汽车有前悬架和后悬架,它们的结构形式很多,但基本结构是相似的。悬架系统主要由弹性元件、减振器、导向机构(或传力机构)组成,大多数小客车的悬架系统设计有横向稳定杆,以防止车身发生过大侧倾。 3.3.1弹性元件汽车悬架系统的弹性元件使车身与车轮之间实现弹性连接,并支撑汽车的绝大部分质量,保持正确的车身高度,缓和汽车行驶中来自路面的冲击。由弹性元件支撑的质量称为簧载质量,如车身,动力装置等。汽车上有一部分质量不是由弹性元件支撑的,如车轮、制动器、转向节等,它们属于非簧载质量。悬架系统的簧载质量应尽可能小,否则会反制簧载质量,减慢轮胎对路面的反应能力,最终导致车辆操纵性变差、牵引力损失、零部件过早损耗等故障。 悬架系统的弹性元件主要有螺旋弹簧、钢板弹簧、扭杆弹簧和空气弹簧等几种结构形式,如图3-1所示。
1.螺旋弹簧螺旋弹簧用弹簧钢棒卷制而成,通常用于各种独立悬架或半独立悬架,其特点是只能承受垂直载荷,没有导向功能。使用螺旋弹簧的悬架系统必须有减振器和导向机构,减振器吸收振动能量,导向机构承受非垂直方向的力和力矩。螺旋弹簧通常安装在上、下控制臂之间(图3-2),并允许控制臂和车轮上下运动。
螺旋弹簧的刚度影响汽车的操控性和乘坐舒适性。有些车辆使用固定刚度螺旋弹簧,这种弹簧具有相同尺寸的螺圈直径和相同的空间占位。有些车辆使用可变刚度螺旋弹簧,这种弹簧既能够承受重载,又能够提高轻载时的乘坐舒适度。受到使用时间和老化的影响,螺旋弹簧最终都会垂弛。垂弛的弹簧会影响车辆的乘坐高度、车轮定位参数、转向性能、制动性能,并造成轮胎磨损、悬架零部件异常磨损。螺旋弹簧采用更换的方式进行维修,更换螺旋弹簧时需要核对打印在弹簧上的标记或零件号和弹簧端部的类型(图3-3),并使用专用工具卸载弹簧的应力。
2.钢板弹簧钢板弹簧将车桥连接到车架上,通常应用在轻型货车、运动型多功能汽车(SUV)上,它具有很好的负载承受能力,且强度高,能够控制车身的摇摆和阻止侧向运动。
汽车使用的钢板弹簧有单片钢板弹簧和多片钢板弹簧。单片钢板弹簧是一片厚的弓形的弹簧钢板或复合材料制成的弹簧片,其两端弯成卷耳,如图3-4所示。多片钢板弹簧由若干片等宽但不等长的弹簧钢板组合而成,相当于一根近似等强度的弹性梁,如图3-4b所示。多片钢板弹簧可以起到缓冲、减振、导向和传力的作用。
当重量加在车辆上时,钢板弹簧被压缩、展平,如图3-5所示,压缩的钢板弹簧试图返回原来的位置,从而支撑车辆。同时,各弹簧片之间会发生相对滑动而摩擦,这可以衰减车架振动。但各弹簧片间的干摩擦既降低了悬架缓和冲击的能力,又使弹簧片加速磨损,这是不利的。为减少弹簧片的磨损,在组装钢板弹簧时,应在各弹簧片间涂上适当的润滑剂(如石墨润滑脂),并应定期进行准护。
有些钢板弹簧提供两级阻尼,较轻型的第级弹簧采用普通钢板弹簧,较硬的第二级弹簧使用一片变截面钢板弹簧片,如图3-6所示。轻载时只有第一级钢板弹簧承载,提高乘坐舒适性;重载时,两级钢板弹簧共同承载,提高承载能力。
3.扭杆弹簧扭杆弹簧由弹簧钢制成,呈杆状,如图3-7所示,其中部断面通常为圆形,两端可以做成花键、方形、六角形或带切面的圆柱形等。扭杆弹簧一端固定在车架上,另一端固定在悬架的控制臂上,控制臂与车轮相连。
当车轮跳动时,控制臂便绕着扭杆弹簧轴线摆动,使扭杆弹簧产生扭转弹性变形,以保证车轮与车架弹性连接。为避免左、右侧悬架高度及刚度受其影响,扭力杆上通常有区别左右的标记。使用扭杆弹簧的悬架质量较小,结构比较简单(图3-8),也不需润滑,并且通过调整扭杆弹簧固定端的安装角度,容易实现车身高度的调节。因此,许多汽车前悬架使用扭杆弹簧式悬架,尤其是四轮驱动车型。
4.空气弹簧空气弹簧(图3-9)是一种充满压缩空气的橡胶圆柱体密封容器,它利用气体的可压缩性实现弹簧作用,可用来代替螺旋弹簧。这种弹簧的刚度是可变的,因为作用在弹簧上的载荷增大时,容器内的定量气体受压缩,气压升高,则弹簧的刚度增大;反之,当载荷减小时,容器内的气压下降,刚度减小。
空气弹簧具有比较理想的变刚度特性。
空气弹簧有囊式和膜式两种。囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气组成。气囊的内层用气密性橡胶制成,而外层则用耐油橡胶制成。气囊一般做成两节,也有单节或多节的,如图3-10a所示,节数越多,弹性越好。节与节之间围有钢质腰环,使中间部分不至于有径向扩张,并防止两节之间相互摩擦。膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件形成,如图3-10b所示。与囊式空气弹簧相比,膜式空气弹簧的弹性特性曲线比较理想,因刚度较囊式小,车身自然振动频率较低,且尺寸较小,在车上便于布置,大多应用在小客车上。
