1.4 車輛懸架中的彈性力學計算元件

1.4.1 減振器節流閥片

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生的彈簧運動。減振器通過將懸架運動的動能轉換為可通過液壓油耗散的熱能，來降低和減弱車輛的振動。減振器按照不同的結構、工作介質和作用方式等，有多種不同的分類。

圖1-15 按能量轉換介質減振器分類框圖

（1）按能量轉換介質分類 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，國外已經有應用，國內目前正處于開發研制階段；液壓式減振器，目前廣泛采用。

（2）按結構分類 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，國內外已廣泛采用；單筒充氣式減振器用于中高檔轎車，但使用較少。

圖1-16 按結構減振器分類框圖

（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原行程時起作用，現在很少采用。

（4）按阻尼是否可調進行分類 可分為不可調阻尼減振器和可調阻尼減振器，而可調阻尼減振器又可分為有級可調式和無級可調式減振器，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，目前應用最為廣泛的是液壓筒式減振器，如圖1-19所示。

（5）按內部節流閥結構進行分類 可分為節流孔式、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 按阻尼調節方式減振器分類框圖

圖1-19 車輛懸架減振器

減振器的核心是復原閥和壓縮閥，不同閥系結構其內部特性和外部特性都會有差別。其中，節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，恰好能滿足車輛對減振器阻尼力特性非線性的要求，因此，節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用不廣泛。

圖1-20 液壓筒式減振器按節流閥結構分類框圖

1.4.2 彈簧

懸架彈簧的軟硬對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的行駛感覺，車輛的舒適性高，但同時在制動和加速過程中易產生俯沖和蹲伏現象，在轉彎時易產生側傾和翻滾趨勢，即車輛的安全性差。然而，彈簧較硬的汽車（如馬自達Miata）在顛簸路面上的平穩性稍差，乘坐舒適性差，但車身移動非常小，這意味著即使是在轉彎處，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。它其實是一個繞軸盤繞的重型扭桿，通過伸縮來緩沖車輪的運動。螺旋彈簧結構簡單，制造容易，應用最為廣泛。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一個單元的金屬層（稱為葉片）組成，即由多片鋼板彈簧疊加而成。扁平長方形的鋼板呈彎曲形，以數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年才在大多數美國汽車上應用。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、兩級變剛度復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并可滑動。第一片簧片為平直的端頭，第二片的端部制有向下的彎角，以免車架劇烈跳動時鋼板從支架中脫出。為避免鋼板彈簧變形時直接摩擦支架，在后支架上裝有滑塊和兩側的墊板。由于鋼板彈簧變形時，主片上表面與弧形滑塊的接觸點是變動的，因而鋼板彈簧工作長度變化時，其剛度也略有改變。當載荷減小時，鋼板彈簧有效長度較長，彈性好；而當載荷增大時，鋼板彈簧的有效長度減小，剛度略有增加。

鋼板彈簧有摩擦阻尼和變剛度兩個特點。

1）摩擦阻尼。由于鋼板彈簧在載荷作用下變形時，各片鋼板之間有摩擦產生，對車輛振動有衰減作用。因此，對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，而不安裝單獨的減振器。但是各片鋼板之間的干摩擦會將車輪所受的沖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，如某些高級轎車的后懸架鋼板彈簧就采用了這種結構。

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

當貨車上采用縱置式鋼板彈簧非獨立懸架時，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，便可得到二級剛度鋼板彈簧。

圖1-23 二級剛度的主、副鋼板彈簧懸架

由圖1-23可知，當汽車載荷不大時，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。當汽車重載或滿載時，主簧變形大，副簧與托架接觸，此時主、副簧同時工作，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，當載荷小時，僅有主鋼板彈簧起作用，而當載荷增大到一定程度時，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，是利用鋼棒的扭轉特性來提供類似螺旋彈簧的性能，并靠扭轉彈力來吸收振動能量。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原，實際上起到與螺旋彈簧相同的作用，只不過表現形式不一樣而已。從截斷面上看，扭桿彈簧有圓形、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A形控制臂相連。A形控制臂的作用就像一個垂直于扭桿移動的杠桿。當車輪遇到顛簸路面時，其垂直運動傳遞至A形控制臂，通過杠桿作用傳遞至扭桿，使扭桿被迫扭轉變形，吸收沖擊能量扭桿沿軸發生扭曲以提供彈力。當沖擊力減弱時，桿的自然還原能力能迅速使它恢復到原來的位置，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。

