1.4 车辆悬架中的弹性力学计算元件

1.4.1 减振器节流阀片

减振器也称为缓冲器，它通过一种称为阻尼的过程来控制不希望发生的弹簧运动。减振器通过将悬架运动的动能转换为可通过液压油耗散的热能，来降低和减弱车辆的振动。减振器按照不同的结构、工作介质和作用方式等，有多种不同的分类。

图1-15 按能量转换介质减振器分类框图

（1）按能量转换介质分类 可分为摩擦式减振器、液压式减振器、电磁式减振器，如图1-15所示。其中，摩擦式减振器原先用于重型载重车，现已很少使用；电磁式减振器，分为电流变减振器和磁流变减振器，国外已经有应用，国内目前正处于开发研制阶段；液压式减振器，目前广泛采用。

（2）按结构分类 可分为摇臂式减振器和筒式液压减振器，如图1-16所示。其中，摇臂式减振器目前很少使用。筒式液压减振器又分为双筒式液压减振器和单筒式减振器，它们可分为非充气式液压减振器和低压充气式液压减振器。非充气式双筒式液压减振器，目前广泛用于货车、中低档轿车等；低压充气式液压减振器用于中高档轿车，国内外已广泛采用；单筒充气式减振器用于中高档轿车，但使用较少。

图1-16 按结构减振器分类框图

（3）按作用方式分类 可分为双向作用式减振器和单向作用式减振器，如图1-17所示。其中，双向作用式减振器在复原和压缩行程都起作用，在汽车上广泛采用；而单向作用式减振器仅在复原行程时起作用，现在很少采用。

（4）按阻尼是否可调进行分类 可分为不可调阻尼减振器和可调阻尼减振器，而可调阻尼减振器又可分为有级可调式和无级可调式减振器，如图1-18所示。

在车辆悬架中所采用的减振器有很多种类型，目前应用最为广泛的是液压筒式减振器，如图1-19所示。

（5）按内部节流阀结构进行分类 可分为节流孔式、弹簧框架式、弹性阀片式和弹簧阀片组合式，如图1-20所示。

图1-17 按作用方式减振器分类框图

图1-18 按阻尼调节方式减振器分类框图

图1-19 车辆悬架减振器

减振器的核心是复原阀和压缩阀，不同阀系结构其内部特性和外部特性都会有差别。其中，节流孔式和弹簧框架式筒式液压减振器，由于它们的阻尼力非线性特性不好，不能满足汽车对减振器阻尼力非线性特性的要求；弹性阀片式液压减振器的阻尼力非线性特性好，恰好能满足车辆对减振器阻尼力特性非线性的要求，因此，节流孔式和弹簧框架式筒式液压减振器，目前逐渐被弹性阀片式液压筒式减振器所代替；阀片弹簧组合式一般用在车辆对减振器阻尼力特性有特殊要求的情况下，因此，阀片弹簧组合式液压筒式减振器应用不广泛。

图1-20 液压筒式减振器按节流阀结构分类框图

1.4.2 弹簧

悬架弹簧的软硬对车辆行驶的安全性和乘坐舒适性有重要的影响。弹簧较软的汽车（如林肯城市这样的豪华汽车）可以彻底消除颠簸并提供极平稳的行驶感觉，车辆的舒适性高，但同时在制动和加速过程中易产生俯冲和蹲伏现象，在转弯时易产生侧倾和翻滚趋势，即车辆的安全性差。然而，弹簧较硬的汽车（如马自达Miata）在颠簸路面上的平稳性稍差，乘坐舒适性差，但车身移动非常小，这意味着即使是在转弯处，也可以用较激烈的方式来驾驶，即车辆的行驶安全性高。弹簧系统所用的弹簧主要有螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧三种。

（1）螺旋弹簧 是最常见的弹簧类型。它其实是一个绕轴盘绕的重型扭杆，通过伸缩来缓冲车轮的运动。螺旋弹簧结构简单，制造容易，应用最为广泛。常见的车辆悬架螺旋弹簧，如图1-21所示。

（2）钢板弹簧 由若干片钢板组合在一起充当一个单元的金属层（称为叶片）组成，即由多片钢板弹簧叠加而成。扁平长方形的钢板呈弯曲形，以数片叠成的底盘用弹簧，一端以销子安装在吊架上，另一端使用吊耳连接到大梁上，使弹簧能伸缩。钢板弹簧起初在马车上使用，直到1985年才在大多数美国汽车上应用。目前适用于一些非承载车身的越野车及大中型的货车上，如图1-22所示。

