第二十一章 悬架 第一节 概述 第二节 减振器

第二十一章 悬架

第一节 概述

悬架是车架（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。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力），纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架（或承载式车身上），以保证汽车的正常行驶。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都有弹性元件1、减震器3和导向机构（纵、横向推力杆2、5）三部分组成（图21-1）。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，因此，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，尤其在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将很大，可能引起汽车机件的早期损坏，还将使驾驶员感到极不舒适，或使货物受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间作弹性连接。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动，持续的振动易使乘员感到不舒适或疲劳，故悬架还应当具有减震作用，使振动迅速衰减（振幅迅速减小）。为此，在许多机构形式的汽车悬架中都设有专门的减震器。

车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车的某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。

在多数轿车和客车上，为了防止车身再转弯行驶等情况下发生过大的倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件--横向稳定器。由此可见，汽车悬架的功能是缓冲，导向和减振，然而总的功能是传力。应当指出，悬架要具备上述功能，在结构上并非一定要设置满足上述各功能的单独的装置。例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，它本身还能起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而可不再另设导向机构。此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，本身具有一定的减震能力，在对减振要求不高的车辆上，也可以不装减振器。

由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量（承载质量）所决定的车身固有频率（亦称振动系统的自由振动频率），是影响汽车行驶平顺性的悬架重要性能指标之一。人体所习惯的垂直振动频率是步行是身体上下运动的频率，约为1-1。6Hz。车身固有频率应当尽可能的处于或接近这一频率范围。根据力学分析，如果将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的固有频率为

式中，ｇ为重力加速度；ｆ为悬架垂直变形（挠度）；Ｍ为悬架簧载质量；Ｃ（Ｃ＝Ｍｇ／ｆ）为悬架刚度（不一定等于弹性元件的刚度），它指使车轮中心相对于车架和车身向上移动的单位距离（即使悬架产生单位垂直压缩变形）所需要加于悬架上的垂直载荷。

由上式可见：

１） 在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度越小，则汽车固有频率越低。但悬架刚度越小，在一定载荷下悬架垂直变形就越大，即车轮上下跳动所需要的空间越大，这对于簧载质量大的货车，在结构上是难以保证的，故实际上货车的车身固有频率往往偏高，而大大超过了上述理想的频率范围。

２） 当悬架刚度一定时，簧载质量越大，则悬架垂直变形越大，而固有频率越低，故空车行驶时的车身固有频率要比满载行驶时的高。簧载质量变化范围越大，则频率变化范围也越大。

为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身固有频率保持不变或变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架刚度随之增加。

有些弹性元件本身的刚度就是可变的，如气体弹簧；有些悬架所用的弹性元件的刚度虽然是不变的，但是安装在悬架中之后，可是整个悬架具有可变的刚度，例如扭杆弹簧悬架。

汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。

非独立悬架（图２１－２ａ）。其结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥（或车身）连接。当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆

动，故称为非独立悬架。

独立悬架（图２１－２ｂ）。其结构特点是车桥做成断开的，每一侧的车轮可以单独的

通过弹性悬架与车架（或车身）连接，两侧车轮可以单独跳动，互不影响，故称为独立悬架。

第二节 减振器

为加速车架与车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器。减振器和弹性元件时并联安装的（图21-3）。

汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。液力减振器的作用原理是，当车架与车桥作往复相对运动而活塞在缸筒内往复移动时,减振器壳体内的油液反复地从内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔.此时孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力,车身和车架的振动能量转化为热能被油液和减振器壳体所吸收，然后散到大气中。减振器阻尼力的大小随车架和车桥（或车轮）相对速度的增减而增减，并且与油液的粘度有关。要求油液的粘度受温度变化影响尽可能小，且具有抗气化，抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。

减振器的阻尼力越大，振动消除得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还能导致减振器连接零件及车架损坏。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：

1）压缩行程（车桥与车架相互移近的行程）内，减振器阻尼力应较小，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（车桥与车架相互远离的行程）内，减振器的阻尼力应较大，以求迅速减振。

3）当车桥（或车轮）与车架的相对速度较大时，减振器应当能自动加大液流通道面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。

