车桥与悬架

第7章 车桥与悬架

车桥与悬架的功能完全不一样，但关系十分密切。因悬架结构类型的不同，传统上将车桥分为整体式（非断开式）和断开式两类，见图7.1。实际上汽车的悬架采用独立悬架的结构型式后，汽车左右轮之间已不存在车桥，它已和独立悬架的结构融合在一起。我国一般教科书上仍称之为断开式车桥，这是受旧苏联教材的影响。本章下面将要叙述的车桥，只是指整体式桥。至于所为的断开式车桥，本书下面不再专门提及。

图7.1

7.1 车桥（轴）

车桥又称车轴，它最基本的功能是承受汽车的负荷，维持汽车在道路上正常行驶。因此，车桥最简单的结构形式就是能装车轮的‘梁’。但按照结构要求，有时车桥还要具备一些附加的功能，如驱动、转向等。因此，车桥按附加功能不一，可有下列三种基本类型：驱动桥、转向桥和支持桥。将驱动桥变型加转向的功能，就成为转向驱动桥。转向桥和支持桥的车轮都不是驱动轮，这两者又称为从动桥。

本节重点介绍载重汽车上用得较普遍的驱动桥和转向桥结构，以作为熟悉车桥结构构思的基础。至于支持桥，主要为前置前驱动汽车的后桥所采用。传统的结构十分简单，而一些先进、新颖的支持桥又和悬架联系在一起难于分割（如纵臂扭转梁式复合悬架），本节也就不再涉及，请注意有关悬架的结构。

7.1.1驱动桥（壳）

驱动桥的结构外形，主要受主减速器及其传动布置和悬架结构类型的影响。图7.2是典型的后驱动桥壳结构。它的中部有大圆孔，用于安装主减速器，两旁为轴管让半轴通过。轴管的端部为安装车轮轮毂所用。桥壳的结构是服从于汽车总体结构布置要求，精心构思而成。结构上除了考虑到功能性的要求外，还注意到要使桥壳的弯曲变形要小、强度可靠、重量小且制造安装部件方便。由于桥壳结构形状复杂，旧时主要靠铸造成型法以获得理想的形状。它的缺点是，笨重、加工面多，需要相当规模的铸造设备。从现在看，它只适宜用于批量小的重型载重汽车。

对于轻型、中型载重汽车，现多用钢板冲压焊接整体式桥壳，如图7.3所示。图中的桥壳的主件上下两半是相同的冲压件，两件焊接时需用4块三角镶块补缺焊到桥壳中部前后两

侧处。焊接好的桥壳，再在其两端焊上半轴套管。

图7.3

对于批量大的轿车和轻、中型载重汽车，可用钢管扩成形法，如图7.4所示。从图中可

以看到，将钢管中间先行扩孔，再两端滚压变细，然后加焊凸缘及钢板弹簧座等而成。这种

制造工艺生产效率高、加工量小、材料利用率最高、桥壳质量小但桥壳的强度和刚度都很好。

驱动桥壳的更详细内容更参考文献［］。

图7.4

7.1.2转向桥

一般汽车的前轮都要转向，当汽车前部采用整体式从动车桥时，其前桥必为转向桥。图7.5，示出了前转向桥的结构组成和其特点。转向桥主要由前轴、转向节和主销等零件组成。图中前轴14承受荷重，为一工字梁。为了使前轴14和发动机间有足够大的空间，前轴14的中部向下凹，到接近轴的两端逐步往上升，断面形状也由工字形逐渐变成椭圆形再成拳头形。两拳形处钻有主销孔，孔内装有主销5，转向节8、17，通过主销5和前轴14相铰接。转向节上经一对轴承支承着车轮轮毂。为了转向，在左转向节处的上凸耳处，安装着转向节臂，通过转向拉杆可使左转向节绕主销转动。左右转向节的下凸耳处，通过横拉杆连系在一起，使右转向节和左转向节联动。转向节的销孔内压入青铜衬套，作为减少摩擦之用。为了转向轻便，在转向节的下凸耳与前轴拳形处之间装有推力轴承，在转向节上凸耳与前轴拳形处之间有调整垫片以调整间隙。带有螺纹的楔形锁销，将主销固定在前轴拳形处的孔内，使主销不能在前轴主销孔内转动。

图7.5

7.1.3车轮定位

车轮定位（尤其是汽车前轮）对汽车的操纵、行驶的稳定乃至汽车行驶的平顺都有影响，实际上它影响着行驶的安全，不正确的车轮定位还会严重影响轮胎的磨损。上述方面对车轮定位要求，往往是矛盾的。因此，合理确定车轮定位参数是各种因素之间折衷、妥协的结果。这些方面详细论述，将由‘汽车理论’和‘汽车设计’来完成。本书仅作初步的、一般性的叙述。

