汽车悬架系统工作原理

汽车悬架系统工作原理作者：WilliamHarris（本文为博闻网版权所有,未经许可禁止以任何形式转载或使用。违者必究。）推荐到：本文包括：1.引言2.减振器3.专用悬架4.了解更多信息5.阅读所有引擎盖下类文章人们在考虑汽车的性能时，通常会关注马力、扭矩和“0到60”加速时间等参数。但是如果驾驶员无法操控汽车，那么活塞发动机产生的所有动力都将毫无用处。有鉴于此，汽车工程师在掌握了四冲程内燃发动机后，立即就把注意力转向了悬架系统。本田发动机有限公司供图本田雅阁2005Coupe双A形控制臂式悬架汽车悬架的工作是最大限度地增加轮胎与路面之间的摩擦力，提供能够良好操纵的转向稳定性，以及确保乘客的舒适度。在本文中，我们将探究汽车悬架的工作方式、发展演变过程以及未来设计的发展方向。如果路面非常平坦，没有坑坑洼洼，就不需要悬架。但道路往往并不平坦。即使是新铺的高速公路，其路面也会有些微凹凸不平而对汽车车轮造成影响。就是这样的路面将力作用在车轮上。根据牛顿运动定律，力都具有大小和方向。路上的颠簸会使车轮垂直于路面上下运动。当然，力的大小取决于车轮颠簸的程度，但无论如何，在通过不平路面时车轮都会产生一个垂直加速度。如果没有一个居间结构，所有车轮的垂直能量将直接传递给在相同方向上运动的车架。在这种情况下，车轮会完全丧失与路面的接触，然后在向下的重力作用下再次撞回路面。因此，您需要的是这样一个系统：它能够吸收垂直加速车轮的能量，使车轮顺着路面上下颠簸的同时车架和车身不受干扰。对行驶中汽车的力的研究称为车辆动力学。您需要了解下面一些概念，以便理解为何必须将悬架置于首要地位。大多数汽车工程师从两个方面来考虑行驶中汽车的动力特征：行驶性能——汽车平稳驶过崎岖不平的路面的性能操纵性能——汽车安全地加速、制动和转弯的性能这两个特征可通过三个重要原理进一步加以描述：路面隔离性能、抓地性能和转弯性能。下表描述了这些原理以及工程师们如何尝试解决它们各自的问题。原理定义目标解决方案路面隔离性能车辆吸收路面振动或将其与乘客席隔离的性能。使车身在驶过不平路面时不受干扰。吸收并消化路面颠簸产生的能量，从而使车辆不至于产生过度的震动。抓地性能在各种类型的方向变化以及直线行驶过程中汽车保持与路面接触的程度。例如，制动时汽车的重量将从后轮移至前轮。因为车头扎向路面，所以这种运动类型称为“俯冲”。相反，加速时汽车的重量会从前轮移至后轮，称为“蹲伏”。保持轮胎与地面接触，因为轮胎与路面之间的摩擦力会影响车辆转向、制动和加速性能。尽量减少车身重量的左右和前后转移，因为这会降低轮胎的抓地性能。转弯性能车辆沿弯路行驶的性能。尽量减少车身的翻滚趋势。当汽车转弯时，离心力会作用于汽车的重心并将其向外推，从而抬高车辆的一侧而降低另一侧，造成翻滚趋势。转弯时将汽车的重量从较高的一侧转移到较低一侧。汽车悬架及其各种部件提供了上面所述的全部解决方案。下面我们来看一个典型悬架的部件，从较大的底盘图片开始依次介绍悬架所固有的各个部件。底盘汽车悬架实际上是底盘的一部分，底盘包含了位于车身下方的所有重要系统。这些系统包括：车架——承载负荷的结构性部件，用于支撑汽车的发动机和车身，而它本身车架由悬架支撑悬架系统——用于支撑重量、吸收和消除振动以及帮助维持轮胎接触的装置转向系统——使驾驶员能够操控车辆方向的机械轮胎和车轮——利用抓地与路面的摩擦力使车辆能够运动起来的部件因此，悬架在任何车辆中都是主要系统之一。有了这样一个总体概念后，下面我们来看所有悬架都具备的三个基础部件：弹簧、减振器和防横摇稳定杆。弹簧现在的弹簧系统均以下面四种基本设计之一为基础：螺旋弹簧——最常见的弹簧类型。它其实是一个绕轴盘绕的重型扭杆，通过伸缩来缓冲车轮的运动。CarDomain供图螺旋弹簧HowStuffWorksShopper供图叶片弹簧叶片弹簧——由若干绑在一起充当一个单元的金属层（称为“叶片”）组成。它最初用在马车上，直到1985年才用在大多数美国汽车上。