动，选择合适的交角可以满足汽车操纵稳定性要求。这种悬架适于做后悬架，如福特SIERRA、宝马5、沃克斯豪尔CARLTON等轿车的后悬架。6.4多杆式独立悬架车轮在由多杆共同决定的斜向平面内摆动的悬架。采用多个连杆配置，组成多连杆式悬架。多杆悬架系统具有良好操纵稳定性，行驶平顺性、可减小轮胎摩损。上连杆第三连杆下连杆目前多连杆式也可说是最复杂也是最先进的悬架，可以预见，多连杆式悬架系统会渐成主流。6.5各种独立悬架对比小结目前采用较多的悬架是：双横臂式，麦弗逊式，斜置单臂式。现在最流行的悬架是：麦弗逊式，双横臂式和多连杆式。按照悬架的档次和乘坐舒适性来排名是：多连杆、双横臂、麦弗逊。在这三种悬架中，麦弗逊是结构最简单的，也是制造成本最低的。它主要用在大多数中小型车的前悬架，它以简单独霸天下，也正是因为他简单所以它重量轻，响应速度快。具有高性能的悬架是多连杆和双横臂式独立悬架。结构最复杂实现性能最好的是多连杆。但由于这两者在结构上使其质量较重，所以为了达到更快的响应速度常用铝合金打造，那么成本就可想而知了。与双横臂式悬挂系统相比，麦弗逊式悬挂系统的优点是：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方便。麦弗逊式悬挂系统多应用在中小型轿车的前悬挂系统上，虽然麦弗逊式悬挂系统并不是技术含量最高的悬挂系统结构，但它仍是一种经久耐用的独立悬挂系统，具有很强的道路适应能力。7其他各种类型的悬架7.1扭转梁式半独立后悬架可以把它看作是非独立悬架，只不过这里的车轴不是刚性的；也可以把它看作独立悬架，因为这个非刚性车轴实际上可以看作是一种特殊的防倾杆。它的“车轴”的安装位置可以有各种变化，其具体形式也有很多变体。目前不少普通小型轿车就采用前麦弗逊式独立悬架，后扭转梁式悬架的布置方式。后轴样件这种所谓的半独立悬挂的主要优点有，结构简单实用、占用空间最小、制造成本低。7.2独立空气悬架空气悬挂系统可以根据道路的起伏不同调高或调低底盘高度，使得车辆能够适应多种路况条件下的驾驶需求。空气悬挂系统多用于经常在恶劣的路况条件下行驶的越野车上，以保证车辆能够顺利地通过泥泞、涉水、砂石等路面。空气悬挂系统是一种很先进实用的配置，但是却很容易损坏而且造价很高。雷克萨斯LX570采用了高低可调空气悬挂由于系统结构较为复杂，其出现故障的几率和频率要远远高于螺旋弹簧悬挂系统，而用空气作为调整底盘高度的动力，减振器的密封性还需要进一步提高，倘若空气减振器出现漏气，那么整个系统就将处于瘫痪状态。而且如果频繁地调整底盘高度，还有可能造成气泵系统局部过热，会大大缩短气泵的使用寿命。8主动悬架图1被动悬架图2主动悬架图3半主动悬架Ms-簧载质量Mu-非簧载质量Ks-悬架弹簧刚度Kt-轮胎刚度C1-定值阻尼C2-可调阻尼A-作动器以上关注点在于普通道路上以正常条件行驶的主流的前轮和后轮驱动汽车的悬架。但是一些专业汽车的悬架又如何呢，例如大马力改装车、赛车或极限越野车？虽然这些专业汽车的悬架也采用相同的基本原理，但它们还提供了一些针对其独特驾驶条件的附加优点。下面我们简单介绍三种类型专业汽车的悬架设计——大众甲壳虫、一级方程式赛车和美式的由旧车改装的大马力车。采用多连杆后悬挂的车型很多，如长安福特福克斯、一汽大众速腾、广州本田雅阁、上海通用君越、一汽丰田锐志、奔驰E级轿车、华晨宝马的3系及5系轿车、一汽大众奥迪A4及A6L等等。9专用汽车悬架9.1大众甲壳虫大众甲壳虫注定会受到越野爱好者的追捧。通过降低重心以及将发动机放在后轴上，这只两轮驱动的“小甲虫”能够象某些四驱车一样从容应对各种野外环境。当然，大众的这只“甲壳虫”以其出厂装备是无法适应野外条件的。最重要的一项改装是针对悬架进行的。1936-1977年间的多数甲壳虫车在其前后轴上配备了扭杆悬架标准装置，升高后可为安装重型越野车轮和轮胎让出空间。用较长的减振器替换标准减振器，以抬高车身并获得最大的车轮通过高度。在某些情况下，甲壳虫车的改装者会将扭杆整个卸掉，并代之以多个螺旋弹簧系统。经过这些改装的车辆，每个车轮与地面的垂直通过高度可达50厘米或更高。这样一辆汽车可轻松越过崎岖地形，并且通常会像打水漂一样“跳过”波浪起伏的沙丘。9.2一级方程式赛车一级方程式赛车代表了汽车革新和发展进步的顶点。轻盈的复合车身、强大的V10发动机以及先进的空气动力学理论造就了更快、更安全和更可靠的汽车。为突出驾驶者技巧的重要性并使之成为决定比赛胜负的关键因素，一级方程式赛车的设计有着严格的规则和要求。例如，规则规定所有一级方程式赛车的悬架必须采用传统的弹簧式设计，但不允许使用计算机控制的主动式悬架。为此，赛车采用了一种多连杆式悬架，它所用的多连杆机制相当于双A形控制臂系统。我们知道，双A形控制臂设计使用两个A形控制臂来引导每个车轮的上下运动。每条臂有三个安装位置（两个在车架上，一个在车轮轮毂上），每个结点铰接在一起以引导车轮的运动。在所有汽车中，双A形控制臂式悬架的主要好处是容易控制。臂的几何构造以及结点的弹性使工程师们能够最大限度地控制车轮的角度和其他车辆动力特征，如提升、蹲伏和俯冲。与普通汽车不同，一级方程式赛车的减振器和螺旋弹簧没有直接安装在控制臂上。相反，它们沿着车身长度方向放置并通过一系列推杆和钟形曲柄进行远程控制。在这种排列下，推杆和钟形曲柄将车轮的上下运动转换为弹簧和减振器装置的前后运动。10未来的汽车悬架虽然针对弹簧和减振器已经有了许多改进，但在过去的若干年中，汽车悬架的基本设计仍未有重大突破。但所有这一切可能会随着Bose全新的悬架设计理念的引入而发生变化。有些专业人士甚至表示，Bose悬架是自全独立式设计面世以来汽车悬架领域的最大进步。BOSE供图Bose悬架前端模块Bose系统在每个车轮处使用一个线性电磁马达（LEM）取代了传统的减振器和弹簧装置。放大器以随着系统的每次压缩重新产生动力的方式向马达提供电力。这种马达的主要优点是它们不受传统液压式减振器固有的惯性限制。因此，LEM能够以更快的速度伸缩，从而几乎完全消除了车厢的震动。车轮的运动可以控制得如此之好，以至于不管车轮发生什么情况，车身都能保持平稳。LEM还可以抵消汽车加速、制动和转弯时的车身运动。安徽工程大学：时培成2010年11月