电动汽车悬架、底盘系统

第二章悬架、底盘系统

1、悬架、底盘系统概况

早年生产的汽车是人们的代步工具，当时的电动汽车是将生产的能量转换成机械能。5０年代后,汽车设计主要是考虑人体工学和汽车外观完美的流线型。60年代，随着汽车保有量和汽车速度的增加,交通事故频发成了比较严重的社会问题。未来防止交通事故的发生,除指定新的交通法规加以限制外,还改造了制动装置和添加了许多安全装置。70年代后，能源危机和环境保护是汽车以机械控制系统或液压控制系统为主。到了80年代,随着电子技术的发展,汽车上的电子系统可以说无处不见，电子控制成为电动汽车上的主要控制。如今,已由传统电器发展到电脑、传感器为核心的电子技术阶段。现代电动汽车广泛采用电脑及先进的传感器等电子部件，使电动汽车性能大为改善,提高了经济性和操作方便性、工作可靠性、维修简便性与乘坐舒适性,排气污染也得到了较好的控制,尤其是在电动汽车的安全性、操作智能化方面更加突出。在电动汽车底盘方面,随着电脑控制的引入，电动汽车行驶状态中各种动作。都可以进行更加精密的控制。如电动汽车速度自动控制系统，在行驶条件许可时，将车速控制在一定的范围内，使电动汽车恒速行驶，驾驶员只需操作转向盘。总之,电子控制系统使电动汽车控制项目增多，精度提高,功能增强，特性稳定。

目前,电动汽车底盘电子控制技术已得到了迅速发展。制动防抱死系统（ＡBS）和空气气囊的使用，对汽车制动安全性和碰撞后的安全性起到了很大改善作用。因此，ＡＢS和空气气囊不仅在一些轿车上使用,许多货车上也都使用，ABＳ和空气气囊逐渐成为现代电动汽车上的标准配备。近些年来,汽车防滑转电子控制系统(AＳR）也在一些电动汽车上得到应用。ASR的应用,提高了汽车的起步、加速、通过滑溜路面的能力和汽车在这些情况下的操作稳定性。电子控制自动变速器比较早的纯液力控制的自动变速器又前进了一大步，其控制精度和控制范围是纯液力控制自动变速器无法实现的。电子控制自动变速器通过适时、准确地自动换挡控制,提高了汽车操纵行、舒适性和安全性,也使汽车燃油消耗有可能比使用普通变速器的汽车更低。电子控制悬架可根据不同的路面、车速等情况自动控制悬架的刚度和阻尼以及车身的高度,使得汽车的乘坐舒适性和操作稳定性进一步提高。此外，动力转向电子控制系统、汽车行驶速度控制系统等电子控制装置的使用都使汽车的操作性、安全性和舒适性等得到了进一步的提高。

现代汽车正从传统机械结构向高科技电子化、智能化方面发展。电子器件在汽车中所占的比例大幅度提高，这使汽车在舒适性、安全性、驾驶操纵行等方面大为改善。随着能源、排放、安全等法规不断强化和完善，以及人们对舒适、豪华、便利的不断追求，对汽车性能提出了越来越高的、几乎是苛刻的要求,而电子技术的发展使汽车性能进一步提高和改善成为了现实。

汽车发展到今天,机械系统的发展空间已经非常有限，只有引进电子技术，汽车的性能及安全、舒适、环保等指标才能进一步提高。随着电子信息技术的发展，几乎所有先进的电子信息技术及设备均可应用在汽车上。

业内专家预言,在2１世纪，汽车的概念将发生质的变化——现在汽车是带有一些电子控制的机械装置,而将来的汽车将转变为带有一些辅助机械的电子装置，汽车的主要部分将向消费类电子产品转移。

汽车底盘控制电子系统在汽车上的应用将越来越普遍，这对汽车的使用与维修提出了更高的要求。因此，检修这些装备了电子装置的汽车,除需要具备相应的机械知识外,还需要具备电子技术和电子设备知识及故障检修基本技能。

2、悬架的基本功能

汽车的悬架装置是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称,主要由弹簧(如板簧、螺旋弹簧、扭杆等)、减振器和导向机构三部分组成。当汽车行驶在不同路面上而使车轮受到随机激励时，由于悬架装置实现了车体和车轮之间的弹性支承,有效地抑制、降低了车体与车轮的动载和振动,从而保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，达到提高平均行驶速度的目的。图表示了由螺旋弹簧和液压筒式减振器所组成的普通悬架,这种悬架当结构确定后,其弹簧刚度Ｋ和减振器的阻尼系数C在汽车行驶过程中都不能人为地加以控制改变，即具有固定的悬架刚度和阻尼系数，因而也称之为被动悬架。这种悬架所产生的弹性力和”阻尼力由道路和车速等条件决定,虽然不能适应广泛的道路状况,但因其加工容易、成本低,目前仍然是汽车上的主导装备产品。

汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标,但这两个方面是相互排斥的性能要求。平顺性一般通过车体或车身某个部位(如车底板、司机座椅处等）的加速度响应来评价，操纵稳定性则可以借助车轮的动载来度量。图5.1．２表示出的弹簧刚度和减振器阻尼不同时车体加速度与轮胎负荷变化之间的关系。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减小使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加,由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面,增加弹簧刚度会提高操纵稳定性,但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感。，使平顺性降低。因此,理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼,既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。被动悬架因具有固定的悬架刚度和阻尼系数,在结构设计上只能在满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷,无法达到悬架控制的理想目标。如图所示，赛车由于行驶速度高，道路条件复杂多变,需要确保良好的操纵稳定性，为此以牺牲一定的平顺性为代价；豪华轿车一般行驶环境良好,为确保良好的平顺性，则以牺牲一定的操纵稳定性为代价。为了使被动悬架能够对不同的道路条件具有一定的适应性,通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性,如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器等。

图所示为一种汽车被动悬架中常用的双筒液压减振器,以液压油液为工作介质，由于液体流过节流阀时产生与车体和车轮振动速度相反方向的节流阻力，从而起到衰减车体和车轮振动的效果。减振器工作时,将工作缸和活塞相对远离(相应于车轮弹向地面)的过程叫作复原行程，而把工作缸和活塞相对移近（相应于车轮弹向车体)的过程叫作压缩行程。汽车行驶时,减振器处于“压缩一复原”两个行程的连续交变过程中，工作液体流经工作缸中的活塞阀和工作缸与储油腔之间的底阀系,两个阀系之间的相互协调配合便构成了产生始终与振动方向相反的减振阻力。

减振器所产生的阻尼力随着其工作速度(定义为活塞与工作缸筒的相对速度）变化的关系称为减振器的速度特性。如图5.1.4所示。速度特性是评价减振器性能好坏和进行悬架匹配设计的基础。图中的Ｆe和Ve代表复原阻力和复原速度,Fc和Vc代表压缩阻力和压缩速度。当速度相同时,通常Fc=（０.２5～０．50)Fｅ。图示的速度特性曲线可分为三个阶段,即常通孔节流阶段，此时阻尼系数为Ｃe和Cc,且有Ｆe＝Cｅ·v，Fc=Cc·v；以后是以弹性元件控制阀门进行节流的阶段,也有一个近似线性的阻尼系数(可以用Ce'和Ｃc'来表示),第三是弹性元件达到最大的变形量,控制阀达到最大开度的阶段，此时以较大的常通孔节流为基础,形成更高的工作阻力,并且有近似线性的阻尼系数(可以用Ce''和Cc'＇来表示)。这样，可把整个非线性速度特性看成是分段线性的。由于在不同的阶段减振器所提供的阻尼力不同，这三种速度阶段的阻尼力变化关系也称为被动悬架的“三级阻力控制”。阻力随速度变化关系的好坏直接影响着汽车的平顺性和操纵稳定性。低工作速度阶段对应于低车速或较好路面,此时以平顺性为主要矛盾,所提供的阻尼力较低,高工作速度阶段对应于高车速或较坏路面，此时以操纵稳定性为主要矛盾，所提供的阻尼力较高。

电子控制汽车悬架的基本目的是通过控制调节悬架的刚度和减振器阻尼，突破被动悬架的局限区域；使汽车的悬架特性与行驶的道路状况相适应,保证平顺性和操纵稳定性两个相互排斥的性能要求都能得到满足。目前，采用电子控制的悬架主要有主动和半主动悬架两种，电子控制的半主动悬架已经达到了商品化的程度，而主动悬架目前还处在以理论研究和样机研制为主的阶段。

3、主动悬架

由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷,所以，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的,基础上牺牲次要性能，无法适应广泛的性能需求和道路条件。尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标,但始终无法彻底解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。为此，自６0年代起产生了主动悬架的概念,并且随着现代控制理论和电子技术的发展及其在汽车上的广泛应用，为从根本上

解决平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求展示出了新的途径。?主动悬架的组成如图所示,采用电液执行机构取代了被动悬架的弹簧和减振器。主动悬架既无固定的刚度又无固定的阻尼系数，可以随着道路条件的变化和行驶需要的不同要求而自动地改变弹簧刚度和减振器阻尼系数。能够实现对每个车轮进行单独控制，是悬架控制的最终目标。主动悬架一般包括决策和执行两大部分,决策部分由EＣＵ和传感器等组成闭环控制系统,通过监测道路条件、汽车的运行状态和驾驶员的需求,按照所设定的控制规律向执行机构适时地发出控制命令;执行部分包含装在每个车轮上的电液执

４、悬架的结构介绍

简单说来，汽车悬挂包括弹性元件、减振器和导向装置三部分,分别起缓冲、减振和受力传递的作用。

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、无需润滑的优点,但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器又指液力减振器,其功能是为加速衰减车身的振动，它也是悬挂系统中最精密和复杂的机械件。导向装置则是指车架的上下摆臂等叉形钢架、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有确定的相对运动规律.