车轮定位参数共有4个：车轮外倾、车轮前束、主销内倾及主销后倾。下面分别叙述。 车轮外倾

车轮外倾如图7.6所示。此时车轮已不再在垂直平面，而是车轮向外倾斜。若车轮向内倾斜，则叫作负外倾。

图7.6

车轮的外倾源自于路面的拱形（为了排水的需要），为了使车轮能垂直路面，车轮必须外倾。现代道路排水设施完善，路面相当平坦，传统意义上的车轮外倾已无必要，但是业内普遍认为车轮适量外倾（一般为0.5～1.50）是有益的，前轮的正外倾，会给汽车提供小量的不足转向特性。汽车不足转向有利于汽车行驶的稳定。

外倾的车轮滚动时要产生外倾推力，汽车正常行驶时左右车轮的外倾推力相互平衡。汽车转向时，内轮与地面有更多的接触，外轮则相反，减小了接触，再加上负荷的转移，外轮的外倾推力大于内轮。综合起来，其结果相当于增加了前轴的侧偏角，如果后轮无外倾，相当于无侧偏角，这就造成了汽车的不足转向。在独立悬架的后轮中，为了提高车轮的侧偏性能，车轮的外倾角常为负值。促成车轮侧偏，造成不足转向的因素很多，不仅仅限于车轮外倾。此外，车轮的外倾也有助于减小主销的接地距，有利于转向操纵力的减轻。

总的说来， 一辆汽车车轮外倾的决定，综合了许多因素。尤其是独立悬架，还要考虑到车轮跳动过程中外倾角的变化规律。多数认为，车轮往上跳时外倾应变成负，回弹时应为正，这可克服车身侧倾时外轮（它相对于车身往上移）外倾角过分增大的不利影响。这样，当顾及车身及车轮的动态过程和悬架等结构因素，有的汽车车轮其静态的外倾角甚至采用负值也就不足为奇了。

车轮前束

车轮前束是指静止的汽车，汽车车轮前部向内缩拢，左右车轮的中心平面不再平行，如图7.7所示。对于前束的度量有两种方法：左右两车轮前后轮缘的差值V（V＝B－A），或前束角δ（车轮中心平面和汽车纵向平面在地面上夹线的夹角）。前束有正负之分，规定车轮前方缩拢为正，如车轮向后方缩拢为负。汽车前轮前束的形成靠调整转向横拉杆长度获得。

图7.7

对于车轮的前束，一般认为，在一定程度上由它来抵消因车轮外倾在滚动时造成的不利影响（轮胎磨损加剧）。因此，前束大小和车轮外倾有较大的相关性，显然过大的前束也不好。这里要指出的是，对于前轮驱动的汽车，由于车轮上受到的驱动力指向前方（与从动轮相反），它有使车轮绕主销转动增加前束的趋势，有些前轮驱动的汽车采用了负前束。

主销后倾

主销后倾是指，主销轴线在汽车纵向平面内向后倾斜，不再和地面垂直。主销后倾角是指主销轴线与地面垂线之间的夹角，如图7.8所示。主销后倾的结果，使得主销轴线在地面上的交点（在纵力平面内看）移向前方，造成了它和轮胎的接地中心产生了一段距离，它的名称叫做主销拖距。拖距也可在后方，此时主销为负后倾。有了这一拖距，车轮容易维持直线方向。当车轮受外界干扰发生偏转而引起车辆转向时，由于拖距的存在，在地面侧向力、纵向力作用下，形成回正力矩，使车轮重新回到直行位置。图7.8中仅示出了从动轮和驱动轮在纵向力作用采用不同拖距的办法，获得相同的回正效果。侧向力造成的回正效果，读者自己去证明。

图7.8

有时，轮胎的强力弹性自身会形成正的拖距，技术上称作为轮胎拖距。这样，从动轮上就会造成过大的回正力矩，这也不利于操纵。此时，结构上可减小主销后倾，甚至采用负后倾的做法。

主销内倾

主销若在车辆的横向平面内向里倾斜，称作主销内倾，如图7.9所示。主销内倾主要是为了减小主销轴线的接地距，所谓接地距是指主销轴线在车辆横向平面内，主销轴线和地面的交点到车轮中心平面接地点的距离。接地距有正负之分，接地距在车轮中心内侧为正，在外则属于负接地距。

图7.10

图7.9

车轮转向时，车轮要绕主销转动。若主销接地距大使力臂r（见图7.10）加大，则阻力矩也变大，使转向沉重。另外，大的力臂r当车轮在路面上遇到障碍、坑洼时，驾驶员感到的反冲力也较大。若没有接地距，见图7.11，车轮转向时轮胎的滚动受到阻碍，而变成为轮胎面的擦地滑动，使得汽车在低速转时又变得十分沉重。一般规定主销的接地距为标准轮胎宽度的10～25％。

图7.11 图7.12

减小接地距，结构上要使主销深入到车轮轮辋内，让主销轴线尽量接近车轮中心平面。这通常无法实现，而只能用主销内倾的办法解决。有内倾的主销，汽车转向时，必定要抬高汽车，也会使转向费力，见图7.12，故主销内倾角也不宜过大。

主销接地距对车辆制动时的稳定性影响较大，下面介绍国外文献对这一问题的分析。共三种情况：零接地距、正接地距和负接地距。相应见图7.13、7.14和7.15。以下分析车辆制

