悬架技术亮点：奔驰/宝马/大众/奥迪车系剖析与案例集

1.车辆悬架简介

当车辆运动时，外部作用力与冲击会使车辆沿三维空间轴的方向（横轴、纵轴和垂直轴）产生运动与振动。减振的目标是在悬架系统与减振系统之间获得良好的平衡，从而将这些力对驾驶舒适性、驾驶安全性和操纵安全性的影响降到最低。

悬架系统与减振系统有着本质的不同。这两个系统的作用都是要吸收和降低所产生的作用力，并尽可能消除这些力对车身的影响。

驾驶安全性：它们都用以保持车辆与地面的接触，这对于转向与制动都是十分重要的。

驾驶舒适性：乘员不会感觉到有害的或不舒服的振动，并且让货物保持完好。

操纵安全性：保护车身与各个总成不会受到较大的冲击与振动载荷。

机动车辆上的振动类型（图7-43）：在车辆行驶中，除了车辆的向上与向下运动外，还会发生围绕或沿车辆三维空间轴方向（横轴、纵轴和垂直轴）的振动。通常用以下术语来描述机动车辆的振动。

振动：轮胎、悬架元件、车身与座椅构成了一个可以振动的系统，当一个外力（例如路面撞击）作用在该系统上时，该系统会相对其静止位置来回振动。这些振动会在内部摩擦力的作用下逐渐消失。这些振动由其振幅和频率所限定。在进行底盘设计时，车身固有频率具有特别重要的意义。当车身固有频率小于1Hz时会引起晕车的感觉，这取决于个人的体质。频率高于1.5Hz将使驾驶舒适性下降，频率高于5Hz（赫兹）会使人感到振动。车身固有频率基本上由弹簧刚度与簧上质量来决定。

2.悬架系统

轮胎、弹簧与座椅及坐垫共同组成车辆的悬架系统。弹簧减振器元件是该系统关键部件，连接在车轮悬架与车身之间。

悬架元件包括（图7-44）：钢制弹簧（钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧）、空气弹簧（气囊弹簧与波纹管弹簧）、液压气动弹簧（活塞与膜片式液力储压器）、橡胶弹簧、抗侧倾稳定杆或者上述元件的组合。

在汽车上，分簧下质量（车轮、制动器、主减速器轴、车轮轴承与车轮轴承壳体）与簧上质量（车身、悬架与传动系统零件）。车辆优化的总体目标是将簧下质量保持在最小。这样可将对车身振动特性的干扰降到最小，并改善悬架响应（和驾驶舒适性）。

通过采用以下部件减小了簧下质量：轻合金悬架零件、轻合金制动钳、轻合金中空辐条车轮与重量优化后的轮胎。

图7-43　机动车辆上的振动类型

图7-44　悬架系统部件结构

弹簧特性：在弹簧压力机中，逐渐加大对弹簧的作用力，画出弹簧行程相对作用力的变化，这样就得到了弹簧的特性曲线。通过计算力的变化与行程变化之比就可得到弹簧刚度。“硬”弹簧的特性曲线比“软”弹簧陡。若在整个弹簧行程上弹簧刚度不变，那么此弹簧具有线性特性。若在整个弹簧行程上弹簧刚度逐渐增大，那么此弹簧具有“渐进”特性。

螺旋弹簧的特性可能会受到以下因素影响（图7-45）：弹簧直径、弹簧钢丝直径与弹簧的绕圈数。

具有渐进特性的弹簧特点为（图7-45）：不均匀的螺距（1），锥形的绕圈外形（2），锥形的钢丝直径（3）与几个悬架元件的组合。

图7-45　弹簧特性与特点示例图

弹簧行程：对于不带水平高度调节系统的车辆，其所需的弹簧行程（stot）等于车辆满载弹簧压缩距离，减去空载弹簧压缩距离所得的静态弹簧行程（sstat），加上动态弹簧行程（sdyn）。静态弹簧行程（sstat）就是车辆静态时在有效载荷作用下弹簧被压缩的距离。它等于车辆满载时的静态压缩量sstat（满载）与车辆空载时的静态压缩量sstat（空载）之差。当弹簧特性曲线比较平坦（软弹簧）时，这个差值就是满载与空载之间下的静态压缩量，比较大。当弹簧特性曲线斜度较陡（硬弹簧）时，这个静态压缩量就较小。

