悬架和油气弹簧悬架

读书笔记之汽车悬架概述悬架定义：车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。

悬架功能：把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架或（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。

悬架组成：弹性元件、减振器和导向机构，辅设缓冲块和横向稳定器。

汽车悬架可以分两大类：非独立悬架和独立悬架1. 非独立悬架架结构简单，工作可靠，被广泛用于货车的前后悬架。

在轿车中，非独立悬架一般仅用于后悬架。

常见的非独立悬架有四种（按照弹性元件的不同分类），即纵置钢板弹簧非独立悬架、螺旋弹簧非独立悬架、空气弹簧非独立悬架和油气弹簧非独立悬架 1.1 纵置钢板弹簧非独立悬架。

由于钢板弹簧本身可以兼起导向机构的作用，并有一定的减振作用，使得悬架结构大为简化，几乎不需要额外的导向结构，对于要求较低的车辆甚至可以不安装减振器。

如图1所示。

1.2 螺旋弹簧非独立悬架螺旋弹簧非独立悬架一般只用作轿车的后悬架。

其纵横向推力杆是悬架的导向机构，用来承受和传递车轴和车身之间的纵向和横向作用力和力矩，加强杆式的作用是加强横向推力杆的安装强度，并可使车身受力均匀。

如图2所示。

a b 图1 纵置钢板弹簧非独立悬架 a)货车的后悬架 b)轿车的后悬架 图2 螺旋弹簧非独立悬架1.3 空气弹簧非独立悬架空气弹簧和螺旋弹簧一样只能传递垂直力，其纵向力和横向力及其力矩也是由纵向推力杆和横向推力杆来传递。

这种悬架也需要安装减振器。

1.4 油气弹簧非独立悬架油气弹簧是以气体（一般式惰性气体-氮）作为弹性介质，而油液作为传力介质。

它是油气体弹簧和和作为液力减振器液压缸组成，所以使用油气弹簧通常无需再安装减振器，但仍然需要导向机构来承受力和力矩。

如图4所示。

图3 空气弹簧非独立悬架 A b 图4 油气弹簧非独立悬架 a ）某矿用自卸车前轮油气悬架示意图 b ）某货车从动桥油气悬架如表1所示，综合对比了各种非独立悬架的结构特点和优缺点2. 独立悬架独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接，因而具有以下优点:1）在悬架弹性元件一定的弹性范围内，两侧车轮可以单独运动，而不互相影响，这样在不平道路上可以减少车架和车身的振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。

2）减少了汽车非簧载质量。

3）采用断开式车桥，发动机总成的位置可以降低和前移，使汽车质心下降，提高了行驶稳定性。

同时能给予车轮较大的跳动空间，因而可以将悬架的刚度设计得较小，使车身振动频率降低，改善行驶平顺性。

以上优点是独立悬架广泛的用于现在汽车上，特别是轿车，转向轮普遍采用了独立悬架。

但是独立悬架结构复杂，制造和维修成本高。

在独立悬架设计不合理的时，车轮跳动造成较大车轮外倾和轮距的变化，使轮胎磨损较快。

2.1车轮在汽车横向平面内摆动的悬架2.1.1单横臂式独立悬架单横臂独立悬架的特点是党悬架变形时，车轮平面将产生倾斜而改变两侧车轮与路面接触点间的距离—轮距致使轮胎相对于地面侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着，且轮胎磨损较严重。

此外这种悬架用于转向轮时，会使主销内倾和车轮外倾角发生较大的变化，对于转向操纵有一定的影响，故目前在前悬架中很少采用。

但是由于结构简单、紧凑、布置方便，在车速不高的重型越野汽车上也有采用。

图5所示极为单横臂式独立悬架，图6为采用单横臂式独立悬架的越野车。

2.1.2双横臂独立悬架双横臂独立悬架的长度可以相等，也可以不相等。

在两摆臂等长的悬架中，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距却发生了较大的变化，这将增加车轮侧向滑移的可能性。

