汽车知识:汽车悬架详解.doc
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1、汽车知识:一.什么是轿车的悬架舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关,而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以,汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时,汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件,又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此,汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表,作为衡量轿车质量的指标之一。汽车悬架包括弹性元件,减振器和传力装置等三部分,这三部分分别起缓冲,减振和力的传递作用。从轿车上来讲,弹性元件多指螺旋弹簧,它只承受垂直载荷,缓和及抑制不平路面对车体的冲击,具有占用空间小,质量小,结构简单,无需润滑的优点,但由于本身没有摩
2、擦而没有减振作用。减振器指液力减振器或压缩空气减振器,是为了加速衰减车身的振动,它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件,用来传递纵向力,侧向力及力矩,并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。汽车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种:非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端,当一边车轮跳动时,影响另一侧车轮也作相应的跳动,使整个车身振动或倾斜,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。独立悬架的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面,当一边车轮发生跳动时,另一边车
3、轮不受波及,汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂,承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架,并已成为一种发展趋势。独立悬架的结构可分有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种,其中烛式和麦克弗逊式形状相似,两者都是将螺旋弹簧与减振器组合在一起,但因结构不同又有重大区别。烛式采用车轮沿主销轴方向移动的悬架形式,形状似烛形而得名。特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化,有利于汽车的操纵性和稳定性。麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式,减振器可兼做转向主销,转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化,这点与烛式悬架正好相反。这种悬架构造简单,布置紧凑,
4、前轮定位变化小,具有良好的行驶稳定性。所以,目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架。关于麦弗逊悬架,车坛历史上还有这么一段记载。麦弗逊(Mcpherson)是美国伊利诺斯州人,1891年生。大学毕业后他曾在欧洲搞了多年的航空发动机,并于1924年加入了通用汽车公司的工程中心。30年代,通用的雪佛兰分部想设计一种真正的小型汽车,总设计师就是麦弗逊。他对设计小型轿车非常感兴趣,目标是将这种四座轿车的质量控制在0.9吨以内,轴距控制在2.74米以内,设计的关键是悬架。麦弗逊一改当时盛行的板簧与扭杆弹簧的前悬架方式,创造性地将减振器和螺旋弹簧组合在一起,装在前轴上。实践证明这种悬架形式的构造简单,占
