1.4 車輛懸架中的彈性力學(xué)計(jì)算元件

1.4.1 減振器節(jié)流閥片

減振器也稱為緩沖器，它通過一種稱為阻尼的過程來控制不希望發(fā)生的彈簧運(yùn)動(dòng)。減振器通過將懸架運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為可通過液壓油耗散的熱能，來降低和減弱車輛的振動(dòng)。減振器按照不同的結(jié)構(gòu)、工作介質(zhì)和作用方式等，有多種不同的分類。

圖1-15 按能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)減振器分類框圖

（1）按能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)分類 可分為摩擦式減振器、液壓式減振器、電磁式減振器，如圖1-15所示。其中，摩擦式減振器原先用于重型載重車，現(xiàn)已很少使用；電磁式減振器，分為電流變減振器和磁流變減振器，國(guó)外已經(jīng)有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前正處于開發(fā)研制階段；液壓式減振器，目前廣泛采用。

（2）按結(jié)構(gòu)分類 可分為搖臂式減振器和筒式液壓減振器，如圖1-16所示。其中，搖臂式減振器目前很少使用。筒式液壓減振器又分為雙筒式液壓減振器和單筒式減振器，它們可分為非充氣式液壓減振器和低壓充氣式液壓減振器。非充氣式雙筒式液壓減振器，目前廣泛用于貨車、中低檔轎車等；低壓充氣式液壓減振器用于中高檔轎車，國(guó)內(nèi)外已廣泛采用；單筒充氣式減振器用于中高檔轎車，但使用較少。

圖1-16 按結(jié)構(gòu)減振器分類框圖

（3）按作用方式分類 可分為雙向作用式減振器和單向作用式減振器，如圖1-17所示。其中，雙向作用式減振器在復(fù)原和壓縮行程都起作用，在汽車上廣泛采用；而單向作用式減振器僅在復(fù)原行程時(shí)起作用，現(xiàn)在很少采用。

（4）按阻尼是否可調(diào)進(jìn)行分類 可分為不可調(diào)阻尼減振器和可調(diào)阻尼減振器，而可調(diào)阻尼減振器又可分為有級(jí)可調(diào)式和無級(jí)可調(diào)式減振器，如圖1-18所示。

在車輛懸架中所采用的減振器有很多種類型，目前應(yīng)用最為廣泛的是液壓筒式減振器，如圖1-19所示。

（5）按內(nèi)部節(jié)流閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類 可分為節(jié)流孔式、彈簧框架式、彈性閥片式和彈簧閥片組合式，如圖1-20所示。

圖1-17 按作用方式減振器分類框圖

圖1-18 按阻尼調(diào)節(jié)方式減振器分類框圖

圖1-19 車輛懸架減振器

減振器的核心是復(fù)原閥和壓縮閥，不同閥系結(jié)構(gòu)其內(nèi)部特性和外部特性都會(huì)有差別。其中，節(jié)流孔式和彈簧框架式筒式液壓減振器，由于它們的阻尼力非線性特性不好，不能滿足汽車對(duì)減振器阻尼力非線性特性的要求；彈性閥片式液壓減振器的阻尼力非線性特性好，恰好能滿足車輛對(duì)減振器阻尼力特性非線性的要求，因此，節(jié)流孔式和彈簧框架式筒式液壓減振器，目前逐漸被彈性閥片式液壓筒式減振器所代替；閥片彈簧組合式一般用在車輛對(duì)減振器阻尼力特性有特殊要求的情況下，因此，閥片彈簧組合式液壓筒式減振器應(yīng)用不廣泛。

圖1-20 液壓筒式減振器按節(jié)流閥結(jié)構(gòu)分類框圖

1.4.2 彈簧

懸架彈簧的軟硬對(duì)車輛行駛的安全性和乘坐舒適性有重要的影響。彈簧較軟的汽車（如林肯城市這樣的豪華汽車）可以徹底消除顛簸并提供極平穩(wěn)的行駛感覺，車輛的舒適性高，但同時(shí)在制動(dòng)和加速過程中易產(chǎn)生俯沖和蹲伏現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)彎時(shí)易產(chǎn)生側(cè)傾和翻滾趨勢(shì)，即車輛的安全性差。然而，彈簧較硬的汽車（如馬自達(dá)Miata）在顛簸路面上的平穩(wěn)性稍差，乘坐舒適性差，但車身移動(dòng)非常小，這意味著即使是在轉(zhuǎn)彎處，也可以用較激烈的方式來駕駛，即車輛的行駛安全性高。彈簧系統(tǒng)所用的彈簧主要有螺旋彈簧、鋼板彈簧和扭桿彈簧三種。