现在大多数卡车和重型车辆仍在使用它们。扭杆——利用钢棒的扭转特性来提供类似螺旋弹簧的性能。其工作原理是：钢棒的一端锚固在车架上，另一端与一个A形控制臂相连。A形控制臂的作用就像一个垂直于扭杆移动的杠杆。当车轮遇到颠簸路面时，其垂直运动传递至A形控制臂，然后通过杠杆作用传递至扭杆。然后，扭杆沿轴发生扭曲以提供弹力。在二十世纪的五六十年代，欧洲的汽车制造商普遍使用此系统，同样的还有美国的Packard和克莱斯勒公司。HowStuffWorksShopper供图扭杆空气弹簧——由车轮和车身之间的柱状充气室构成。它利用压缩空气减缓车轮震动。这一设计概念实际上已经出现了上百年，在两轮马车上就有它的踪迹。最初的空气弹簧由充气的皮囊制成，很像一个风箱。到二十世纪三十年代，它们被模压橡胶空气弹簧取代。HSWShopper供图空气弹簧根据弹簧在汽车上的位置（例如位于车轮与车架之间），工程师们发现使用簧载质量和非簧载质量的概念会便于讨论问题。弹簧：簧载质量和非簧载质量簧载质量是弹簧上支撑的车辆的质量，而非簧载质量则粗略定义为路面与悬架弹簧之间的质量。弹簧的硬度会影响汽车行驶时簧载质量的响应情况。弹簧较松的汽车（如林肯城市这样的豪华汽车）可以彻底消除颠簸并提供极平稳的行驶感觉，但同时在制动和加速过程中易产生俯冲和蹲伏现象，在转弯时易产生侧倾和翻滚趋势。弹簧较紧的汽车（如马自达Miata）在颠簸路面上的平稳性稍差，但车身移动非常小，这意味着即使是在转变处，也可以用较激烈的方式来驾驶。因此，虽然弹簧本身看似简单，但在汽车上设计和实现这些装置，并在乘客的舒适度与汽车的操纵性能之间取得平衡，将是一项复杂的任务。更甚的是，弹簧无法独自提供极其平稳的行驶感觉。原因何在？因为弹簧在吸收能量方面的性能极佳，但在耗散能力方面要稍差一些。为此，需要使用一种称为减振器的部件。悬架的历史十六世纪的四轮载人和载货马车为解决“路上感觉非常颠簸”的问题，将车厢用皮带吊在底盘的四根柱子上，就像翻过来的桌子一样。因为车厢是挂在底盘上的，所以人们渐渐将其称为“悬架”，并沿用至今，以描述整个一类的解决方案。车厢吊起式的悬架还不是一个真正的弹簧系统，但它确实使车厢与车轮的运动分离开来。半椭圆形的弹簧设计（也称为车载弹簧）迅速取代了皮带式的悬架。半椭圆形弹簧广泛用在四轮或两轮载人、载货马车上，并且通常在前、后轴上使用。不过，它们确实容易造成前后晃动，并且有较高的重心。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。减振器作者：WilliamHarris（本文为博闻网版权所有,未经许可禁止以任何形式转载或使用。违者必究。）推荐到：本文包括：1.引言2.减振器3.专用悬架4.了解更多信息5.阅读所有引擎盖下类文章如果不使用阻尼结构，汽车弹簧将以不可控制的速率弹开并释放它所吸收的颠簸能量，并继续按其自身频率弹起，直到耗尽最初施加在它上面的所有能量。构建在弹簧上的悬架自身会使汽车根据地形以弹跳方式行驶且不受控制。让我们来看看减振器。该设备也称为缓冲器，它通过一种称为阻尼的过程来控制不希望发生的弹簧运动。减振器通过将悬架运动的动能转换为可通过液压油耗散的热能，来放缓和减弱振动性运动的大小。要了解其工作原理，最好是看看减振器内部的结构和功能。减振器基本上是一个放置在车架与车轮之间的机油泵。减振器的上支座连接到车架（即簧载质量），下支座靠近车轮连接到轴（即非簧载质量）。在双筒设计中，减振器最常见的类型之一是上支座连接到活塞杆，活塞杆连接到活塞，而活塞位于充满液压油的筒中。内筒称为压力筒，外筒称为储油筒。储油筒存储多出的液压油。当车轮遇到颠簸路面并导致弹簧压紧和拉伸时，弹簧的能量通过上支座传递到减振器，并经由活塞杆向下传递到活塞。活塞上打有孔，当活塞在压力筒内上下运动时，液压油可通过这些小孔渗漏出来。因为这些孔非常微小，所以在很大的压力下也只能有很少的液压油通过。这样就减缓了活塞的运动速度，从而使弹簧的运动缓慢下来。