论文部分内容阅读
悬架的基本功能与发展趋势
汽车的悬架装置是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称,主要由弹簧、减振器和导向机构三部分组成。由于悬架装置实现了车体和车轮之间的弹性支撑,有效地抑制、降低了车体与车轮的动载和振动,从而保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性,达到提高平均行驶速度的目的。目前汽车上的主导装备产品仍然是加工容易、成本低,由螺旋弹簧和液压筒式减振器所组成的普通悬架(从动悬架)。
现代轿车除了行驶性、转向性和制动性的基本性能以外,还致力于提高安全性与舒适性,向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。因此,作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。
随着汽车工程技术的进步,决定乘坐舒适性和操纵稳定性的汽车悬架技术得到了广泛重视和深入研究,在汽车工业领域中主动悬架受到日益广泛的重视,已成为悬架技术发展的重要趋势。
悬架系统的种类与结构特点
舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关,而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以,汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时,汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间连接的传力机件,又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此,轿车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表,作为衡量轿车质量的指标之一。
现代轿车的悬架有两种,一种是从动悬架,另一种是主动悬架。从动悬架即传统式的悬架,是由弹簧、减振器(减振筒)、导向机构等组成,它的功能是减弱路面传给车身的冲击力,衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用,减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的,所以称为从动悬架。而主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置,采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架能够自行产生作用力,因此称为主动悬架。
轿车悬架包括弹性元件,减振器和传力装置等三部分,这三部分分别起缓冲、减振和力的传递作用。从轿车上来讲,弹性元件多指螺旋弹簧,它只承受垂直载荷,缓和及抑制不平路面对车体的冲击,具有占用空间小、质量小、无需润滑的优点,但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器指液力减振器,是为了加速衰减车身的振动,它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件,用来传递纵向力、侧向力及力矩,并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。
轿车悬架分为非独立悬架和独立悬架两种。非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端,当一边车轮跳动时,影响另一侧车轮也作相应的跳动,使整个车身振动或倾斜,平稳性和舒适性较差,但由于构造简单,承载力大,目前仍有部分轿车的后悬架采用这种形式。独立悬架的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面,当一边车轮发生跳动时,另一边车轮不受波及,平稳性和舒适性较好。但这种悬架构造复杂,承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架,并已成为一种发展趋势。
独立悬架的结构有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种。麦弗逊式悬架的特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化。其构造简单、布置紧凑、前轮定位变化小、具有良好的行驶稳定性。目前轿车中使用最多的就是麦弗逊式独立悬架。
汽车悬架系统功能与工作原理
现代轿车的悬架都有减振器。当轿车在不平坦的道路上行驶时,车身会发生振动,减振器能迅速衰减车身的振动,利用本身油液流动的阻力来消耗振动的能量。人们为了更好地实现轿车的平稳性和安全性,将阻尼系数不固定在某一数值上,而是随轿车的运行而变化,使悬架性能总是处在最优状态。因此,有些轿车的减振器是可调式的,将阻尼分成两级或三级,根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级。
在现代轿车悬架上,麦弗逊式及烛式悬架都将螺旋弹簧和减振器组合在一起。因为乘坐的舒适性有赖于对冲击的缓冲和对冲击产生振动的消减两个方面,缺一不可。只有缓冲没有消振只能暂时缓和冲击力的影响而不能最终使它消失;只有对振动的消减而没有缓冲则不能有效地避免冲击所造成的破坏。如果单独使用弹簧而没有消振元件,汽车就会像杂技演员跳“蹦蹦床”一样,受到一次冲击后连续不断地上下振动。如果单独使用减振器而没有缓冲元件,地面的冲击力将直接加在车身上,使乘员不堪忍受。因此,螺旋弹簧与减振器组合使用是一种力学上的巧妙结合。充分利用二者的特点,能够即时缓冲地面的冲击,并在螺旋弹簧几个来回过程中拖动减振器活塞,驱动油液把大部分振动能量吸收掉,使得汽车迅速平稳下来。