在两摆臂不等长的悬架中，如果两摆臂长度适当，可以是车轮和主销的角度以及轮距的变化都不太大，如图7所示。

不太大的轮距变化在轮胎较软时可以由轮胎变形来适应，目前轿车的轮胎可以容许轮距在每个车轮上达到4~5mm 的而不致沿路面滑移。

因此，不等长双横臂式独立悬架在轿车前轮上应用广泛。

图5 单横臂独立悬架图6 单横臂独立悬架越野车a b图7 双横臂式独立悬架示意图a ）两摆臂等长的悬架b ）两摆臂不等长的悬架有时出于布置和空间的考虑，也有使用扭转的弹簧的双横臂悬架，如图9所示。

除了汽车的前轮，双臂也广泛的应用于汽车的后轮上，特别是高性能轿车和跑车上，图10所示。

图8 用于轿车前轮双横臂独立悬架图9 使用扭簧的双横臂式悬架 图10 用于轿车后轮的双横臂式悬架双横臂式悬架通过调整其上下摆臂的长度和安装点位置，可以获得各种轮胎定位参数及其变化趋势，通过配合轮胎参数使得汽车获得较好操纵稳定性，所以双横臂悬架几乎成为超级跑车和大多数赛车的首选悬架形式。

图11 前后车轮均使用双横臂式悬架的超级跑车图12 使用双横臂式悬架的房车赛车图 13使用双横臂式悬架的方程式赛车值得注意的是，在大多数超级跑车和几乎所有的方程式赛车上，减振器和螺旋弹簧的并没有直接安装在横臂或者立柱上，而是通过一个推拉杆和换向摇臂将悬架的跳动运动传递到减振器和弹簧，如图14所示，减振器和弹簧则更靠近车身轴线且通常隐藏于车壳内部。

使用这种结构的原因应该有如下几点：1）便于布置，较细的推拉杆更方便布置，以免和传动轴和转向拉杆发生干涉，对于方程式赛车来说其较长的横臂使得小行程的减振器不足以连接横臂和车架，必须通过推拉杆来传递力和运动。

2）减小空气阻力，这一点对方程式赛车特别重要，露在外面的推拉杆显然比粗壮的减振器和弹簧拥有更小的正投影面积，同时能够有效减小乱流。

3）减小非簧载质量，减振器和弹簧的重量有它们两端的支座承受，只有推拉杆的一部分质量贡献给非簧载质量，同时由于不需连接减振器和弹簧，横臂结构也相对简化，进一步减少了非簧载质量。

4）调整悬架参数，通过合理设计推拉杆和换向器结构，可以实现机构传动比的变化，从而实现悬架的线刚度的变化，即实现变刚度。

当然，在普通民用车上，基于成本和使用空间的考虑，并不采用这种结构。

另外，实现双横臂式悬架的结构，两根横摆臂并不是唯一的方式。

前面讲到的单横臂式悬架由于其会导致较大的主销和轮胎倾角的改变不利于稳定的形式，并没有得到广泛的应用。

但设计师巧妙的再原有单横臂的基础上增加了一个连杆，并是半轴与立柱连接处能够活动，是半轴或半轴套管充当了上横臂，构成了一种特殊的双横臂式悬架，有效克服了单横臂式悬架的缺点。

当半轴充当横臂时，由于半轴既要传递扭矩，又要充当横臂承受拉压力，对半轴的要求较高。

图14推拉杆和换向器图15 半轴充当横臂的双横臂悬架2.2车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架即纵臂式独立悬架，纵臂式独立悬架有单纵臂式和双纵臂式两种。

由于该悬架的摆臂绕车身的横向轴线摆动，除了螺旋弹簧，横置的扭簧也应用得非常广泛。

2.2.1单纵臂式独立悬架车轮采用单纵臂式独立悬架时，车轮上下跳动将使主销的后倾角产生很大的变化。

因此，单纵臂式独立悬架一般不用与转向轮。

图16为富康轿车后单纵摆臂式悬架。

有的单纵臂式悬架纵臂本身通橡胶衬套直接与车身连接，在承受侧向力时刚度不足，这时需要一个横向推力杆来进行一定的约束，其运动的干涉通过橡胶衬套的弹性来补偿，如图17所示另一种单纵臂式独立悬架，其弹性元件为螺旋弹簧，但是它与上述的单纵臂式独立悬架的结构又有不同。