动时的情况。

车辆制动时，由于左右车轮处的路面附着情况不一，左右车轮的制动力可能不等。设左轮制动力大，右轮小，由于汽车惯性的存在，其向前的惯性力作用于汽车质心处。车辆在这些外力作用下，将因接地距的不同而显现不同的后果。

（1） 对于零地距的车辆，由于左轮制动力大于右轮，其合力偏向于左，它和惯性力形成力偶，有使汽车向左跑偏的趋向，见图7.13。

（2） 对于正接地距的车辆，除了上面的跑偏力矩外，左轮上的制动力对于主销还要产生一向左的跑偏力矩（右轮制动力小略去不计），这样更加重向左跑偏，见图7.14。（3） 对于负接地距的车辆，恰好和正接地距的情况相反，左轮有向右跑偏的趋势，综合了第1种情况后，跑偏的因素相互抵消，维持了汽车的直行，图7.15。　

原则上说，主销接地距最好是负值，但这势必要增加主销内倾角，过大的内倾角对转向操纵不利，因此许多车辆的前轮接地距仍为正值。但是要指出，制动系中双管路采用X形布置时（详见第10章），通常都是负接地距。

图7.13 图7.14

图7.15

7.2.4平衡悬架

载重汽车装载货物后，一般约有2/3左右的负荷由后轴来承担。为了不使后轴承受过大的载荷，减少后轮的接地压力，重型载重汽车的车轴要超过两根，通常为三轴的多轴汽车。多轴汽车行驶在不平坦的路面上时，也希望和两轴汽车一样各车轮和地面有良好的接触，如图7.2x所示。如果三轴汽车的中、后轴也像前车轴一样，各车轮都独自有悬架，如图7.2x 所示，则很可能发生车轮悬空现象。即使不悬空，各车轮所分配到的垂直载荷也会有很大的差别。将会造成有的车轮垂直负荷很小，有的很大。负荷小的车轮可能会引起车轮失去附着而降低了汽车的行驶性能（牵引性能、操纵稳定性能等），过大的负荷又有超载的危险。

为此，多轴汽车常用平衡悬架来解决这一问题。在两个车桥（如三轴汽车中的中后桥）中间处车架上铰接一平衡架，中后桥上的钢板弹簧的一端装在这平衡架上，如图7.2x所示。这样，当一个车轮抬高时，由于平衡架的转动，将会使另一个车轮降低。如果平衡架的两臂等长，就不会发生车轮悬空和两车轮垂直载荷不等的现象。

以上结构有一缺陷，在车轮驱动或制动时，中后桥上车轮的垂直负荷会重新分配变成不等。见图7.2x，（a）图中，驱动时由于反转矩的存在，两钢板弹簧前端产生向上的作用力，后端产生向下的力，这样平衡架就要引起逆时针方向的倾斜，结果使中桥负荷加重，后桥负荷减轻。制动时则相反，见图（b）。显然，这种结构并不理想。现在看到的，多用如图7.2x 所示的结构。

有一心轴与车架刚性相连，心轴的左右两端装有轴承毂架，其内有轴承，毂架可绕心轴转动。反装的纵置钢板弹簧安装在毂架上面，并用U形螺栓将板簧固定住。钢板弹簧的两端自由地支承在中、后桥桥壳的座架上。这样，钢板弹簧便相当于一个等臂平衡梁，当一轮抬起，钢板弹簧就可绕心轴转动保证另一轮仍能着地，且使中后桥车轮的垂直载荷平均分配。

由于钢板弹簧只传递垂直力和侧向力，所以悬架中要另加设传力杆件以传递纵向力（驱动力及制动力）及相应的反作用力矩。所以在每个桥的两端的座架处的下方，各装有一反作用杆件借助球销连同橡胶衬套与之相铰接，杆件另一端铰接在心轴上。另外，在两个桥的中部上方处还铰接有一杆件，它的另一端和车架铰接，主要用来平衡驱动反转矩。杆系合理的布置可保证车轮上下跳动时，车桥有较小的转动和在纵向的移动。

三轴重型载重汽车，当它在轻载或空载行驶时，其中、后桥上的轴荷将严重不足，这将使车轮对地面的附着性能变差，汽车行驶时的平顺性能也变坏，且增加了轮胎不必要的磨损和燃油消耗。为此，可采用国内称之为摆臂式平衡悬架。它适用于中桥驱动，而后桥不驱动的6×2式三轴汽车，其结构如图7.3x所示。中桥的悬架采用普通的纵置板钢弹簧，但其后端不与车架相连，而是经过吊耳和装在后轴上的纵向摆臂相连，摆臂的位置还可通过液压油缸来控制。当需要提升后轴时，液压油推动油缸中的活塞使曲杆转动，曲杆下端推动摆臂使之绕中部支点转动，后轴被提起。

如用空气悬架，采用气力操纵将更方便，结构如图7.3x所示。只要在举升气囊中充气，通过一简单杆系，很快就将车轴提起。