5、悬架分类

(l)非独立式悬挂：将非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，这样当一边车轮运转跳动时，就会影响另一侧车轮也作出相应的跳动,使整个车身振动或倾斜。采取这种悬挂系统的汽车一般平稳性和舒适性较差,但由于其构造较简单,承载力大，该悬挂多用于载重汽车、普通客车和一些其他特种车辆上。

(2)独立式悬挂：独立悬挂的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架下面,这样当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，车身的震动大为减少，汽车舒适性也得以很大的提升,尤其在高速路面行驶时，它还可提高汽车的行驶稳定性。不过,这种悬挂构造较复杂，承载力小，还会连带使汽车的驱动系统、转向系统变得复杂起来。目前大多数轿车的前后悬挂都采用了独立悬挂的形式，并已成为一种发展趋势。

独立悬挂的结构分有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种,其中烛式和麦弗逊式形状相似，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挂形式，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，有利于汽车的操控和稳定性。麦弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬挂形式,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，与烛式悬架正好相反。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。所以,目前轿车使用最多的独立悬挂是麦弗逊式悬挂。

弹性元件优劣各异

(1)钢板弹簧：由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。安装好后两端自然向上弯曲。钢板弹簧除具有缓冲作用外,还有一定的减振作用,纵向布置时还具有导向传力的作用。非独立悬挂大多采用钢板弹簧做弹性元件，可省去导向装置和减振器，结构简单。

(2)螺旋弹簧:只具备缓冲作用，多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减振和传力的功能，还必须设有专门的减振器和导向装置。

(3)油气弹簧:以气体作为弹性介质,液体作为传力介质,它不但具有良好的缓冲能力,还具有减振作用,同时还可调节车架的高度,适用于重型车辆和大客车使用。

(4)扭杆弹簧:将用弹簧杆做成的扭杆一端固定于车架,另一端通过摆臂与车轮相连,利用车轮跳动时扭杆的扭转变形起到缓冲作用，适合于独立悬挂使用。

筒式减振器更受欢迎

减振器上端与车身或者车架相连，下端与车桥相连。当轿车在不平坦路上行驶,车身会发生振动,减振器能迅速衰减车身振动,利用本身油液流动的阻力来消耗振动的能量。现代轿车大多都是采用筒式减振器,当车架与车轴相对运动时，减振器内的油液与孔壁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,被油液和壳体所吸收。人们为了更好地实现轿车的行驶平稳性和安全性,将阻尼系数不固定在某一数值上,而是随轿车运行的状态而变化,使悬挂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可根据传感器信号自动选择.

传力装置必须另设独立悬挂上的弹性元件，大多只能传递垂直载荷而不能传递纵向力和横向力,必须另设导向传力装置,如上、下摆臂和纵向、横向稳定器等。

目前这些悬挂在中高级及以下车型上普遍运用，特别是麦弗逊式悬挂作为一种经典的悬架系统在小车上基本成为了标配的前悬，而后悬挂系统目前小车上多是运用扭力梁式悬挂系统。而在高级点的就是双叉臂式独立悬挂。而名声和质量最高的要算多连杆式独立悬挂了。

5.1、麦弗逊式悬挂

麦弗逊(Macｐｈｅrｓan）式悬挂是独立悬挂的一种，是当今最为流行的独立悬挂之一,一般用于轿车的前轮。简单地说，麦弗逊式悬挂的主要结构即是由螺旋弹簧加上减震器组成,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。

虽然麦弗逊式悬挂在行车舒适性上的表现令人满意,其结构体积不大，可有效扩大车内乘坐空间,但也由于其构造为直筒式,对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差。

麦弗逊式悬挂是因应前置发动机前轮驱动（FＦ)车型的出现而诞生的。FF车型不仅要求发动机要横向放置，而且还要增加变速箱、差速器、驱动机构、转向机，以往的前悬挂空间不得不加以压缩并大幅删掉,因此工程师才设计出节省空间、成本低的麦弗逊式悬挂，以符合汽车需求。现在一般轿车的前后悬挂基本都是麦弗逊式或其变型。

麦弗逊(Mcpherｓoｎ）是个人名。他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年加入通用汽车公司的工程中心。30年代,通用的雪佛兰公司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，设计的关键是悬挂。麦弗逊一改当时盛行的板簧与扭杆弹簧的前悬挂方式,创造性地将减振器和螺旋弹簧组合在一起,装在前轴上。实践证明这种悬挂形式构造简单,占用空间小，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挂的商品车。麦弗逊悬挂由于构造简单，性能优越的缘故,被行家誉为经典的设计。