5、用空间小,而且操纵性很好。后来,麦弗逊跳槽到福特,1950年福特在英国的子公司生产的两款车,是世界上首次使用麦弗逊悬架的商品车。麦弗逊悬架由于构造简单,性能优越的缘故,被行家誉为经典的设计。现代轿车的悬架都有减振器。当轿车在不平坦的道路上行驶,车身会发生振动,减振器能迅速衰减车身的振动,利用本身的油液流动的阻力来消耗振动的能量。当车架与车轴相对运动时,减振器内的油液会通过一些窄小的孔、缝等通道反复地从一个腔室流向另一个腔室,这时孔壁与油液间的摩擦和油液内的分子间的摩擦形成了对车身振动的阻力,这种阻力工程上称为阻尼力。阻尼力会将车身的振动能转化为热能,并被油液和壳体所吸收。人们为了更好地实现轿车
6、的行驶平稳性和安全性,将阻尼系数不固定在某一数值上,而是能随轿车运行的状态而变化,使悬架性能总是处在最优的状态附近。因此,有些轿车的减振器是可调式的,将阻尼分成两级或三级,根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。为了提高轿车的舒适性,现代轿车悬架的垂直刚度值设计得较低,用通俗话来讲就是很“软”,这样虽然乘坐舒适了,但轿车在转弯时,由于离心力的作用会产生较大的车身倾斜角,直接影响到操纵的稳定性。为了改善这一状态,许多轿车的前后悬架增添横向稳定杆,当车身倾斜时,两侧悬架变形不等,横向稳定杆就会起到类似杠杆作用,使左右两边的弹簧变形接近一致,以减少车身的倾斜和振动,提高轿车行驶的稳定性。从外表上看似简
7、单的悬架,包含着多种力的合作,决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性,是现代轿车十分关键的部件之一。二麦弗逊悬架详解我们在了解悬挂参数时,经常会看到一个叫麦弗逊的名词。在香港的一些刊物上,通常喜欢叫做麦花臣支柱。其实这些都是音译过来的中文名字,它是用该悬挂系统设计者的名字命名的。麦弗逊在汽车前悬挂上的应用之广是其他悬挂无法比拟的。大到宝马M3,保时捷911这类高性能车,小到菲亚特STILO,福特FOCUS,甚至国产的哈飞面包车前悬挂都是采用的麦弗逊式设计。到底是什么原因能让麦弗逊悬挂的应用如此广泛?这种如此常用的悬挂到底有哪些性能特点呢?我们先从它的设计结构了解起吧。如下图就是一套最典型的麦弗逊悬
8、挂的构造图:麦弗逊悬挂通常由两个基本部分组成:支柱式减震器和A字型托臂。之所以叫减震器支柱是因为它除了减震还有支撑整个车身的作用,他的结构很紧凑,把减震器和减震弹簧集成在一起,组成一个可以上下运动的滑柱;下托臂通常是A字型的设计,用于给车轮提供部分横向支撑力,以及承受全部的前后方向应力。整个车体的重量和汽车在运动时车轮承受的所有冲击就靠这两个部件承担。所以麦弗逊的一个最大的设计特点就是结构简单,结构简单能带来两个直接好处那就是:悬挂重量轻和占用空间小。我们知道,汽车悬挂属于运动部件,运动部件越轻,那么悬挂响应速度和回弹速度就会越快,所以悬挂的减震能力也就越强;而且悬挂质量减轻也意味着弹簧下质量
9、减轻,那么在车身重量一定的情况下,舒适性也越好。占用空间小带来的直接好处就是设计师能在发动机仓布置下更大的发动机,而且发动机的放置方式也能随心所欲。在中型车上能放下大型发动机,在小型车上也能放下中型发动机,让各种发动机的匹配更灵活。如下图是宝马M3和X3的前悬挂:大家都知道,宝马的6缸发动机是直列设计的,为了追求运动性,把其重心布置在前轴之后,因此发动机要占用大量的引擎仓空间,那么,选用一款结构简单,占用空间小的悬挂设计就显得由为重要。麦弗逊悬挂在向上行程时,也就是在发生转向侧倾时,车轮外倾角会自动加大,使轮胎能更好的跟路面结合,给整车提供更大的横向力,提高了转向操控极限。拥有出色的操控和响应