为了提高轿车的舒适性,现代轿车悬架的垂直刚度值设计得较低,用通俗话来讲就是很“软”,这样虽然乘坐舒适了,但轿车在转弯时,由于离心力的作用会产生较大的车身倾斜角,直接影响到操纵的稳定性。为了改善这一状态,许多轿车的前后悬架增添横向稳定杆,当车身倾斜时,两侧悬架变形不等,横向稳定杆就会起到类似杠杆作用,使左右两边的弹簧变形接近一致,以减少车身的倾斜和振动,提高轿车行驶的稳定性。
电子控制悬架系统的新技术
随着人类生活水平的提高,人们对汽车舒适性的要求也越来越高,传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车载荷、行驶速度以及路面状况等条件的变化而自动调节。随着电子技术的飞速发展,车用微机、各种传感器、执行元件的可靠性和寿命都大幅度提高,为了满足人们对汽车舒适性的要求,各汽车公司相继研发了提高汽车舒适性的电子控制系统,电子控制技术被有效应用于悬架系统中。
电子控制悬架系统由传感器、控制开关、电控单元和执行器组成。传感器和控制开关向电控单元输入信号,电控单元接到信号后,向执行元件发出控制指令,执行元件产生一定的机械动作,从而改变车身高度、空气弹簧的刚度和减震器的阻尼。目前采用的电子控制悬架系统主要有以下几种类型:电子控制变高度悬架系统;电子控制变刚度空气弹簧悬架系统;电子控制变阻尼减振器悬架系统;电子控制变刚度空气弹簧与变阻尼减振器悬架系统;电子控制变高度变刚度空气弹簧和变阻尼减振器悬架系统。
车身高度控制系统的主要功用是当车内乘员或载荷变化时,自动调节车身高度,使汽车行驶稳定,提高乘坐舒适性。车身高度控制系统分为两大类型,一类是仅对两个后轮悬架进行控制;另一类是对全部四个车轮悬架进行高度控制。两种类型的控制原理基本相同。最早也是最简单的微机控制悬架系统采用了空气弹簧进行控制。福特公司早期采用的电子控制变高度悬架系统,主要由高度传感器、电控单元、空气压缩机、空气压缩机驱动电机、空气压缩机继电器、空气干燥器、空气排气电磁阀、空气软管、后轮空气减振器等组成。
汽车悬架系统的发展新秀
随着电子技术的飞速发展,研制成功应用电子控制的车高调整装置。车高调整装置分为油压式与空压式二大类。一般采用价格便宜、结构简单的空压式车高调整装置。
车高调整控制系统的功能是:消除因乘员人数或装载量的变化而引起的车身高度变化(车身下倾),适当保持悬架的定位和行程,防止行驶稳定性和乘坐舒适性的恶化。在车辆高速行驶时不受空气作用力的影响。
近些年新投放市场的部分轿车车型悬架有:
丰田Raum前悬架为压杆式,后悬架前驱车款为扭力臂杆式,四驱车款则采用附带后摆臂的连杆式;Sienta前悬架采用了威驰系列的压杆式,后悬架则由于车身重量的增加而直接沿用了高级车花冠Spacio的扭力臂杆式;RX330选装包括空气悬架,配备后,除了在高速行驶时最大可将车身高度降低15mm之外,一旦关闭点火开关,车身高度就会降低30mm,方便乘员上下车;Avensis为双叉骨式后悬架;皇冠前、后悬架分别为双叉骨式及多连杆式,采用单管减振器,改善了衰减力的反应性能,并通过增加采用铝合金材料的部位,减轻了簧下重量。
大众奥迪A3前悬架采用麦弗逊支柱式,后悬架则采用新开发的具有四根连杆的多连杆式;高尔夫Ⅴ悬架系统与A3同样采用最新开发的多连杆方式,减振器、车簧和平衡器的规格不同于A3。
奔驰CLK320敞篷车前悬架为由两根横向配置的麦弗逊臂杆式,后悬架为多连杆式。
本田奥德赛后悬架采用双叉骨式。
雪铁龙概念车C-Airlounge悬架减振系统采用该公司的油压系统“Hydractive3”。
福特Freestar前悬架采用麦弗逊臂杆式,后悬架采用扭力臂杆式;福特概念车雷鸟SH采用“KW Coilover”悬架减振系统,可防止前轮切角及后轮间隙损坏。
通用中型皮卡H3T后悬架减振系统为多连杆式小型SUVE quinox,前悬架及后悬架分别采用麦弗逊臂杆式和独立四连杆式;雪佛兰Aveo前悬架采用麦弗逊臂杆式,后悬架采用扭杆式。
日产无限QX56悬架减振系统前、后均为双叉骨式,标准配备全车空气悬架系统,可调整后部车高;无限概念车Triant四轮均采用多连杆方式;March前悬架为压杆式,但由于采用了带防振绝缘体的副车架,因而提高了整车的安静性,后悬架五连杆式改为扭杆式,从而实现了小型化。
三菱Eclipse Spyder前、后分别为麦弗逊臂杆式及多连杆式;小型车i前、后悬架分别采用麦弗逊臂杆式及扭力臂杆式;概念车SE-RO悬架减震系统前、后分别为麦弗逊臂杆及De Dion Axle式;Grandis前、后悬架分别采用麦弗逊支柱式及半拖曳臂式。
马自达AxelaA前、后悬架减振系统分别采用麦弗逊臂杆式及多连杆式;Roadster改进款前、后悬架分别为双叉骨式及多连杆式;概念跑车Kusabi前、后悬架分别采用麦弗逊臂杆式及扭力臂杆式;鹫羽悬架减振系统前、后分别为双叉骨式及多连杆式;RX-8混合动力款前悬架为双叉骨式,后悬架为多连杆式。
欧宝雅特配备了附带持续减震控制的悬架减振系统“IDSP lus”,只需一键操作即可将减振器特性切换到运动模式。
美洲豹XJ悬架减振系统为全轮双叉骨式,前后均配有钢制副车架。该车全部车型在所有车轮上均采用了空气悬架。
阿尔法·罗密欧概念车Kamal前后均采用双叉骨式。在超过一定车速时,通过可调节车高的气压式悬架减振系统可自动降低车高。
起亚Opirus前、后悬架分别为双叉骨式及多连杆式的悬架减振系统。
从外表上看似简单的悬架,包含着多种力的合作,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。随着汽车结构和功能的不断改进和完善,研究汽车振动,设计新型悬架电控系统,将振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的重要措施。目前,汽车悬架系统已进入到利用电子控制器进行控制的时代。运用较优的控制方法,得到高性能的减振效果,并使能耗尽可能的低,是汽车悬架系统发展的主要方向。