（1）螺旋彈簧 是最常見的彈簧類型。它其實(shí)是一個(gè)繞軸盤繞的重型扭桿，通過伸縮來緩沖車輪的運(yùn)動(dòng)。螺旋彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用最為廣泛。常見的車輛懸架螺旋彈簧，如圖1-21所示。

（2）鋼板彈簧 由若干片鋼板組合在一起充當(dāng)一個(gè)單元的金屬層（稱為葉片）組成，即由多片鋼板彈簧疊加而成。扁平長(zhǎng)方形的鋼板呈彎曲形，以數(shù)片疊成的底盤用彈簧，一端以銷子安裝在吊架上，另一端使用吊耳連接到大梁上，使彈簧能伸縮。鋼板彈簧起初在馬車上使用，直到1985年才在大多數(shù)美國(guó)汽車上應(yīng)用。目前適用于一些非承載車身的越野車及大中型的貨車上，如圖1-22所示。

鋼板彈簧的種類主要有多片鋼板彈簧、少片變截面彈簧、兩級(jí)變剛度復(fù)式鋼板彈簧和漸變剛度彈簧等類型。

圖1-21 車輛懸架螺旋彈簧

圖1-22 鋼板彈簧

鋼板彈簧與車架的連接方式有兩種，一種是擺動(dòng)吊耳式連接，另一種是滑板式連接。其中，滑板式連接方式的鋼板彈簧一端有卷耳，另一端沒有卷耳，插入與車架固定連接的支架內(nèi)并可滑動(dòng)。第一片簧片為平直的端頭，第二片的端部制有向下的彎角，以免車架劇烈跳動(dòng)時(shí)鋼板從支架中脫出。為避免鋼板彈簧變形時(shí)直接摩擦支架，在后支架上裝有滑塊和兩側(cè)的墊板。由于鋼板彈簧變形時(shí)，主片上表面與弧形滑塊的接觸點(diǎn)是變動(dòng)的，因而鋼板彈簧工作長(zhǎng)度變化時(shí)，其剛度也略有改變。當(dāng)載荷減小時(shí)，鋼板彈簧有效長(zhǎng)度較長(zhǎng)，彈性好；而當(dāng)載荷增大時(shí)，鋼板彈簧的有效長(zhǎng)度減小，剛度略有增加。

鋼板彈簧有摩擦阻尼和變剛度兩個(gè)特點(diǎn)。

1）摩擦阻尼。由于鋼板彈簧在載荷作用下變形時(shí)，各片鋼板之間有摩擦產(chǎn)生，對(duì)車輛振動(dòng)有衰減作用。因此，對(duì)減振要求不高的車輛，如一般中型貨車的后懸架或重型貨車的懸架，大都采用鋼板彈簧，而不安裝單獨(dú)的減振器。但是各片鋼板之間的干摩擦?xí)④囕喫艿臎_擊在很大程度上傳給車架，即降低了懸架緩和沖擊的能力，并使各鋼板之間的磨損加快。為了保證鋼板片之間產(chǎn)生定值摩擦力以及消除噪聲，可在鋼板片之間夾入耐磨的塑料片，如某些高級(jí)轎車的后懸架鋼板彈簧就采用了這種結(jié)構(gòu)。

2）變剛度。鋼板彈簧采用不同的安裝方式，可得到二級(jí)剛度鋼板彈簧和漸變剛度鋼板彈簧。

當(dāng)貨車上采用縱置式鋼板彈簧非獨(dú)立懸架時(shí)，如果主鋼板彈簧的上面疊加副鋼板彈簧，二者用U形螺栓固定裝到后橋上，其中，主簧上端的連接如前所述，副簧兩端平直。如圖1-23所示，便可得到二級(jí)剛度鋼板彈簧。

圖1-23 二級(jí)剛度的主、副鋼板彈簧懸架

由圖1-23可知，當(dāng)汽車載荷不大時(shí)，其兩端上表面與鉚接在車架上的副簧托架之間存在空隙而不接觸，故只有主簧起作用，副簧不起作用。當(dāng)汽車重載或滿載時(shí)，主簧變形大，副簧與托架接觸，此時(shí)主、副簧同時(shí)工作，懸架剛度隨之增大。

