汽车悬架结构与工作过程详解

1.汽车悬架的主要部件；

2.非独立悬挂；

3.独立悬挂；

4.电控悬架的结构与工作过程。

1.能够向客户讲解悬架的结构形式及其工作过程；

2.能够比较不同悬架系统的优缺点；

3.树立以客户为中心的理念，增强服务意识；

4.具有与客户沟通交流的能力；

5.具备信息搜集和处理的能力。

悬架是汽车行驶系的重要组成部分。它能够缓和衰减汽车在行驶中产生的冲击及振动，以保证汽车的正常行驶，它直接影响汽车的舒适性、操作稳定性等。你能够就某一车型向客户讲解悬架的结构与工作过程吗？

汽车行驶通过不平的坑洼路面时，都会产生不同程度的振动（晃动），对不同车辆而言，振动程度也会存在差异，这种差异反映的就是车辆悬架系统性能的差异。请你就某一型号车辆绘制一个悬架结构简图，讲解其工作过程，并能够对不同悬架系统进行比较，在学习小组或班级里进行交流汇报。

一、悬架的功用、组成与分类

1.悬架的功用

悬架的功用是把路面作用于车轮上的法向反力（支持力）、切向反力（牵引力和制动力）、侧向反力及这些反力所造成的力矩都传递到车架（或承载式车身）上，缓和并衰减汽车在行驶中产生的冲击及振动，以保证汽车的正常行驶。

2.悬架的组成

汽车的悬架如图9-22所示。一般是由弹性元件、减震器和导向机构三部分组成。在汽车行驶系统中，为了缓和冲击，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）之间做弹性连接。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动也会使乘员感到不舒适和疲劳，故悬架还应具有减振作用。为此，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。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。

图9-22　汽车悬架组成示意图

3.悬架的分类

汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类，如图9-23所示。非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连。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摆动，故称为非独立悬架。而独立悬架的结构特点是车桥做成断开的，两侧车轮可以单独地通过弹性悬架与车架（或车身）连接，单独跳动，互不影响，故称为独立悬架。

图9-23　非独立悬架与独立悬架示意图

（a）非独立悬架；（b）独立悬架

二、汽车悬架的主要部件

1.弹性元件

（1）钢板弹簧

钢板弹簧如图9-24所示，它是载货汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，是由若干片等宽但不等长的合金弹簧片组合而成的近似等强度的弹性梁。

图9-24　钢板弹簧

钢板弹簧的第一片（最长的一片）称为主片，其两端弯成卷耳，内装衬套，以便用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳做铰链连接。钢板弹簧的中部一般用U形螺栓固定在车桥上。

中心螺栓用于连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。中心螺栓距两端卷耳中心的距离可以相等，称为对称式钢板弹簧；也可以不相等，称为非对称式钢板弹簧。

钢板弹簧既起缓冲作用，又起导向作用。而且，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减振能力，所以，在一些货车中采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架中，可以不装减震器。

（2）螺旋弹簧

螺旋弹簧如图9-25所示，它广泛地应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架中。其优点是：无须润滑，不忌泥污；安置它所需的纵向空间不大；弹簧本身质量小。

图9-25　螺旋弹簧

（a）等螺距螺旋弹簧；（b）变螺距螺旋弹簧

螺旋弹簧本身没有减振作用，因此，在螺旋弹簧悬架中必须另装减震器。此外，螺旋弹簧只能承受垂直载荷，故必须装设导向机构，以传递垂直力以外的各种力和力矩。

螺旋弹簧用弹簧钢棒料卷制而成，可做成等螺距或变螺距。前者刚度不变，后者刚度是可变的。

（3）扭杆弹簧

扭杆弹簧本身是一根由弹簧钢制成的杆，如图9-26所示。扭杆断面通常为圆形，少数为矩形或管形。其两端形状可以做成花键、方形、六角形或带平面的圆柱形等，以便一端固定在车架上，另一端固定在悬架的摆臂上。摆臂则与车轮相连。当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线而摆动，使扭杆产生扭转弹性变形，借以保证车轮与车架的弹性联系。

