汽车悬挂系统工作原理-车辆悬挂系统的组成及作用

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    疯狂机械控第500期 悬架系统是一种由弹簧、减震筒和连杆所构成的车用系统,用于连接车辆与车轮。悬架系统使车辆的操控与刹车适合良好的动态安全与驾驶乐趣,并保持车主的舒适性及隔绝适当的路面噪音、弹跳与震动。

    在古代埃及就已经出现过板式弹簧的踪迹。古代兵器专家使用弯曲的板式弹簧加强攻城武器,后来在投石器上所使用的板式弹簧更加精密,可以使用好几年。那时弹簧不是由金属制造的,而是使用坚硬的树枝当作弹簧,就像制弓一样的操作

    在19世纪早期,大部分的英国四轮马车都配有弹簧,木制弹簧用于轻型马车的避震,而较大的马车弹簧则用钢铁制造。这些铁制的弹簧由低碳钢制成,通常叠放多层成为板式弹簧。

    汽车悬挂系统工作原理-车辆悬挂系统的组成及作用
    (图片来源网络,侵删)

    汽车 在早期开发时,比作自身提供动力推进的马车。但是相对来讲,马车设计是用来低速行驶的,它的悬架并不适用于内燃机引擎所产生的高速行驶。

    1903年,德国的Mors 汽车 公司首次将车辆安装了减震筒。1920年,Leyland 汽车 公司在悬架系统中加入了扭杆装置。1922年,Lancia Lambda开创先例的使用了独立前轮悬架,在1932年以后上市销售车辆普及了此悬架系统。

    悬架刚性(或称弹簧刚性)是悬架伸缩时,用来设定车高或其定位的要素之一。车辆载重大通常会搭配更硬的悬架来抵销额外的重量负载,否则可能在途中(或弹跳时)压毁车辆。

    一般来说,经常装载大重量的车辆应配置较硬的弹簧,其弹簧刚性接近车重的上限值,这样车辆可以正常的载货并顺利行驶。驾驶空载的货用卡车可能会对乘客不太舒适,这是因为与车重相关的高弹簧刚性,坐起来减震太硬。

    弹簧刚性是一个比值,用来测量一个弹簧在偏斜时被压缩或伸展时的阻抗。按照虎克定律,弹力强度随着偏斜增加而增加。简单来讲,这个现象可以由下列公式所述: F=kx

    其中,F为弹簧的施力;k为弹簧的刚性;x为静力平衡时的位移量。

    下面说说五种常用的 汽车 悬架:麦弗逊悬架、双叉臂悬架、多连杆悬架、扭力梁悬架和整体桥悬架。

    麦弗逊式悬架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架是麦弗逊式悬架。

    对于很多前置发动机前轮驱动的车辆来说,车头部分的大部分空间都要用来布置横放的发动机以及变速箱,留给悬挂的空间并不大,因此麦弗逊悬挂体积小质量轻的优势就会表现的非常明显。

    双叉臂悬挂是由两根长短不等的A字臂和充当支柱的减震器所组成的。上下两根A字臂分别通过球铰与车轮上的转向节上下节臂相连,而串连的减震器和螺旋弹簧则充当了支柱和转向主销的角色,它的上端与副车架相连,下端则和下摆臂相连。上下A臂负责吸收转向时的横向力,而支柱减震器只负责支撑车身重量和控制车轮上下跳动。

    双叉臂悬挂可以说是最坚固的独立悬架。我们都知道,三角形是最稳固几何形状,双叉臂悬挂的上下两根A字臂拥有类似三角形的稳定结构,不仅拥有足够的抗扭强度,上下两根A臂对横向力都具有很好的导向作用,另外车轮的四个定位参数前后外倾角、前轮前束量、主销内倾角和主销后倾角都是精确可调,可以提升车辆操控性。如果使用在SUV 汽车 上时,也能够应付极限越野路况下带来的巨大冲击。

    多连杆独立悬挂,可分为多连杆前悬挂和多连杆后悬挂系统。其中前悬挂一般为3连杆或4连杆式独立悬挂;后悬挂则一般为4连杆或5连杆式后悬挂系统,其中5连杆式后悬挂应用较为广泛。其五根连杆分别为:主控制臂、前置定位臂、后置定位臂、上臂和下臂,它们分别对各个方向产生作用力。

    多连杆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。

    不过多连杆悬挂由于结构复杂、成本高、零件多、组装费时,并且要达到非独立悬架的耐用度,始终需要保持连杆不变形、不移位,在材料使用和结构优化上也会很考究。所以多连杆悬架是以追求优异的操控性和行驶舒适性为主要诉求的,而并非适合所有情况。