定义：空载位置就是可使用的汽车（包括满箱燃油、工具箱与备胎，但不包括驾驶人）的车轮静立在地面上时的弹簧压缩量。设计位置就是车辆空载且乘坐三名体重为68kg乘员后的位置。控制位置就是空气悬架的水平高度调节系统所保持的车辆位置，而不管有效载荷为多少。

3.空气悬架

空气悬架是一种高度可调的汽车悬架系统，而且可以与可控的减振器系统联合使用。它是一种相对较为容易实现的水平高度调节系统空气悬架。水平高度调节系统可以将车身保持在恒定高度（控制位置=车轮中心与翼子板下沿之间的恒定距离），即预定义的离地间隙。通过调节作用在空气弹簧上的压力，以及改变空气弹簧支柱中的空气量，就可进行车辆的高度调节。静态压缩量总是设定为sstat=0，而不管有效载荷为多少。

水平高度调节系统的优点有：车辆可以轻松地调整高度，车辆的静态高度保持不变，不管有效载荷为多少，降低轮胎磨损，风阻系数CD不受有效载荷的影响，在所有载荷情况下保持最大回弹行程与压缩行程，保持最大离地间隙（即使在最大有效载荷下）以及前束与前轮外倾不随有效载荷的变化而变化。

该完全承载式、高度可调的空气悬架除了具有上述基本优点外，还可以设置三个不同的车辆高度（“完全承载”是指所有车轮上只用空气弹簧作为支承负荷的弹簧元件。在组合式悬架系统中采用了液压或气动控制的钢制杆架与空气支柱组合，所以也叫做“部分承载”）。

辉腾可实现三个高度的调整：正常悬架位置，高悬架位置，用于路面状况较差或者不平路面，以及低悬架位置，在高速公路行驶时自动设置。

图7-46　空气弹簧特性示意图

空气弹簧特性（图7-46）：弹簧力/弹簧刚度，空气弹簧的弹簧力F（承载力）由它的几何尺寸（有效圆面积A_w）与作用在空气弹簧上的压强p确定。空气弹簧气囊的有效直径由气囊最低点的直径决定。因为在A_w计算公式中有效直径d_w进行平方计算，所以此直径很小的变化就会使圆面积产生较大变化，同样也会使空气弹簧的承载力发生较大变化。(www.xing528.com)

图7-47　空气弹簧弹簧力特性示意图

只要改变空气弹簧中的有效内部压力p，就可以使弹簧的承载力适应负荷的变化。不同的压力（取决于有效载荷）会导致不同的弹簧特性曲线或弹簧刚度。弹簧刚度和车身总重量不是正比例变化关系（图7-47）。

车身的固有频率是影响操纵性能的关键因素，它几乎保持不变。弹簧压缩改变了空气弹簧气囊的有效直径（d_w从d_w1变化到d_w2），因为它向下压在起伏的活塞上。图7-48中的示例显示了起伏活塞轮廓线对有效直径d_w的作用效果。

图7-48　起伏活塞轮廓线对有效直径d_w的作用效果

大体上，圆柱形活塞空气弹簧的弹簧特性是渐进的。其弹簧特性曲线是陡峭还是平坦由空气弹簧体积决定。弹簧中的空气体积受到动态压缩。假定悬架压缩行程是不变的，小空气弹簧体积系统中的压力上升速度要比大体积系统的速度快得多。大体积的空气弹簧产生平坦的弹簧特性曲线（软弹簧）。小体积的空气弹簧产生陡峭的弹簧特性曲线（硬弹簧）。此特性曲线会受到起伏活塞轮廓的影响。更改起伏活塞轮廓就改变了空气弹簧的有效直径，同时改变了承载力（弹簧力）。