钢板弹簧的种类主要有多片钢板弹簧、少片变截面弹簧、两级变刚度复式钢板弹簧和渐变刚度弹簧等类型。

图1-21 车辆悬架螺旋弹簧

图1-22 钢板弹簧

钢板弹簧与车架的连接方式有两种，一种是摆动吊耳式连接，另一种是滑板式连接。其中，滑板式连接方式的钢板弹簧一端有卷耳，另一端没有卷耳，插入与车架固定连接的支架内并可滑动。第一片簧片为平直的端头，第二片的端部制有向下的弯角，以免车架剧烈跳动时钢板从支架中脱出。为避免钢板弹簧变形时直接摩擦支架，在后支架上装有滑块和两侧的垫板。由于钢板弹簧变形时，主片上表面与弧形滑块的接触点是变动的，因而钢板弹簧工作长度变化时，其刚度也略有改变。当载荷减小时，钢板弹簧有效长度较长，弹性好；而当载荷增大时，钢板弹簧的有效长度减小，刚度略有增加。

钢板弹簧有摩擦阻尼和变刚度两个特点。

1）摩擦阻尼。由于钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片钢板之间有摩擦产生，对车辆振动有衰减作用。因此，对减振要求不高的车辆，如一般中型货车的后悬架或重型货车的悬架，大都采用钢板弹簧，而不安装单独的减振器。但是各片钢板之间的干摩擦会将车轮所受的冲击在很大程度上传给车架，即降低了悬架缓和冲击的能力，并使各钢板之间的磨损加快。为了保证钢板片之间产生定值摩擦力以及消除噪声，可在钢板片之间夹入耐磨的塑料片，如某些高级轿车的后悬架钢板弹簧就采用了这种结构。

2）变刚度。钢板弹簧采用不同的安装方式，可得到二级刚度钢板弹簧和渐变刚度钢板弹簧。

当货车上采用纵置式钢板弹簧非独立悬架时，如果主钢板弹簧的上面叠加副钢板弹簧，二者用U形螺栓固定装到后桥上，其中，主簧上端的连接如前所述，副簧两端平直。如图1-23所示，便可得到二级刚度钢板弹簧。

图1-23 二级刚度的主、副钢板弹簧悬架

由图1-23可知，当汽车载荷不大时，其两端上表面与铆接在车架上的副簧托架之间存在空隙而不接触，故只有主簧起作用，副簧不起作用。当汽车重载或满载时，主簧变形大，副簧与托架接触，此时主、副簧同时工作，悬架刚度随之增大。

为了提高汽车的平顺性，有些轻型货车把副簧置于主簧下面，便形成渐变刚度的钢板弹簧，如图1-24所示。

由图1-24可知，渐变刚度钢板弹簧的主钢板弹簧1较薄，刚度小，挠度大，而副钢板弹簧2较厚，刚度大，挠度小。主、副钢板弹簧通过中心螺栓3叠加在一起，在两端主、副钢板弹簧之间有间隙。因此，当载荷小时，仅有主钢板弹簧起作用，而当载荷增大到一定程度时，副簧开始与主簧逐片接触，悬架刚度也随之平缓变化，从而改善了汽车行驶的平顺性。

图1-24 渐变刚度钢板弹簧后悬架

1—主钢板弹簧 2—副钢板弹簧 3—中心螺栓

1.4.3 扭杆弹簧

扭杆弹簧的英文名称为Torsion-Bar Spring，是利用钢棒的扭转特性来提供类似螺旋弹簧的性能，并靠扭转弹力来吸收振动能量。扭杆用合金弹簧钢做成，具有较高的弹性，既可扭曲变形又可复原，实际上起到与螺旋弹簧相同的作用，只不过表现形式不一样而已。从截断面上看，扭杆弹簧有圆形、管形、矩形、叠片及组合式等。其工作原理是：钢棒的一端锚固在车架上，另一端与一个A形控制臂相连。A形控制臂的作用就像一个垂直于扭杆移动的杠杆。当车轮遇到颠簸路面时，其垂直运动传递至A形控制臂，通过杠杆作用传递至扭杆，使扭杆被迫扭转变形，吸收冲击能量扭杆沿轴发生扭曲以提供弹力。当冲击力减弱时，杆的自然还原能力能迅速使它恢复到原来的位置，使车轮回到地面，避免车架受到颠簸。扭杆弹簧如图1-25所示。

扭杆弹簧能够储存较大的能量，比相等应力的螺旋弹簧和钢板弹簧大得多。杆越短越粗，刚度也越大。在20世纪的五六十年代，欧洲的汽车制造商普遍使用此系统，同样的还有美国的Packard和克莱斯勒公司。

