汽车悬挂系统,汽车悬挂系统结构原理是什么?

汽车悬挂系统,汽车悬挂系统结构原理是什么?

不少车迷咨询有关汽车悬挂系统的问题。他们在看车买车过程中，经常在资料简介上见到诸如麦弗逊式、多连杆式、双连杆式、四连杆式、扭力梁式等多种前后悬挂系统，由于对机械知识了解较少，他们希望能够将常见的悬挂系统作简单介绍，并解释其优缺点。这里首先介绍一下独立悬挂系统与非独立悬挂系统。 

    简单来说，悬挂系统就是指由车身与轮胎间的弹簧和避震器组成的整个支持系统。悬挂系统应有的功能是支持车身，改善乘坐的感觉，不同的悬挂设置会使驾驶者有不同的驾驶感受。外表看似简单的悬挂系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。

    一般来说，汽车的悬挂系统分为非独立悬挂和独立悬挂两种，非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也相应跳动，使整个车身振动或倾斜；独立悬挂的车轴分成两段，每边车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮可以独立运动，提高了汽车的平稳性和舒适性。

    由于现代人对车子乘坐舒适性及操纵安全性的要求愈来愈高，所以非独立悬挂系统已渐渐被淘汰。而独立悬挂系统因其车轮触地性良好、乘坐舒适性及操纵安全性大幅提升、左右两轮可自由运动、轮胎与地面的自由度大、车辆操控性较好等优点目前被汽车厂家普遍采用。常见的独立悬挂系统有多连杆式悬挂系统、麦弗逊式悬挂系统、拖曳臂式悬挂系统等。 

概述
　　悬挂系统就是指由车身与轮胎间的弹簧和避震器组成整个支持系统。悬挂系统应有的功能是支持车身，改善乘坐的感觉，不同的悬挂设置会使驾驶者有不同的驾驶感受。外表看似简单的悬挂系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。　
　　悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
　　典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。

　　悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。　
　　汽车的悬挂系统分为非独立悬挂和独立悬挂两种，非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也相应跳动，使整个车身振动或倾斜；独立悬挂的车轴分成两段，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮可以独立运动，提高了汽车的平稳性和舒适性。
　　由于现代人对车子乘坐舒适性及操纵安定性的要求愈来愈高，所以非独立悬挂系统已渐渐被淘汰。而独立悬挂系统因其车轮触地性良好、乘坐舒适性及操纵安定性大幅提升、左右两轮可自由运动，轮胎与地面的自由度大，车辆操控性较好等优点目前被汽车厂家普遍采用。常见的独立悬挂系统有多连杆式悬挂系统、麦佛逊式悬挂系统、拖曳臂式悬挂系统等等。
悬架系统的分类
　　根据控制形式不同分为被动式悬架、主动式悬架。

　　根据汽车导向机构不同可分为独立悬架、非独立悬架。
非独立悬架
　　非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。
独立悬架

　　
　　独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。现代轿车大都是采用独立式悬架，按其结构形式的不同，独立悬架又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架等。
　　　　横臂式悬架

　　横臂式悬架是指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬架，按横臂数量的多少又分为双横臂式和单横臂式悬架。
　　单横臂式具有结构简单，侧倾中心高，有较强的抗侧倾能力的优点。但随着现代汽车速度的提高，侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化大，轮胎磨损加剧，而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大，导致后轮外倾增大，减少了后轮侧偏刚度，从而产生高速甩尾的严重工况。单横臂式独立悬架多应用在后悬架上，但由于不能适应高速行驶的要求，目前应用不多。
　　双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大(与单横臂式相类似)，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置、就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。目前不等长双横臂式悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构。
　　　多连杆式悬架

　　多连杆式悬架是由(3—5)根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬架。多连杆式能使车轮绕着与汽车纵轴线成二定角度的轴线内摆动，是横臂式和纵臂式的折衷方案，适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角，可不同程度地获得横臂式与纵臂式悬架的优点，能满足不同的使用性能要求。多连杆式悬架的主要优点是：车轮跳动时轮距和前束的变化很小，不管汽车是在驱动、制动状态都可以按司机的意图进行平稳地转向，其不足之处是汽车高速时有轴摆动现象。
　　　纵臂式悬架
　　纵臂式独立悬架是指车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架结构，又分为单纵臂式和双纵臂式两种形式。单纵臂式悬架当车轮上下跳动时会使主销后倾角产生较大的变化，因此单纵臂式悬架不用在转向轮上。双纵臂式悬架的两个摆臂一般做成等长的，形成一个平行四杆结构，这样，当车轮上下跳动时主销的后倾角保持不变。双纵臂式悬架多应用在转向轮上。
　　　烛式悬架

