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。

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。

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 图8 用于轿车前轮双横臂独立悬架 a b 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图9 使用扭簧的双横臂式悬架除了汽车的前轮，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。

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。

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。

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10 用于轿车后轮的双横臂式悬架 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图14推拉杆和换向器 图15 半轴充当横臂的双横臂悬架 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。

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。

而连杆数量在3根以上才称为多连杆，目前主流的连杆数量为5连杆。

如下图所示。

向的浮动，提高汽车转弯时的操控性能。

限的。

后轮就可通过设计橡紧倾角，前束角以及使后轮获得一定的转向角度。

其原理就是通过对连接运动点的约束角度设计使得悬挂在压缩时能主动调整车轮定位，而且这个设计自由度非常大，能完全针对车型做匹配和调校，因此多连杆悬挂能最大限度的发挥轮胎抓地力从而提高整车的操控极限。

但由于结构复杂，成本也非常高。

3. 横向稳定器现在轿车的悬架一般很软，在高速行驶中转向时，车身会产生很大的横向倾斜和横向角振动。

为了减少这种横向倾斜，往往在悬架中加设横向稳定器。

用的最多的是干事横向稳定器。

杆式横向稳定器主要由U 形横向稳定杆、连接杆和支座组成，支座固定在车身上，稳定杆两端通过连杆与下摆臂相连，图27所示。

当车身只作垂直移动而两侧悬架变形相等时，横向稳定杆在支座的套筒内自由转动，横向稳定杆不起作用。

当两侧悬架变形不等而车身相对于路面横向倾斜时，稳定杆一端向上运动，另一端向下运动，从而被扭转。

弹性稳定杆所产生的扭转内力矩妨碍了悬架弹簧的变形，因而减小了车身的横向倾斜和横向角振动。

随着道路状况的好转和行驶车速的提高，很多重型货车的非独立悬架也安装了横向稳定器，以提高转弯时的稳定性。

如图27所示。

除了前面所述的U 型杆的横向稳定器，还有一些其他结构和形式的横向稳定器，多见于各种赛车上。

他们通常都被设计成结构小巧、重量轻、易更换和调整。

如图29所示。

读书笔记之油气悬架 （hydraulic-pneumatic/hydro-pneumatic/hydra gas suspension ） 悬架系统是提高车辆行驶平顺性和操纵稳定性、减少动载荷引起零部件损坏的关键。

但基于经典隔振理论的传统悬架无法同时兼顾这几方面的要求，全主动悬架能满足这一要求，但因价格昂贵而不能付诸工程实际。

而油气悬架不仅能满足车辆乘坐动力学的要求，且造价远比全主动悬架低得多。

油气悬架本身并不是一个新概念，它最早使用在飞机的起落架上，用来提高飞机着陆的图27 U 型横向稳定杆图 28非独立悬架上的横向稳定器a bc d图29 特殊形式的横向稳定器a ） 扭杆弹簧b ）波纹带状弹簧c ）锥形垫片弹簧d ）平面弹性杆平稳性。

50年代后期，人们才逐渐将它应用到车辆中来，以提高车辆舒适性、操纵稳定性等性能。

油气悬架是将油和气结合，利用气体的可压缩性作为悬架的弹性元件，利用油液的流动阻力实现减振，同时又利用油液的不可压缩性实现较为准确的运动和力的传递，利用油液流动的易控性实现各种大功率的控制。

因此，油气悬架不仅具有较好的弹性特性，更重要的是它能方便地实现汽车运动姿态等的良好控制。

为提高车辆行驶平顺性，国外小客车、载重卡车及工程机械上早已采用了油气悬架系统，特别在矿山自卸载重卡车上用的更为普遍。

当车辆在不平道路上行驶时可以减少地面传递给车身的冲击力，当采用电铲装载矿石时可减少矿石下落时对汽车的冲击，特别在空载时可得到较小的振动频率。

由于空载和满载载荷变化幅度大，车身高度变化较大，此时如装有能随载荷变化可自动调节车身高度的油气悬架则可获得理想的弹性特性而使车辆具有良好的平顺性，从而改善驾驶员的劳动条件，提高车辆的平均行驶速度和车辆的运输生产率。

我国自行设计的矿山载重汽车SH380，采用了油气悬架，美国WABCO公司生产的矿山载重汽车35C （载重313kN）、75B（载重666.82kN）、120（载重980.67kN）、前苏联别拉斯540、日本小松HD－320、法国TX－40及意大利伯里尼公司生产的矿山载重汽车等也都采用了油气悬架。

对牵引形工程机械来说，由于它本身工作的特点，在行驶状态需要有良好的弹性悬架以保证较高的平均行驶速度，而在作业状态则希望将弹性悬架变成刚性悬架。