5.2、拖曳臂式悬挂

拖曳臂式悬挂本身具有非独立悬挂的存在的缺点但同时也兼有独立悬挂的优点,拖曳臂式悬挂的最大优点是左右两轮的空间较大，而且车身的外倾角没有变化，避震器不发生弯曲

应力,所以摩擦小。这种悬挂的舒适性和操控性均有限，当其刹车时除了车头较重会往下沉外，拖曳臂悬挂的后轮也会往下沉平衡车身,无法提供精准的几何控制。

不同厂家对这种悬挂的称谓不同：如：纵臂扭转梁独立悬挂，纵臂扭转梁非独立悬挂,H 型纵向摆臂悬挂等等。归根结底他们都是同一种悬挂结构——拖曳臂式悬挂,只是调教稍有不同。

在拖曳臂式悬挂的设计过程中，横梁在纵臂上的安装位置不同其表现出来的性能会非常的大,若横梁安装越靠近纵臂与车身的连接点，车子的舒适性就会越好但转弯时的侧倾也会大些。若横梁的安装在越靠近纵臂接近车轮中心，舒适性能会大打折扣,表现出来的特性则是以通过性和承载性为主。也更接近整体桥的设计。国内采用拖曳臂式后悬挂的主要有：东风标致206、广州本田飞度、一汽丰田卡罗拉、上海大众桑塔纳等。

拖曳臂式悬挂系统是专为后轮设计的悬挂系统，像标致车系、雪铁龙车系、欧宝车系等欧洲轿车比较喜欢采用这种悬挂系统。对于拖曳臂式悬吊的复杂结构由于专业性过强，我们在此不作介绍。您只需要了解拖曳臂式悬挂系统的最大优点是左右两轮的空间较大，而且车身的外倾角没有变化,避震器不发生弯曲应力,所以摩擦小，乘坐性佳,当其刹车时除了车头较重会往下沉外，拖曳臂悬吊的后轮也会往下沉平衡车身；而其缺点是无法提供精准的几何控制。所以某些车厂就会结合一些连杆来解决，形成复杂的多连杆悬挂。

5.3、多连杆悬挂

多连杆悬挂系统，又分为5连杆后悬挂和4连杆前悬挂系统。顾名思义，5连杆后悬挂系统包含5条连杆，分别为控制臂、后置定位臂、上臂、下臂和前置定位臂,其中控制臂可以调整后轮前束。5连杆悬挂的优点是构造简单、重量轻，减少悬挂系统占用的空间。5连杆后悬挂能实现主销后倾角的最佳位置,大幅度减少来自路面的前后方向力,从而改善加速和制动时的平顺性和舒适性，同时也保证了直线行驶的稳定性，因为由螺旋弹簧拉伸或压缩导致的车轮横向偏移量很小,不易造成非直线行驶。在车辆转弯或制动时，5连杆后悬挂结构可使后轮形成正前束,提高了车辆的控制性能，减少转向不足的情况。同时紧凑的结构增加了后排座椅和行李厢空间。

由于这种悬挂优点显著，易于调整,因而受到广泛的欢迎。而全新的4连杆前悬挂系统多用于豪华轿车，它通过运动学原理巧妙地将牵引力、制动力和转向力分离,同时赋予车辆精确的转向控制。4连杆式悬挂系统在奥迪A4、Ａ6以及中华轿车上都可以看到。所以车主们在选购轻巧型轿车的时候,悬挂的最佳搭配应该是前轮麦佛逊式或者烛式悬挂系统,后轮拖曳臂式悬挂系统，如果是非独立悬挂的最好不要采用。在选购高档车辆的时候不用说当然是选择多连杆的悬挂系统了。

5.4、主动悬挂系统

主动悬挂系统是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬挂系统。它汇集了力学和电子学的技术知识,是一种比较复杂的高技术装置。例如装置了主动悬挂系统的法国雪铁龙桑蒂雅,该车悬挂系统系统的中枢是一个微电脑，悬挂系统上的5种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬挂系统状态。同时,微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬挂系统运动。因此,桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮,轿车就会自动设置在最佳的悬挂系统状态,以求最好的舒适性能。

主动悬挂系统具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时,主动悬挂系统会产生一个与惯力相对抗的力,减少车身位置的变化。例如德国奔驰2000款Cl型跑车，当车辆拐弯时悬挂系统传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度。电脑根据传感器的信息,与预先设定的临界值进行比较计算,立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬挂系统上，使车身的倾斜减到最小。

主动悬挂系统能根据需要改变汽车的悬挂状态,从而使原本运动与舒适无法兼顾的情况得到彻底改善。

5.5、空气悬架