為了提高汽車的平順性，有些輕型貨車把副簧置于主簧下面，便形成漸變剛度的鋼板彈簧，如圖1-24所示。

由圖1-24可知，漸變剛度鋼板彈簧的主鋼板彈簧1較薄，剛度小，撓度大，而副鋼板彈簧2較厚，剛度大，撓度小。主、副鋼板彈簧通過中心螺栓3疊加在一起，在兩端主、副鋼板彈簧之間有間隙。因此，當(dāng)載荷小時(shí)，僅有主鋼板彈簧起作用，而當(dāng)載荷增大到一定程度時(shí)，副簧開始與主簧逐片接觸，懸架剛度也隨之平緩變化，從而改善了汽車行駛的平順性。

圖1-24 漸變剛度鋼板彈簧后懸架

1—主鋼板彈簧 2—副鋼板彈簧 3—中心螺栓

1.4.3 扭桿彈簧

扭桿彈簧的英文名稱為Torsion-Bar Spring，是利用鋼棒的扭轉(zhuǎn)特性來提供類似螺旋彈簧的性能，并靠扭轉(zhuǎn)彈力來吸收振動(dòng)能量。扭桿用合金彈簧鋼做成，具有較高的彈性，既可扭曲變形又可復(fù)原，實(shí)際上起到與螺旋彈簧相同的作用，只不過表現(xiàn)形式不一樣而已。從截?cái)嗝嫔峡矗U彈簧有圓形、管形、矩形、疊片及組合式等。其工作原理是：鋼棒的一端錨固在車架上，另一端與一個(gè)A形控制臂相連。A形控制臂的作用就像一個(gè)垂直于扭桿移動(dòng)的杠桿。當(dāng)車輪遇到顛簸路面時(shí)，其垂直運(yùn)動(dòng)傳遞至A形控制臂，通過杠桿作用傳遞至扭桿，使扭桿被迫扭轉(zhuǎn)變形，吸收沖擊能量扭桿沿軸發(fā)生扭曲以提供彈力。當(dāng)沖擊力減弱時(shí)，桿的自然還原能力能迅速使它恢復(fù)到原來的位置，使車輪回到地面，避免車架受到顛簸。扭桿彈簧如圖1-25所示。

扭桿彈簧能夠儲(chǔ)存較大的能量，比相等應(yīng)力的螺旋彈簧和鋼板彈簧大得多。桿越短越粗，剛度也越大。在20世紀(jì)的五六十年代，歐洲的汽車制造商普遍使用此系統(tǒng)，同樣的還有美國(guó)的Packard和克萊斯勒公司。

圖1-25 扭桿彈簧示意圖

一般來講，扭桿彈簧單位重量的儲(chǔ)能較大，且占用的空間位置最小，易于布置，還可以適度調(diào)整車身的高度，所以不少乘用車懸架采用扭桿彈簧。廠家在制造扭桿彈簧時(shí)也施加了預(yù)應(yīng)力，增大了疲勞強(qiáng)度。由于預(yù)應(yīng)力是有方向的，所以，應(yīng)該注意扭桿彈簧也是有方向的。扭桿彈簧標(biāo)記有左邊或右邊，使用前應(yīng)識(shí)別安裝在哪一側(cè)。

1.4.4 橫向穩(wěn)定桿及橡膠襯套

1.橫向穩(wěn)定桿

橫向穩(wěn)定桿 也叫防側(cè)傾桿、橫行穩(wěn)定器，它是汽車懸架系統(tǒng)的一部分，與減振器或滑柱配合使用，以便為行駛的汽車提供附加穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖1-26所示。

圖1-26 車輛橫向穩(wěn)定桿

圖1-27 橫向穩(wěn)定桿及橡膠襯套在懸架中的安裝示意圖

橫向穩(wěn)定桿是一個(gè)橫跨整個(gè)車軸的金屬桿，它連接在前輪前方的車架上，但要用橡膠襯套連接以使其可以旋轉(zhuǎn)，兩臂連接到兩側(cè)的前懸架梁上，將懸架的兩側(cè)有效地連接在一起。橫向穩(wěn)定桿及橡膠襯套在懸架中的安裝，如圖1-27所示。