液力减振器按其结构形式不同，可分为筒式和摇臂式（在我国，这种减振器70年代就已被淘汰了）两种类型，按其作用方式不同，又可分为双向作用式和单向作用式减振器两种。

在压缩和伸张两行程内均能起作用的减振器，称为双向作用式减振器；另有一种仅在伸张行程内起作用，称为单向作用式减振器。目前，汽车上广泛采用双向作用式减振器。

一. 双向作用筒式减振器

双向作用筒式减振器一般都具有四个阀（图21-4），即压缩阀6，伸张阀4，流通阀8和补偿阀7。流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱，当阀上的油压作用力与弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不通液流；而当油压作用力与弹簧力反向时，只要有很小的油压，阀便能开启。压缩阀和伸张阀是卸载阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压升高到一定程度时，阀才能开启，而当油压降低到一定程度时，阀即自动关闭。

双向作用筒式减振器的工作原理可按图21-4，分为压缩和伸张两个行程加以说明。

（1）压缩行程。当汽车车轮滚上凸起和滚出凹坑时，车轮移近车架（车身），减振器受压缩，减振器活塞3下移。活塞下面的腔室（下腔）容积减小，油压升高，油液经流通阀8到活塞上面的腔室（上腔）。由于上腔被活塞杆占去一部分空间，上腔内增加的容积小于减小的容积，故还有一部分油液推开压缩阀6，流回贮油缸5。这些阀对油液的节流便造成对悬架压缩运动的阻尼力。

（2）伸张行程。当车轮滚进凹坑或滚离凸起时，车轮相对于车身移开，减振器受拉伸。此时减振器活塞向上移动。活塞上腔油压升高，流通阀8关闭。上腔内的油液便推开伸张阀 4流入下腔。同样，由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液还不足以充满下腔所增加的容积，下腔内产生一定的真空度，这是贮油缸中的油液便推开补偿阀7流入下腔进行补充。此时，这些阀的节流作用即造成对悬架伸张运动的阻尼力。

压缩阀的节流阻力应设计成随活塞运动速度而变化。例如，当车架或车身振动缓慢（即活塞向下运动速度低）时，油压不足以克服压缩阀弹簧的预紧力而推开阀门。此时，多余部分的油液经一些常通的缝隙（图上未画出）流回贮油腔。当车身振动剧烈，即活塞向下运动的速度高时，则活塞下腔油压剧增，达到能克服压缩阀弹簧的预紧力时，便推开压缩阀，使油液在很短的时间内通过较大的通道流回贮油缸。这样，油压和阻尼力都不致超过一定限度，以保证压缩行程中弹性元件的缓冲作用得到充分发挥。

同样，伸张行程中减振器的阻尼力也应设计成随活塞运动速度而变化。当车轮向下运动速度不大（即活塞向上的运动速度不大）时，油液经伸张阀的常通孔隙（图21-4上未画出）流入下腔，由于通道截面积很小，便产生较大的阻尼力，从而消耗了振动能量，使振动迅速衰减。当车身振动剧烈时，活塞上移速度增大到使油压足以克服伸张阀弹簧的预紧力时，伸张阀开启，通道截面积增大，使油压和阻尼力保持在一定限度以内。这样，可使减振器及悬架系统的某些零件不会因超载而损坏。

由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力比压缩阀的大，在同样的油压作用下，伸张阀及相应的常通缝隙的通道截面积总和小于压缩阀及相应的常通缝隙的通道截面积总和，这就保证了减振器在伸张行程内产生的阻尼力比压缩行程内产生的阻尼力大得多。