扭桿彈簧能夠儲存較大的能量，比相等應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世紀的五六十年代，歐洲的汽車制造商普遍使用此系統，同樣的還有美國的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能較大，且占用的空間位置最小，易于布置，還可以適度調整車身的高度，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也施加了預應力，增大了疲勞強度。由于預應力是有方向的，所以，應該注意扭桿彈簧也是有方向的。扭桿彈簧標記有左邊或右邊，使用前應識別安裝在哪一側。

1.4.4 橫向穩定桿及橡膠襯套

1.橫向穩定桿

橫向穩定桿 也叫防側傾桿、橫行穩定器，它是汽車懸架系統的一部分，與減振器或滑柱配合使用，以便為行駛的汽車提供附加穩定性，其結構如圖1-26所示。

圖1-26 車輛橫向穩定桿

圖1-27 橫向穩定桿及橡膠襯套在懸架中的安裝示意圖

橫向穩定桿是一個橫跨整個車軸的金屬桿，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，兩臂連接到兩側的前懸架梁上，將懸架的兩側有效地連接在一起。橫向穩定桿及橡膠襯套在懸架中的安裝，如圖1-27所示。

當汽車左右輪分別通過不同路面凸起或坑洞時，也就是左右兩輪的水平高度不相同時，會使橫向穩定桿扭轉而產生防傾阻力抑制車身側傾。也就是說當左右兩邊的懸架上下同時動作時橫向穩定桿就不會發生作用。只有在左右兩邊懸架因為路面起伏或轉向過彎造成的動作不同步時，橫向穩定桿才產生作用。橫向穩定桿只有在起作用時才會使懸架變硬，不像硬的彈簧會全面地使懸架變硬。當汽車轉彎時，彎道外側的前懸架梁會向上推穩定桿的臂，從而對穩定桿施加轉矩，轉矩會使另一端的臂發生轉動，導致車輛另一側的懸架也發生壓縮，這樣可以使行駛更平穩，并減少了車輛的傾斜度，尤其是它能抵消轉彎時懸架上的汽車的側傾趨勢。如果不安裝穩定桿而完全依靠彈簧來減少車身的側傾，那可能需要非常硬的彈簧，要用阻尼系數很高的減振器來抑制彈簧的彈跳，這樣必然會造成乘坐舒適性變差、行經不平路面時循跡性不良的后遺癥。但是如果配合適當的橫向穩定桿，不但可以減少側傾，而且還可以提高車輛的舒適性和循跡性。鑒于此，當今幾乎所有汽車都將穩定桿作為標準配置。

橫向穩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發生的，也就是說車頭的防傾阻力和車尾的防傾阻力是伴隨發生的。但是由于車身配重比例以及其他外力的作用，會使得前后的防傾阻力并不平衡，這樣便會直接影響車身重量的轉移和操控的平衡。如果后輪的防傾阻力太大，會造成轉向過度；如果前輪的防傾阻力太大，則會造成轉向不足。為了改善操控性，不僅可利用橫向穩定桿來抵制車身側傾，還可以用來控制車身傾阻力的前后分配比例。橫向穩定桿的功能就是保持車身的良好平衡和限制過彎時的車身側傾，以及改善輪胎的貼地性。因此，設計合適剛度的穩定桿，在不影響車輛轉彎性能的情況下，不僅可降低車身側傾度，也可改善車輛的舒適性。

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

2.橡膠襯套

橫向穩定桿的剛度與安裝穩定桿的橡膠襯套有很大關系。如果將固定橫向穩定桿的橡膠襯套換成硬的材質，就會有意想不到的效果。在實際測試中，使用一支直徑20mm的橫向穩定桿配上硬質的橡膠襯套，和使用直徑25mm的橫向穩定桿配上軟的橡膠襯套具有相同的效果。要計算所需橫向穩定桿的軟硬度是很復雜的，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，要升級和調校好一套優秀的橫向穩定桿系統，除了進行合理優化設計外，還應該進行多次彎道行駛測試。