图9-26　扭杆弹簧

扭杆弹簧单位质量的储能量是钢板弹簧的3倍，比螺旋弹簧的高。因此，采用扭杆弹簧的悬架质量较小，结构比较简单，也不需要润滑，并且通过调整扭杆弹簧固定端的安装角度，易实现车身高度的自动调节。左、右扭杆弹簧不能互换，为此，左、右扭杆刻有不同的标记。

（4）气体弹簧

气体弹簧是在一个密封的容器中充入压缩气体（气压为0.5～1.Pa），利用气体的可压缩性实现其弹簧作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩，气压升高，则弹簧的刚度增大；反之，载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故它具有较理想的弹性特性。(www.xing528.com)

气体弹簧有空气弹簧和油气弹簧两种。

①空气弹簧。空气弹簧又有囊式和膜式之分。图9-27（a）、（b）所示为囊式空气弹簧，它由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气所组成。气囊的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊一般做成两节，但也有单节或3、4节的。节数越多，弹性越好。节与节之间围有钢质的腰环，使中间部分不致有径向扩张，并防止两节之间相互摩擦。气囊的上、下盖板将气囊密闭。

图9-27　空气弹簧

（a）、（b）囊式空气弹簧；（c）、（d）膜式空气弹簧

膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成。与囊式的相比，其弹性特性曲线比较理想，因其刚度较囊式小，车身自然振动频率较低；并且尺寸较小，在车上便于布置，故多用在轿车上。

②油气弹簧。一般由气体弹簧和相当于液力减震器的液压缸组成。气体作为弹性介质，油液作为传力介质。油气弹簧具有刚度可变的特性。

2.减震器

在大多数汽车的悬架系统内部都装有减震器，它和弹性元件是并联安装的，如图9-28所示。作用是加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性。

图9-28　减震器和弹性元件的安装示意

汽车中广泛使用液压减震器，其基本原理如图9-29所示。当车架与车桥做往复相对运动时，减震器中的油液反复经过活塞上的阀孔，由于阀孔的节流作用及油液分子间的内摩擦力，便形成了衰减振动的阻尼力，使振动的能量转变为热能，并由油液和减震器壳体吸收，然后散到大气中。

图9-29　液压减震器的基本原理

（a）伸张行程；（b）压缩行程

阀门越大，阻尼力越小，反之亦然；相对运动速度越大，阻尼力越大，反之亦然。

阻尼力越大，振动的衰减越快，但悬架弹性元件的缓冲效果不能发挥，乘坐也不舒适，因此，弹性元件的刚度与减震器的阻尼力要合理搭配，才能保证乘坐舒适性和操纵稳定性的要求。

汽车上应用最广泛的是双向作用筒式减震器。

（1）双向作用筒式减震器结构

双向作用筒式减震器的基本组成如图9-30所示，它有三个同心钢筒，外面的钢筒是防尘罩，其上部的吊耳与车架相连。中间是储油缸筒，内装有一定量的油液，其下端的吊耳与车桥相连。里面是工作缸筒，其内装满油液。它还有四个阀，即压缩阀、伸张阀、流通阀和补偿阀。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弹力同向时，阀处于关闭状态，完全不通油液；而当油压作用力与弹簧弹力反向时，只要很小的油压，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，只有当油压增高到一定程度时，阀才能开启；而当油压降低到一定程度时，阀即自行关闭。

图9-30　双向作用筒式减震器基本组成

（2）双向作用筒式减震器工作原理

双向作用筒式减震器的工作原理可用压缩和伸张两个行程加以说明。

①压缩行程。当车桥移近车架（或车身）时，减震器受压缩，活塞下移，使其下方腔室容积减小，油压升高，具有一定压力的油液顶开流通阀进入活塞上方腔室。由于活塞杆占去上腔室的部分容积，使上腔室增加的容积小于下腔室减小的容积，因此，还有一部分油液不能进入上腔室而只能压开压缩阀，流回储油缸筒。油液流经上述阀孔时，受到一定的节流阻力，为克服这种阻力而消耗了振动能量，因而使振动衰减。