它有一根整体的V 形断面（或其他形式的断面）横梁，在其两端焊接着管状纵臂，从而形成了一个整体构架——后轴体。

纵臂前端通过橡胶－金属支承与车身作铰接式连接。

纵臂后端与轮毂、减振器相连。

汽车行驶时，车轮连同后轴体相对车身以橡胶－金属支承为支点作上下摆动，相当于单纵臂式独立悬架。

当两侧悬架变形不等时，后轴体的V 形断面横梁发生扭转变形，由于该横梁有较大的弹性，可起横向稳定器的作用。

它不像普通带有整体轴的非独立图16 富康轿车后悬架图17 单纵臂式悬架悬架那样，一侧车轮的跳动会直接影响另一侧车轮。

因此，该悬架又称纵臂扭转梁式独立悬架，如图18所示。

值得一提的是，在一些中高级轿车上还采用了瓦特连杆来配合扭转梁式独立悬架，如图19所示。

瓦特连杆最初是由英国传奇发明家兼工程师詹姆斯-瓦特所发明的。

别克英朗，奔驰A 级，B 级车均采用这种结构用于扭力梁悬架上， 以此来减少后轮侧向力对车轮前束的影响。

使两侧车轮受力始终与路面保持最适宜的接触，达到最佳的附着力。

一方面提高了车辆的驾乘舒适性，也加强了车辆循迹性。

瓦特连杆机构由中央控制臂、横梁和瓦特连杆组成，控制中心固定在横梁上，当控制臂一端被从左边推动，它就向右边拉动，反之亦然。

横梁在中央控制臂与车体之间起到了固定连接的作用。

当汽车在转向的时候，侧向力会作用在车轮上。

瓦特连杆的作用就是平衡两边车轮上的这些侧向力，将这些力反转到另一边。

这样，两边车轮就能始终与路面保持最适宜的接触，而汽车在转向时也就能变得更加稳定。

图18 纵臂扭转梁式独立悬架2.2.2双纵臂式独立悬架双纵臂式独立悬架的两个纵臂长度一般做成相等，形成平行四连杆机构。

车轮上下跳动时，主销的后倾角保持不变，这种形式的悬架适用于转向轮。

图19 装有瓦特连杆机构的纵臂扭转梁式独立悬架图20 双纵臂式独立悬架2.3车轮沿主销移动的悬架 2.3.1 烛式悬架其优点是当悬架变形时，主销的定位角不会发生变化，仅轮距、轴距稍有改变；有利于汽车的转向操纵性和行驶稳定性。

缺点是侧向力全部由套筒和主销承受，二者间的摩擦阻力大，磨损严重。

因此，这种结构形式目前很少采用。

如图21所示2.3.2麦弗逊式悬架麦弗逊式悬架，图22，是目前前置前驱动轿车和某些轻型客车应用比较普遍的悬架结构形式。

筒式减振器为滑动立柱，横摆臂的内端通过铰链与车身相连，外端通过球铰链与转向节相连。

减振器的上端与车身相连，减振器的下端与转向节相连，车轮所受的侧向力大部分由横摆臂承受，其余部分由减振器活塞和活塞杆承受。

筒式减振器上铰链的中心与横摆臂外端球铰链中心的连线为主销轴线，此结构也为无主销结构。

图21 烛式悬架图22麦弗逊悬架尽管麦弗逊悬架在广泛用于前轮，但由于其结构简单，占用空间小，也有一些轿车将其用于后轮上，如图23所示。

2.4 单斜臂式独立悬架单斜臂式独立悬架的结构介于单横臂和单纵臂之间，多用于后轮驱动汽车的后悬架上。

如下图所示，单斜臂与汽车纵轴线行成一定的夹角θ（0°<θ<90°）的轴线摆动。

适当的选择夹角θ，可以调整轮距、车轮倾角、前束等变化最小，从而可获得良好的操纵稳定性。

有的单斜臂式独立悬架，为了控制前束的变化，在单斜臂上安装了一根辅助杆，称为控制前束杆。

图23 用于后轮的麦弗逊悬架图24 单斜臂式独立悬架图 25玛莎拉蒂轿车上的单斜臂式独立悬架2.4多连杆悬架所谓多连杆悬挂，顾名思义就是通过各种连杆配置把车轮与车身相连的一套悬挂机构。