　　
　　烛式悬架的结构特点是车轮沿着刚性地固定在车架上的主销轴线上下移动。烛式悬架的优点是：当悬架变形时，主销的定位角不会发生变化，仅是轮距、轴距稍有变化，因此特别有利于汽车的转向操纵稳定和行驶稳定。但烛式悬架有一个大缺点：就是汽车行驶时的侧向力会全部由套在主销套筒的主销承受，致使套筒与主销间的摩擦阻力加大，磨损也较严重。烛式悬架现已应用不多。
　　　麦弗逊式悬架

　　
　　麦弗逊式悬架的车轮也是沿着主销滑动的悬架，但与烛式悬架不完全相同，它的主销是可以摆动的，麦弗逊式悬架是摆臂式与烛式悬架的结合。与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂，给发动机及转向系统的布置带来方便；与烛式悬架相比，它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善。麦弗逊式悬架多应用在中小型轿车的前悬架上，保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等轿车的前悬架均为麦弗逊式独立悬架。虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量最高的悬架结构，但它仍是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能力。
主动悬架
　　主动悬架是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬架。它汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。例如装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬架系统的中枢是一个微电脑，悬架上的5种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬架状态。同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动。因此，桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬架状态，以求最好的舒适性能。
　　主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。例如德国奔驰2000款Cl型跑车，当车辆拐弯时悬架传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度。电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。
弹性元件分类
　　(1)钢板弹簧：由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。安装好后两端自然向上弯曲。钢板弹簧除具有缓冲作用外，还有一定的减振作用，纵向布置时还具有导向传力的作用。非独立悬挂大多采用钢板弹簧做弹性元件，可省去导向装置和减振器，结构简单。　
　　(2)螺旋弹簧：只具备缓冲作用，多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减振和传力的功能，还必须设有专门的减振器和导向装置。　