根据上述工作原理所设计的各种双向作用筒式减振器，其构造均大同小异。

图21-5所示为解放CA1091型汽车上所用的双向作用筒式减振器。它有三个同心钢筒：防尘罩21，贮油缸20和工作缸19。防尘罩与活塞杆和用以连接车架的上吊环26焊接在一起。工作缸装于贮油缸内，并用螺母27通过密封圈25和导向座22压紧。贮油缸的下端焊有用以连接车桥的下吊环10。在减振器工作时，这两个缸是作为一个整体一起随车桥而运动的。贮油缸与工作缸之间形成贮油腔，内装减振油液，但不装满，工作缸内则充满减振油液。活塞杆18穿过工作缸和贮油缸的密封装置而伸入工作缸内。在活塞杆的下端用压紧螺母9固定着活塞4。活塞的头部有内外两圈沿圆周均布的轴向通孔，外圈 10个孔的直径大于内圈10个空的直径。在活塞头部上端面上，有仅能盖住外圆通孔的流通阀3，用弹簧片2压紧，并由流通阀限位座1限位。在活塞头部下端面上均匀分布四个小槽，当伸张阀5被压紧时，便形成四个缺口，该缺口为常通的缝隙，在压缩或伸张行程中减振油液均可通过此缺口流动。在伸张阀与压紧螺母之间装有调整垫片8，用以调整伸张阀弹簧7的预紧力。在工作缸下端装有支承座圈11，座圈孔上端面有两个小缺口，与装在它上面的星形补偿阀15形成两个缝隙，作为工作腔和贮有腔之间的常通缝隙。补偿阀中央有孔，空中装有压缩阀杆16，阀杆上部钻有中心孔，且阀杆圆柱面上有两个圆孔与中心孔相通。在压缩阀杆上滑套着压缩阀14，不工作时，压缩阀在压缩弹簧13作用下，其上端面紧压在补偿阀15上，内部形成一锥形小空腔。此时，油液经阀杆上的中心孔及圆孔仅能流到锥形小空腔中，而与贮油腔隔绝。

座圈11上端在安装好以后翻边，将补偿阀弹簧片17紧压在阀杆16顶端边缘，成为不可拆的。

工作缸的上部装有密封装置和导向座。密封装置油橡胶密封圈25，橡胶油封28，油封盖29，油封垫圈30，油封弹簧24及贮油缸螺母27所组成。橡胶密封圈25用以密封工作缸的周缘，而橡胶油封28用以密封活塞杆。当活塞杆往复运动时，杆上的油液被密封件刮下，经导向座22上的径向小孔流回贮油缸。导向座22用来为活塞杆导向。

一汽红旗CA7220型，奥迪100型，捷达和桑塔纳轿车的前后悬架的双向作用筒式减振器的构造和工作原理，与上述减振器基本相同。

.二、新型减振器

1. 充气式减振器

充气式减振器是60年代以来发展起来的一种新型减振器。图21-6所示为一种轿车上用的充气式减振器。其结构特点是在缸筒的下部装有一个浮动活塞2，在浮动活塞与缸筒一端形成的密闭气室1中，充有高压（2-3Mpa）的氮气。在浮动活塞的上面是减振器油液。浮动活塞上装有大断面的O形密封圈3，它把油和气完全分开，故此活塞亦称封气活塞。工作活塞7上装有随其运动速度大小而改变通道截面积的压缩阀4和伸张阀8。此二阀均由一组厚度相同，直径不等，由大到小而排列的弹簧钢片组成。

当车轮上下跳动时，减振器的工作活塞在油液中作往复运动，使工作活塞的上腔和下腔之间产生油压差，压力油便推开压缩阀或伸张阀而来回流动。由于阀对压力油产生较大的阻尼力，使振动衰减。

由于活塞杆的进出而引起的缸筒容积的变化，则由浮动活塞的上下运动来补偿。因此，这种减振器不需贮液缸，所以亦称为单筒式减振器。前述双向作用筒式减振器又称为双筒式减振器。

2．阻力可调式减振器

试验研究证明，悬架系统中理想的阻力特性应该是随着使用因素（如道路条件，载荷）的变化而改变，即减振器的阻力应和悬架系统的参数有适当的匹配关系。当悬架系统的某一参数发生变化时，减振器的阻力也应随之而改变，从而保证悬架系统有良好的振动特性。

图21-7所示为某些高级轿车上采用的阻力可调式减振器示意图。

装有这种阻力可调式减振器的悬架系统采用了刚度可变的空气弹簧。其工作原理是，当汽车的载荷增加时，空气囊的气压升高，则气室2内的气压也随之升高，膜片向下移动与弹簧3产生的压力相平衡。与此同时，膜片带动与他相连的柱塞杆4和柱塞5下移，因而使得柱塞相对空心连杆1上的节流孔6的位置发生变化，结果减小了节流孔的通流截面积，也就是减少了节流孔的流量，从而增加了油液流动阻力。反之，当汽车载荷减小时，柱塞上移，增大了节流孔的通道截面积，从而减小了油液的流动阻力。因此，达到了随着汽车载荷的变化而改变减振器阻力的目的。这种阻力可调式减振器正在被日益重视，将有可能逐步推广应用到各种车辆上去。