②伸张行程。当车桥相对远离车架（或车身）时，减震器受拉伸，活塞上移，使其上腔室油压升高，上腔室的油液便推开伸张阀流入下腔室。同样，由于活塞杆的存在，上腔室减小的容积小于下腔室增加的容积，因而从上腔室流出来的油液不足以充满下腔室所增加的容积，使下腔室产生一定的真空度，这时储油缸筒中的油液在真空度作用下推开补偿阀流进下腔室进行补充。

从上面的原理可以得知，这种减震器在压缩、伸张两个行程都能起减振作用，因此称为双向作用减震器。

三、电控悬架的结构与工作过程

传统悬架的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，根据这些参数设计的悬架结构，在汽车行驶过程中，是无法进行调节的，使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性受到一定影响，故称传统悬架为被动悬架。而现代汽车采用的电控悬架的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶条件进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态。电控悬架包括主动悬架和半主动悬架两大类。

1.主动悬架

主动悬架就是根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼力，使其处于最佳减振状态。它是在被动悬架系统（弹性元件、减震器、导向装置）中附加一个可控制作用力的装置。它通常是由执行机构、测量系统、控制系统和能源系统四部分组成，如图9-31所示。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器（液压缸、油气室、伺服电动机、电磁铁等）。测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机ECU。能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

图9-31　电控主动悬架

图9-32所示是三菱GALANT轿车上装备的电控空气主动悬架系统（A-ECS）。它能够根据本身的负载情况、行驶状态和路面情况等，主动地调节包括悬架系统的阻尼力、汽车车身高度和行驶姿态、弹性元件的刚度在内的多项参数，使汽车的相关性能处于最佳状态。

图9-32　三菱电控空气主动悬架系统

1—前储气筒；2—回油泵继电器；3—空气压缩机继电器；4—电磁阀；5—ECS电源继电器；6—加速度计开关；7—节气门位置传感器；8—制动灯开关；9—车速传感器；10—转角传感器；11—右后车门开关；12—后电磁阀总成；13—电子控制单元ECU；14—阻尼力转换执行器；15—左后车门开关；16—后储气筒；17—后高度传感器；18—左前车门开关；19—ECS开关；20—阻尼力转换执行器（步进电动机型）；21—加速度计位置；22—空气压缩机总成；23—G传感器（横向加速度传感器）；24—前高度传感器；25—系统禁止开关；26—空气干燥器；27—流量控制电磁阀总成。

2.半主动悬架

半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减震器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，并且结构简单，能量损耗小，成本低，故有较好的应用前景。

丰田雷克萨斯LS400轿车的电控悬架系统是一种典型的半主动悬架系统，如图9-33所示。它可以对车身高度、弹簧刚度及减震器阻尼力进行综合控制，因此具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。它由空气压缩机、干燥器、排气电磁阀、高度控制阀、高度控制开关、悬架电控单元、悬架控制开关、高度传感器、转向盘转角传感器、悬架控制执行器、空气弹簧、阻尼力可调减震器和节气门位置传感器等组成。

图9-33　丰田雷克萨斯LS400轿车电控悬架系统主要部件

1—1号高度控制继电器；2—发电机调节器；3—干燥器及排气阀；4—悬架高度调节空气压缩机；5—1号高度控制阀；6—主节气门位置传感器；7—门灯开关；8—悬架控制ECU；9—2号高度控制继电器；10—后悬架高度调节执行器；11—高度调节信号接口；12—车高调节控制开关；13—2号高度控制阀及止回阀；14—后悬架高度传感器；15—LRC开关；16—悬架高度调节开关；17—转向盘角度传感器；18—停车灯开关；19—前悬架高度调节执行器；20—前悬架高度传感器。

随堂测试

1.悬架的作用是把路面作用于车轮上的法向反力（支持力）、切向反力（牵引力和制动力）、侧向反力及这些反力所造成的力矩都传递到________上，缓和并衰减汽车在行驶中产生的________，以保证汽车的正常行驶。

2.悬架一般由________、________和________三部分组成。

3.汽车悬架可分为________悬架和________悬架两大类。独立悬架的结构特点是________做成断开的，两侧车轮可以单独地通过弹性悬架与车架（或车身）连接，单独跳动，互不影响。

4.汽车采用的电控悬架的________和________特性能根据汽车的行驶条件进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态。电控悬架包括________悬架和________悬架两大类。

任务实施

任务工单