　　(3)油气弹簧：以气体作为弹性介质，液体作为传力介质，它不但具有良好的缓冲能力，还具有减振作用，同时还可调节车架的高度，适用于重型车辆和大客车使用。
　　(4)扭杆弹簧：将用弹簧杆做成的扭杆一端固定于车架，另一端通过摆臂与车轮相连，利用车轮跳动时扭杆的扭转变形起到缓冲作用，适合于独立悬挂使用。
汽车悬挂系统弹簧的工作原理及改装方法
　　悬挂系统存在的意义有二：隔离路面的不平使行驶更舒适；行经不平路面时保持轮胎与路面接触。而改良悬挂对"飞车党"来说只有一个目的就是改善操控性。
　　
　　悬挂系统的弹簧以圈状弹簧最常用，原因是容易制作、性能效率高、价格低。弹簧在物理学上的定义就是储存能量，当我们施一固定的力於弹簧，它会产生变形，当我们移开施力则弹簧会有恢复原状的趋势，但弹簧在回弹时震汤的幅度往往会超过它原来的长度，直到有磨擦阻力的出现才会减缓弹簧回弹后造成的自由振荡，这减缓弹簧自由振荡的工作通常是避震器的任务。 一般的弹簧是所谓的（线性弹簧），也就是弹簧受力时它的压缩变形量是遵循物理学上的（虎克定律）：F=KX，其中F为施力，K为弹力系数，X则为变形量。举例来说有一线性弹簧受力40Kg时会造成1cm的压缩，之後每增加40Kg的施力1cm一定会增加的压缩量。事实上悬挂的弹簧还有其他的压力存在，即使弹簧完全伸展时弹簧仍会受到压力以便让弹簧本身固定在车上。 在传统弹簧、吸震筒式的悬挂设计上，弹簧扮演支持车身以及吸收不平路面和其它施力对轮胎所造成的冲击，而这里所谓的其它施力包含了加速、减速、刹车、转弯等所对弹簧造成的施力。更重要的是在震动的消除过程中要保持轮胎与路面的持续接触，维持车子的循迹性。而改善这轮胎与路面的接触是我们改善操控性的首要考虑。 弹簧的最主要功能就是维持车子的舒适性和保持轮胎完全与地面接触，用错了弹簧会造成行车品质和操控性都有负面的影响。试想如果弹簧是完全僵硬的，那悬挂系统也就发挥不了作用。遇到不平的路面时车子跳起，轮胎也会完全离开地面，若这种情况发生在加速、刹车或转弯时，车子将会失去循迹性。如果弹簧很软，则很容意出现（坐底）的情况，也就是将悬挂的行程用尽。假如在过弯时发生坐底情况则可视为弹簧的弹力系数变成无限大（已无压缩的空间），车身会产生立即的重量转移，造成循迹性的丧失。如果这部车有着很长的避震行程，那麽或许可以避免（坐底）的情况发生，但相对的车身也会变得很高，而很高的车身意味着很高的车身重心，车身重心的高低对操控表现有决定性的影响，所以太软的避震器会导致操控上的障碍。假如路面是绝对的平坦，那我们就不需要弹簧和悬挂系统了。如果路面的崎岖度较大那就需要比较软的弹簧才能确保轮胎与路面接触，同时弹簧的行程也必须增加。弹簧的硬度选择是要由路面的崎岖程度来决定，越崎岖要越软的弹簧，但要多软则是个关键的问题，通常这需要经验的累积，也是各车厂及各车队的重要课题。 一般说来软的弹簧可以提供较佳的舒适性以及行经较崎岖的路面时可保持比较好的循迹性。但是在行经一般路面时却会造成悬挂系统较大的上下摆动，影响操控。而在配备有良好空气动力学组件的车，软的弹簧在速度提高时会造成车高的变化，造成低速和高速时不同的操控特性。
　　　弹簧的改装
　　弹簧的改装主要是要改善操控性，也就是要改用较硬的弹簧或是较短的弹簧。弹簧控制了很多有关操控的因素，弹簧的改变会造成很复杂的操控特性改变。以硬度的增加来说，可提高悬挂的滚动抑制能力，减少过弯时车身的滚动。而车高的降低则可同时降低车身的重心，减少过弯时车身重量的转移，提高稳定性。而车高的降低也可兼顾美观的效果。
　　渐进式弹簧
　　弹簧两个主要的功用：一是作为悬挂系统或底盘与地面的缓冲，也就是维持舒适性，二是使车子在行经不平路面时保持轮胎的贴地性。要达成这两个相冲突的目标需要有不同的弹力系数。保持轮胎的贴地性对操控有决定性的影响我们需要硬的弹簧设定，来保持贴地性。在遇到越颠簸的路面我们需要越软的弹簧设定。要同时达成这两个目的，使用具有复合弹力系数的（非线性弹簧），也就是一般所谓的渐进式弹簧，式唯一可行的方法。 渐进式弹簧能随着弹簧的压缩而增加弹力系数，在设计和制造上都有相当的困难度。行经颠簸路面时，弹力系数就会增加维持车身稳定。而最初的弹力系数较软则用来提高行经颠簸路面时轮胎贴地性。渐渐变硬的弹簧可避免悬挂或弹簧出现坐底的情况。这能容许使用高度比原来低的弹簧，用以降低车身重心，并且在行经颠簸路面时维持最低而且最短悬挂行程，不致发生坐底的情况。 要达成渐进式弹簧就是要作出弹力系数会随这着受压缩而产生变化的非线性弹簧，因此目前的渐进是弹簧大多为采用不等螺距弹簧或圈径变化弹簧。不等螺距弹簧受压缩时会产生局部线间接触，以使有效圈数发生变化，进而造成弹力系数K的变化。经由弹簧上下圈径的变化则是改变弹力系数的最直接方法。
　　降低车身
　　改善操控最重要的方法就是降低车身重心，如此可以降低过弯时车身的重量转移和车身滚动，降低车身最简单的方法就是由弹簧着手。使用短弹簧是最简单也最快的方法。