10、性再加上紧凑的结构,很显然就成了宝马设计师设计前悬挂时的首选方案。对于小型车和微型车来说,尽可能的在狭小的发动机仓腾出空间布置发动机就更加重要了,所以他们也不得不选择麦弗逊悬挂,况且,如果做出合理的匹配,麦弗逊无论是操控和舒适性都是相当出色的。说了这么多麦弗逊悬挂的优点,也该谈谈缺点了。也正是因为麦弗逊结构过于简单,造成悬挂的刚度有限。由于麦弗逊悬挂只能靠下托臂和减震器支柱来承受强大的车轮冲击力,所以较易发生几何变形。这种变形体现到驾驶感受上,就是驾驶者会明显的感觉到车身稳定性较差。无论是转弯侧倾,还是刹车点头现象,都非常明显。当然,设计师们也想了不少办法来解决稳定性问题。我们经常听说的横向稳
11、定杆,防倾杆,平衡杆等等都是用来提高麦福逊悬挂几何刚度和横向稳定性的部件。如下图:横向稳定杆是一根拥有一定刚度的扭杆弹簧,他与左右悬挂的下托臂或减震器滑柱相连。当左右悬挂都处于颠簸路面时,两边的悬挂同时上下运动,稳定杆不发生扭转;当车辆在转弯时,由于外侧悬挂承受的力量较大,车身发生一定侧倾。此时外侧悬挂收缩,内侧悬挂舒张,那么横向稳定杆就会发生扭转,产生一定的弹力,阻止车辆侧倾。从而提高了车辆行驶稳定性。而再增加支撑杆部件,则能达到同时提高悬挂纵向刚度的目的。但是,光靠增加稳定杆所提高的性能是有限的,使用各种稳定杆设计能从一定程度上提高稳定性和悬挂几何刚度。如果要从根本解决这些问题,就必须改变
12、整个悬挂的几何形状,那么多连杆和双摇臂悬挂就成了高性能悬挂的代表。麦弗逊悬挂除了在稳定性和刚度方面要逊色于多连杆以外,在耐用性上也不能与多连杆悬挂相提并论。由于麦弗逊悬挂的减震器支柱需要承受横向力,同时又要起到上下运动减低震动的目的,所以减震器支撑杆的摩擦很不均匀,减震器油封容易磨损造成液压油泄露降低减震效果。总评:优点:麦弗逊悬挂拥有良好的响应性和操控性,而且结构简单,占用空间小,成本低,适合布置大型发动机以及装配在小型车身上。缺点:稳定性差,抗侧倾和制动点头能力弱,增加稳定杆以后有所缓解但无法从根本上解决问题,耐用性不高,减震器容易漏油需要定期更换。三双叉式悬架详解双叉式悬架顾名思义就是由
13、两个叉臂将车轮与车身连接起来的悬架结构。与麦弗逊相比它多了一根上叉臂,因此结构要复杂一些。这种复杂结构的悬挂系统在性能上肯定是有优于麦弗逊之处的。因此我们有必要单独把它拿出来分析分析它的结构特点以及使用性能。如下图为双叉式悬挂结构图:正如上图所示,经典双叉式悬架由两个不等长的A字型控制臂组成。通常是上短下长。两控制臂之间装配有转向传动机构和转向托盘,转向主销由转向托盘与两A字控制臂的连接位置和角度确定。转向轮可绕转向主销做一定角度的转向,也可随摇臂上下运动。所以这种结构非常复杂,无论是设计还是制造还是组装,都有非常高的要求。从图上我们可以看出悬挂两叉臂与转向主销的连接部位,既要支持车轮做左右方
14、向的转向动作,又要支持悬挂上下浮动,那么传统的单向束缚显然是不可取的,这里必须使用球头连接才能满足4个方向运动的需要。如图:球头中有树脂座套作为运动支撑和润滑,同时也能起到一定的减震效果。但这种连接方式强度非常有限,而且树脂磨损以后会发出令人不快的噪音,需要定期更换。当然,这指的是经典型的双叉式悬挂,随着时代的发展和技术的进步,双叉式悬挂也进化出了各种版本,标致407的前悬挂就抛弃了传统的球头式连接设计,采用单导向的机械结构。如图:它比传统的双叉式悬挂多了一个运动部件。两个叉臂与一根支柱相连完成悬挂上下浮动的运动约束;一个转向机构与转向主销相连完成左右转向的运动约束。因此,它的减震和转向是由两
15、个独立的机构完成,而且都具有单导向性,那么连接强度大大提高,所以耐用性也随之提高。但其结构复杂程度也要比经典型的双叉式悬挂复杂得多,成本也要高一些。与麦福逊式悬挂一样,双叉式悬挂也可以增加稳定杆来提高行驶稳定性:(如图)了解这么多双叉式悬挂的结构特点我们再来看看他在性能上到底有哪些过人之处吧。我们知道,双叉式悬挂使用的是不等长的上下控制臂;而麦弗逊悬挂只使用了一个下控制臂,这就造成了他们在运动时,几何变形的区别:麦弗逊悬挂在收缩时外倾角变化大,而且这种变化是很难控制的,但轮距变化小;双叉式悬挂在收缩时外倾角变化相对小,而且外倾角变化的大小可以通过改变上下控制臂的相对长度来调节,因此在设计和匹配
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