當(dāng)汽車左右輪分別通過不同路面凸起或坑洞時(shí)，也就是左右兩輪的水平高度不相同時(shí)，會(huì)使橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生防傾阻力抑制車身側(cè)傾。也就是說當(dāng)左右兩邊的懸架上下同時(shí)動(dòng)作時(shí)橫向穩(wěn)定桿就不會(huì)發(fā)生作用。只有在左右兩邊懸架因?yàn)槁访嫫鸱蜣D(zhuǎn)向過彎造成的動(dòng)作不同步時(shí)，橫向穩(wěn)定桿才產(chǎn)生作用。橫向穩(wěn)定桿只有在起作用時(shí)才會(huì)使懸架變硬，不像硬的彈簧會(huì)全面地使懸架變硬。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，彎道外側(cè)的前懸架梁會(huì)向上推穩(wěn)定桿的臂，從而對(duì)穩(wěn)定桿施加轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩會(huì)使另一端的臂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致車輛另一側(cè)的懸架也發(fā)生壓縮，這樣可以使行駛更平穩(wěn)，并減少了車輛的傾斜度，尤其是它能抵消轉(zhuǎn)彎時(shí)懸架上的汽車的側(cè)傾趨勢(shì)。如果不安裝穩(wěn)定桿而完全依靠彈簧來減少車身的側(cè)傾，那可能需要非常硬的彈簧，要用阻尼系數(shù)很高的減振器來抑制彈簧的彈跳，這樣必然會(huì)造成乘坐舒適性變差、行經(jīng)不平路面時(shí)循跡性不良的后遺癥。但是如果配合適當(dāng)?shù)臋M向穩(wěn)定桿，不但可以減少側(cè)傾，而且還可以提高車輛的舒適性和循跡性。鑒于此，當(dāng)今幾乎所有汽車都將穩(wěn)定桿作為標(biāo)準(zhǔn)配置。

橫向穩(wěn)定桿和彈簧所提供的防傾阻力是相輔相成的，而且防傾阻力是成對(duì)發(fā)生的，也就是說車頭的防傾阻力和車尾的防傾阻力是伴隨發(fā)生的。但是由于車身配重比例以及其他外力的作用，會(huì)使得前后的防傾阻力并不平衡，這樣便會(huì)直接影響車身重量的轉(zhuǎn)移和操控的平衡。如果后輪的防傾阻力太大，會(huì)造成轉(zhuǎn)向過度；如果前輪的防傾阻力太大，則會(huì)造成轉(zhuǎn)向不足。為了改善操控性，不僅可利用橫向穩(wěn)定桿來抵制車身側(cè)傾，還可以用來控制車身傾阻力的前后分配比例。橫向穩(wěn)定桿的功能就是保持車身的良好平衡和限制過彎時(shí)的車身側(cè)傾，以及改善輪胎的貼地性。因此，設(shè)計(jì)合適剛度的穩(wěn)定桿，在不影響車輛轉(zhuǎn)彎性能的情況下，不僅可降低車身側(cè)傾度，也可改善車輛的舒適性。

橫向穩(wěn)定桿的軟硬度是由制作的材質(zhì)、桿身、桿徑、桿臂的長(zhǎng)度以及桿臂與桿身所形成的角度決定的。桿身越長(zhǎng)，橫向穩(wěn)定桿就越軟，但桿臂的角度和長(zhǎng)度卻是容易調(diào)整的。一般來說，橫向穩(wěn)定桿的材質(zhì)大同小異，改變橫向穩(wěn)定桿的軟硬度都是通過改變桿徑來實(shí)現(xiàn)。另外，根據(jù)杠桿原理，改變懸架與橫向穩(wěn)定桿臂的連接點(diǎn)就可改變桿臂的力矩，可調(diào)式橫向穩(wěn)定桿就是從這里著手的。

2.橡膠襯套

橫向穩(wěn)定桿的剛度與安裝穩(wěn)定桿的橡膠襯套有很大關(guān)系。如果將固定橫向穩(wěn)定桿的橡膠襯套換成硬的材質(zhì)，就會(huì)有意想不到的效果。在實(shí)際測(cè)試中，使用一支直徑20mm的橫向穩(wěn)定桿配上硬質(zhì)的橡膠襯套，和使用直徑25mm的橫向穩(wěn)定桿配上軟的橡膠襯套具有相同的效果。要計(jì)算所需橫向穩(wěn)定桿的軟硬度是很復(fù)雜的，不但要考慮自身的軟硬度，更要考慮與彈簧的搭配情況。因此，要升級(jí)和調(diào)校好一套優(yōu)秀的橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)，除了進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)外，還應(yīng)該進(jìn)行多次彎道行駛測(cè)試。