减振器的工作包括两个循环——压缩循环和拉伸循环。压缩循环是指活塞向下运动时压缩其下面的液压油；拉伸循环指活塞向上运动到压力筒顶部时其上方的液压油。对于典型的汽车或轻型卡车，其拉伸循环的阻力要比其压缩循环的阻力大。此外还要注意，压缩循环控制的是车辆非簧载质量的运动，而拉伸循环控制的是相对更重的簧载质量的运动。所有现代的减振器都带有速度传感功能——悬架的运动速度越快，减振器提供的阻力越大。这使得减振器能够根据路况进行调整，并控制行驶的车辆中可能出现的所有不希望发生的运动，包括弹跳、侧倾、制动俯冲和加速蹲伏等。滑柱和防横摇稳定杆另一个常见阻尼结构是滑柱——即安装在螺旋弹簧内部的减振器。滑柱完成两项工作：一是提供与减振器类似的阻尼功能，二是为车辆悬架提供结构支撑。也就是说，滑柱的功能要略多于减振器（不支撑车辆重量）——但它们只控制重量在汽车中转移时的速度，而不控制重量本身。常见的滑柱设计因为减振器和滑柱与汽车操控性能的关系如此密切，我们可以将其视为非常重要的安全性能。已磨损的减振器和滑柱会使过多的车身重量向前后左右转移。这会降低轮胎的抓地性能以及操控和制动性能。防横摇稳定杆（也叫防侧倾杆）与减振器或滑柱配合使用，以便为行驶中的汽车提供附加稳定性。防横摇稳定杆是一个横跨整个车轴的金属杆，将悬架的两侧有效地连接在一起。HSWShopper供图防横摇稳定杆当一个车轮上的悬架上下移动时，防横摇稳定杆会将移动传递给其他车轮。这样可以使行驶更平稳，并减少了车辆的倾斜度。尤其是它能抵消转弯时悬架上的汽车的侧翻趋势。有鉴于此，今天几乎所有汽车都将防横摇稳定杆作为标准配备；即使不是如此，也可使用相应的工具随时、轻松地安装。悬架的类型到目前为止，我们的讨论都是集中在弹簧和减振器对任意给定车轮的作用上。但是，一辆汽车的四个车轮是在两个独立系统上协同工作的——两个车轮通过前轴连接，另外两个通过后轴连接。也就是说，汽车可以并且通常在前后轴上具有不同的悬架类型。更确切地说，车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。前一种称为非独立系统，后一种称为独立系统。非独立式前悬架具有一个连接两个前轮的刚性前轴。它看起来像是车前部下方由叶片弹簧和减振器固定就位的一个实心杆。非独立式前悬架在卡车上很常见，但多年以来一直没有用在主流汽车上。在独立式前悬架系统中，前轮可以独立移动。通用公司的厄尔·S·麦弗逊在1947年开发的麦弗逊式滑柱是使用最广泛的前悬架系统，特别是在欧洲原产汽车中。麦弗逊式滑柱将一个减振器和一个螺旋弹簧合并组成一个装置。它提供了一种结构更紧凑、重量更轻的悬架系统，可用在前轮驱动的车辆上。双A形控制臂式悬架也叫A形横臂悬架，是另一种常见的独立式前悬架。本田发动机有限公司供图本田雅阁2005Coupe双A形控制臂式悬架虽然有几种不同的配置，但这种设计通常使用两个A形控制臂来定位车轮。每个A形控制臂具有两个车架安装位置和一个车轮安装位置，并承负着减振器和螺旋弹簧以吸收震动。双A形控制臂式悬架能够更好地控制车轮的倾角。车轮倾角描述了车轮的外倾和内倾角度。它还有助于尽量减少翻滚或侧倾，并提供更一致的转向感觉。这些特点使得双A形控制臂式悬架在大型汽车的前轮上应用十分普遍。下面我们来了解一些常见的后悬架。HowStuffWorksShopper供图叶片弹簧如果用实心轴连接汽车的后轮，那么悬架通常很简单——以叶片弹簧或螺旋弹簧为基础。在第一种设计中，叶片弹簧直接夹在驱动轴上，末端直接与车架相连，减振器附着在将弹簧固定到轴上的夹具上。曾经有好几年，美国的汽车制造商都倾向于采用这种设计，因为它很简单。用螺旋弹簧替换叶片弹簧可获得相同的基本设计。在这种情况下，弹簧和减振器既可作为一个装置安装，也可作为单独的部件分别安装。分别安装时，弹簧可以更小，可以减少悬架占用的空间。如果前后悬架都是独立式的，那么所有车轮都将独立安装并连接弹簧，也就是汽车广告中所吹捧的“四轮独立悬架”。在汽车前轴上使用的任何悬架