3.32减振器悬架系统中的弹簧在受到冲击后,将会连续地伸张和收缩。减振器用于消耗冲击的能量,抑制弹簧的往复运动,改善汽车行驶的平顺性,提高乘坐的舒适性。减振器通常安装在车身和下控制臂之间,并且与弹簧并联,如图3-11所示。
大多数车辆使用液压式减振器或充气式减振器,有些豪华小客车或越野车使用可变阻尼式减振器和高度可调式减振器。本单元仅介绍液压式减振器和充气式减振器,可变阻尼式减振器和高度可调式减振器将在“电控悬架系统”单元详细介绍。
1.液压式减振器如图3-12所示,液压式减振器被活塞分为上、下两个腔室,两个腔室中充满油液,活塞上设计有节流孔。液压式减振器的减振原理:当活塞在减振器的缸筒内作往复移动时,减振器壳体内的油液便反复地从一个腔室经活塞上的节流孔进入另一个腔室。此时,液体与孔壁的摩擦及液体分子间的摩擦便形成衰减振动的阻尼力,使车身振动的能量转化为热能并被油液和减振器壳体所吸收,然后散发到大气中。减振器的阻尼力越大,振动消除得就越快,但会导致弹性元件的缓冲作用不能充分发挥;同时,过大的阻尼力还可能导致减振器相关零件损坏。
减振器阻尼力的大小随着车身和车轮间的相对运动速度的增减而增减,并且与油液的黏度及节流孔的大小有关。如果节流孔大小不变,当减振器受到较大的冲击力时,过大的阻尼力会影响对冲击的吸收。因此,在节流孔的出口处设置有阀门。当压力变大时,阀门被顶开,节流孔开度变大,阻尼力变小。由于活塞是双向运动的,所以在活塞的两侧都装有阀门,分别叫作压缩阀和伸张阀液压式减振器以双筒式居多,双筒式是指减振器有内外两个筒,如图3-13所示。活塞在内筒中运动,由于活塞杆的往复运动,内筒中油液的体积随之增大与收缩,内、外筒间需要进行油液交换,以维持内筒中油液的平衡。
因此,双筒式减振器中要有四个阀,即除了压缩阀和伸张阀,还有流通阀和补偿阀。这些阀门保证了减振器的工作有如下特点①在悬架压缩行程内,减振器的阻尼力应较小,以便充分利用弹性元件的弹性来缓和冲击。
②在悬架伸张行程内,减振器的阻尼力应较大,以便迅速减振吸能。
③当车轮与车身的相对速度过大时,减振器应当能自动加大油液通道截面积,使阻尼始终保持在一定限度之内,以避免承受过大的冲击载荷2.充气式减振器充气式减振器在液压式减振器的基础上增加了气室,其结构特点如下:工作缸筒的下部装有一个浮动活塞,浮动活塞与缸筒形成的密闭气室中充有高压氮气;浮动活塞之上是减振器油液,如图3-14所示。浮动活塞上装有大断面的O形密封圈,把油和气完全分开,此活塞亦称为封气活塞。工作活塞上装有随运动速度大小变化而改变通道面积的压缩阀和伸张阀。充气式减振器衰减振动的原理与液压式减振器相似。
由于活塞杆进出而引起的缸筒容积的变化由浮动活塞的上下运动来补偿,因此这种减振器不需要储液缸筒，所以亦称为单筒式减振器。与双筒式减振器比较,充气式减振器具有以下优点:
①减少了一套阀门系统,结构大为简化。
②减振器内充有高压气体,能有效地降低车轮受到突然冲击时产生的高频振动,有助于消除噪声,并且能够改善汽车行驶平顺性和轮胎接地性。
③在防尘罩直径相同的情况下,充气式减振器的工作缸筒和活塞直径更大,在单位活塞行程中流经阀门的流量更大,因此在同样泄流不利的条件下,它比双筒式更能可靠地保证产生足够的阻尼力。
④充气式减振器内部有高压气体,且油气被浮动活塞隔开,消除了油液的乳化现象。
导向机构：
悬架系统中的弹性元件大多只能传递垂直载荷而不能传递纵向或侧向的力矩,所以必须设置导向机构(也叫传力机构),以承受、传递纵向和侧向力矩。导向机构的主要组成部件包括控制臂、球节、肘节(也称为转向节,如图3-15所示。
1.控制臂控制臂将肘节、车轮凸缘或车桥连接到车身或车架上。控制臂一端采用球节或轴衬套安装于转向节或车轮凸缘上,另一端通过枢轴及轴衬套安装到车身或车架上,保证其可以允许车轮上下跳动。常见的控制臂有上控制臂、下控制臂、牵拖控制臂等类型,如图3-16所示。上、下控制臂一般用于独立悬架,上控制臂通常比下控制臂要短一些,在悬架向上运动时把轮胎的顶端向内拉动,以减少轮胎在与路面接触和分离时产生的摩擦,从而提高轮胎的寿命。牵拖控制臂多用于后悬架,它将车桥或车轮连接到车身或车架上。
2.球节球节通常安装在上控制臂或者下控制臂上,当控制臂上下运动或转向盘转动时,球节能随之转动,从而允许转向节的转动和摆动。由于车辆悬架的形式不同,承载车身质量的部件也不同,因此球节也分为负荷球节和从动球节。在图3-17所示的悬架系统中,汽车的质量通过弹簧传到下控制臂,然后通过下球节传到车轮,其下球节即为负荷球节,上球节为从动球节3.肘节肘节将车轮连接到上、下控制臂,并为悬架系统的其他部件提供安装位置。肘节通常应用于独立悬架,当被用于转向轮转动枢轴时,肘节称为转向节,如图3-18所示。