根据具体应用，通过调整以下参数，可以对空气弹簧进行调整。（有效面积A_w的大小，空气弹簧体积（空气量）的大小与起伏活塞的外轮廓）。

空气弹簧的设计（图7-49）：有两种不同类型的空气弹簧（“部分承载”式与“完全承载”式）。在部分承载式的空气弹簧中，钢制杆架与气体支柱共同产生空气弹簧的承载力。在辉腾使用的空气悬架为完全承载式空气弹簧。只有当空气弹簧作为承载弹簧元件时，空气弹簧才是完全承载式空气弹簧。

该空气弹簧主要包括以下部件（图7-50）：带有外部导套的上部壳体，空气弹簧气囊，起伏活塞（下部壳体），一个辅助储压器（在需要时才用），以及一个集成的减振器。

外部导套金属套吸收周围作用力，有这种金属套的空气弹簧称为“外部导向”空气弹簧。与之相对，不使用这种金属套的空气弹簧就叫做“无导向”空气弹簧。

气囊：空气弹簧气囊由专用高质量多层人造橡胶材料制成，其中内嵌有尼龙线织网作为加强材料。加强材料吸收空气弹簧中产生的力。里面的覆盖层是专门设计的气密层。各个层经过特殊组合后可使空气弹簧气囊具有良好的起伏特性，并且准确地响应悬架动作。在-35℃到+90℃的温度范围内，这些材料可以抵抗所有外界影响。

减振器：减振器的作用是尽可能快地降低车体与车轮的振动能量，并将振动能量转化为热能。若没有减振器，传到车辆上的振动将逐渐“累积”，直至车轮失去与地面的接触。这样，车辆将失去操纵性。

图7-49　弹簧特性

图7-50　带有外部导套的空气弹簧支柱（完全承载）

图7-51　单管式气压减振器

图7-52　双管式气压减振器的示意图

减振器有几种不同类型（单管式气压减振器、双管式气压减振器）。

单管式气压减振器（图7-51）：在这种减振器中，工作油腔与储油腔位于一个缸体（单管减振器）中。由于温度影响以及弹簧受压时活塞杆的推入会改变油的体积，油体积的变化量等于受压气垫（大约25～30bar）中的气体变化量。压缩与拉伸阶段的减振阀都集成在活塞中。

双管式气压减振器（图7-52）：该种减振器已经成为标准的减振器。正如它的名称那样，它由两个安装在一起的管组成（双管减振器）。内管作为工作油室。其中完全充满了液压油。活塞连同活塞阀和活塞杆一起在工作油室中上下运动。工作油室的底部由底板和底阀构成。外管与内管之间是储油腔。它只装着一部分油。在加油嘴上有一气垫。储油腔中的油量等于工作油室中油量的变化量。在活塞和工作油室底部的两个减振阀的作用下，振动得到衰减。这两个阀由弹簧垫圈、螺旋弹簧和带有节流孔阀体的一套系统组成。在下压时（压缩阶段），减振作用主要靠底阀完成，部分由活塞的流动阻力作用完成。在回弹时（拉伸阶段），减振作用由活塞阀独自完成。此阀对向下流的油会产生一个规定大小的阻力。

减振器调节（图7-53）：对于减振，压缩阶段（下压）减振与拉伸阶段（回弹）减振有所不同。压缩阶段的减振力小于拉伸阶段的减振力。这样，由于路面不平而引起的振动只有较少部分传递给车辆。由于减振器的调节是固定的，所以驾驶舒适性与驾驶安全性有着密切的关系。连续控制的可调节式减振器安装在豪华型车辆上。该控制单元在大约几毫秒间就可判断出哪个车轮要减振以及需要多大的减振程度。减振程度说明了减振的快慢程度。这取决于减振器的减振力和簧上质量的大小。增大簧上质量会降低减振程度，即慢速减振。减小簧上质量则增大减振程度。

图7-53　减振器调节

减振力：可用测量仪器判定减振器的减振力大小。该仪器产生不同的发动机转速，在保持恒定的行程下就会产生不同的减振器回弹与下压频率。用这种方法测定的值可以用力-速度关系图（F-v图）表达（如图7-54）。

图7-54　代表特性曲线的F-v图