图1-25 扭杆弹簧示意图

一般来讲，扭杆弹簧单位重量的储能较大，且占用的空间位置最小，易于布置，还可以适度调整车身的高度，所以不少乘用车悬架采用扭杆弹簧。厂家在制造扭杆弹簧时也施加了预应力，增大了疲劳强度。由于预应力是有方向的，所以，应该注意扭杆弹簧也是有方向的。扭杆弹簧标记有左边或右边，使用前应识别安装在哪一侧。

1.4.4 横向稳定杆及橡胶衬套

1.横向稳定杆

横向稳定杆 也叫防侧倾杆、横行稳定器，它是汽车悬架系统的一部分，与减振器或滑柱配合使用，以便为行驶的汽车提供附加稳定性，其结构如图1-26所示。

图1-26 车辆横向稳定杆

图1-27 横向稳定杆及橡胶衬套在悬架中的安装示意图

横向稳定杆是一个横跨整个车轴的金属杆，它连接在前轮前方的车架上，但要用橡胶衬套连接以使其可以旋转，两臂连接到两侧的前悬架梁上，将悬架的两侧有效地连接在一起。横向稳定杆及橡胶衬套在悬架中的安装，如图1-27所示。

当汽车左右轮分别通过不同路面凸起或坑洞时，也就是左右两轮的水平高度不相同时，会使横向稳定杆扭转而产生防倾阻力抑制车身侧倾。也就是说当左右两边的悬架上下同时动作时横向稳定杆就不会发生作用。只有在左右两边悬架因为路面起伏或转向过弯造成的动作不同步时，横向稳定杆才产生作用。横向稳定杆只有在起作用时才会使悬架变硬，不像硬的弹簧会全面地使悬架变硬。当汽车转弯时，弯道外侧的前悬架梁会向上推稳定杆的臂，从而对稳定杆施加转矩，转矩会使另一端的臂发生转动，导致车辆另一侧的悬架也发生压缩，这样可以使行驶更平稳，并减少了车辆的倾斜度，尤其是它能抵消转弯时悬架上的汽车的侧倾趋势。如果不安装稳定杆而完全依靠弹簧来减少车身的侧倾，那可能需要非常硬的弹簧，要用阻尼系数很高的减振器来抑制弹簧的弹跳，这样必然会造成乘坐舒适性变差、行经不平路面时循迹性不良的后遗症。但是如果配合适当的横向稳定杆，不但可以减少侧倾，而且还可以提高车辆的舒适性和循迹性。鉴于此，当今几乎所有汽车都将稳定杆作为标准配置。

横向稳定杆和弹簧所提供的防倾阻力是相辅相成的，而且防倾阻力是成对发生的，也就是说车头的防倾阻力和车尾的防倾阻力是伴随发生的。但是由于车身配重比例以及其他外力的作用，会使得前后的防倾阻力并不平衡，这样便会直接影响车身重量的转移和操控的平衡。如果后轮的防倾阻力太大，会造成转向过度；如果前轮的防倾阻力太大，则会造成转向不足。为了改善操控性，不仅可利用横向稳定杆来抵制车身侧倾，还可以用来控制车身倾阻力的前后分配比例。横向稳定杆的功能就是保持车身的良好平衡和限制过弯时的车身侧倾，以及改善轮胎的贴地性。因此，设计合适刚度的稳定杆，在不影响车辆转弯性能的情况下，不仅可降低车身侧倾度，也可改善车辆的舒适性。

横向稳定杆的软硬度是由制作的材质、杆身、杆径、杆臂的长度以及杆臂与杆身所形成的角度决定的。杆身越长，横向稳定杆就越软，但杆臂的角度和长度却是容易调整的。一般来说，横向稳定杆的材质大同小异，改变横向稳定杆的软硬度都是通过改变杆径来实现。另外，根据杠杆原理，改变悬架与横向稳定杆臂的连接点就可改变杆臂的力矩，可调式横向稳定杆就是从这里着手的。

2.橡胶衬套

横向稳定杆的刚度与安装稳定杆的橡胶衬套有很大关系。如果将固定横向稳定杆的橡胶衬套换成硬的材质，就会有意想不到的效果。在实际测试中，使用一支直径20mm的横向稳定杆配上硬质的橡胶衬套，和使用直径25mm的横向稳定杆配上软的橡胶衬套具有相同的效果。要计算所需横向稳定杆的软硬度是很复杂的，不但要考虑自身的软硬度，更要考虑与弹簧的搭配情况。因此，要升级和调校好一套优秀的横向稳定杆系统，除了进行合理优化设计外，还应该进行多次弯道行驶测试。