    扭力梁悬架是 汽车 后悬挂装置类型的一种,在扭力梁式非独立悬架上增加一个平衡杆来使车轮产生倾斜,保持车辆的平稳。其工作原理是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。

    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。  

    整体桥悬挂就是有整体的车桥结构连接两个车轮,车桥不能断开,同一车桥上的两个车轮没有相对运动。对于驱动桥来说,主要还是由差速器壳体、桥管、半轴、轴承等部分组成,而对于非驱动桥的整体桥来说,其结构更为简单,且现在多为货车用。

    出于向舒适性和公路性能的妥协,现在用整体桥悬挂的车型已经不多了,但是这并不能抹杀它的实用性和在越野爱好者心目中的地位,由于整体桥悬挂结构简单,便于维护和改装,因此那些强调承载和越野的车型还会继续沿用这种悬挂。

    悬挂是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力装置的总称。悬挂一般由弹性元件、减振器和导向机构组成,横向稳定杆也属于悬挂系统的范畴。

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    悬挂根据结构可分为非独立悬挂和独立悬挂两基本类型。

    非独立悬挂与整体式车桥配合使用,主要用在商用车(载货汽车)或越野汽车的后悬挂。这种悬挂的左右车轮不相互独立,当一侧车轮因道路不平,相对车架或车身位置变化的同时,另一侧车轮也有同样的变化。

    独立悬挂与断开式车桥配合使用,主要用在轿车上。这种悬挂的左右车轮相互独立,当一侧车轮因道路不平,相对车架或车身位置变化的同时,另一侧车轮不受影响。

    独立悬挂按照结构形式又可分成横臂式、纵臂式和炷式(麦弗逊式),等等很多。因为前、后悬挂的职能和受力状况还是有很大的差别的,所以有必要按照前后轴各自分开来解释。

    前悬挂系统:目前轿车的前悬挂主要有双横臂式和麦佛逊式(又称滑柱摆臂式)两大类。

    A、双横臂式悬挂是最早用于轿车的结构形式,一般用两个不等长的叉形摆臂上下布置,转向节分别用两个球头销与两个摆臂相连。螺旋弹簧套在筒式减振器外,多安排在下摆臂与车身之间。由于它结构复杂,质量大成本高,故应用较少。双横臂式悬挂由上短下长两根横臂连接车轮与车身,两根横臂都非真正的杆状,而是大体上类似英文字母Y或C,这样的设计既是为了增加强度,提高定位精度,也为减振器和弹簧的安装留出了空间和安装位置。同时,下横臂的长度较长,且与车轮中心大致处于同一水平线上,这样做的目的是为了在车轮跳动导致下横臂摆动时,不致产生太大的摆动角,也就保证了车轮的倾角不会产生太大变化。这种结构比较复杂,但经久耐用,同时减振器的负荷小,寿命长。

    B、麦佛逊式(即滑柱摆臂式)悬挂结构相对比较简单,只有下横臂和减振器-弹簧组两个机构连接车轮与车身,它的优点是结构简单,重量轻,占用空间小,上下行程长等。缺点是由于减振器和弹簧组充当了主销的角色,使它同时也承受了地面作用于车轮上的横向力,因此在上下运动时阻力较大,磨损也就增加了。且当急转弯时,由于车身侧倾,左右两车轮也随之向外侧倾斜,出现不足转向,弹簧越软这种倾向越大。

    后悬挂系统 :轿车后悬挂系统主要有多连杆式和摆臂式两种等。

    A、多连杆悬挂系统:过去的多连杆悬挂由于是在后车轴左右一体化(与中间的差速器刚性连接)的情况下使用的,会有平顺性差等缺点。现在的多连杆悬挂克服了过去多连杆悬挂的很多的不足,得到越来越多的应用(尤其是在中高级轿车上)。不管是成熟的“5连杆”也好,还是最新的“4连杆”也罢,都是为了更好地使车轮能适应各种不同的路况,让车轮的定位不会因路况和受力变化产生太大扰动,因为只有这样才能保证驾驶员的操控意志在车轮上得以充分的体现。另外5连杆悬挂构造简单、重量轻,可以减少悬挂系统占用的空间。个别的豪华轿车会应用全新的4连杆悬挂系统,会有更精确的转向控制。

    B、摆臂式后悬挂是仅车轴中间的差速器固定,左右半轴在差速器与车轮之间设万向节,并以其为中心摆动,车轮与车架之间用Y型下摆臂连接。“Y”的单独一端与车轮刚性连接,另外两个端点与车架连接并形成转动轴。根据这个转动轴是否与车轴平行,摆臂式悬挂又分为全拖动式摆臂和半拖动式摆臂,平行的是全拖动式,不平行的叫半拖动式

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