麦弗逊式独立悬架及其应用

悬架根据导向机构不同可分为非独立悬架和独立悬架两大类,如图12-11所示。

图12-11　悬架的类型

(a)非独立悬架;(b)独立悬架

(一)独立悬架

独立悬架的特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接[图12-11(b)],因而具有以下优点:

(1)在悬架弹性元件一定的变形范围内,两侧车轮可以单独运动而互不影响,可以减少汽车在不平路面上行驶的振动,而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。

(2)减少了汽车非簧载质量(即不由弹簧支承的质量)。在道路条件和车速相同时,非簧载质量愈小,则悬架所受到的冲击愈小。故采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度及车轮的附着性能。

(3)采用断开式车桥,发动机位置便可以降低和前移,使汽车重心下降,提高了汽车行驶稳定性,并使结构紧凑。同时独立悬架允许前轮有较大的跳动空间,因而可以将悬架刚度设计得较小(便于选择较软的弹性元件),使车身振动频率降低,以改善行驶平顺性。

独立悬架的结构形式类型很多,主要可按车轮运动形式分成三类:

(1)车轮在汽车横向平面内摆动的悬架(横臂式独立悬架)。

(2)车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架(纵臂式独立悬架)。

(3)车轮沿主销移动的悬架,其中包括烛式悬架和麦弗逊式悬架(滑柱连杆式悬架)。

另外,独立悬架车轮接地性好,行驶平顺性和操纵稳定性都优于非独立悬架,其转向轮定位角可以调节,在轿车上得到广泛应用。

1.横臂式独立悬架

横臂式独立悬架分为单横臂式和双横臂式两种。

(1)单横臂式独立悬架。单横臂式独立悬架的特点是当悬架变形时,车轮将产生倾斜而改变两侧车轮与路面接点间的距离——轮距,致使轮胎相对于地面侧向滑移,破坏轮胎和地面的附着,且轮胎磨损较严重。此外,这种悬架用于转向轮时,会使主销内倾角发生较大的变化,对于转向操纵有一定的影响,故目前很少采用。但是,由于结构简单、紧凑,布置方便,在车速不高的重型越野汽车上也有采用的。

图12-12　单横臂式后独立悬架示意图

1—减振器;2—油气弹性元件;3—中间支承;4—单铰链;5—主减速器壳;6—纵向推力杆;7—螺旋弹簧;8—半轴套管

图12-12是某轿车的单横臂后独立悬架示意图。在该结构中,后桥半轴套管是断开的,主减速器的右面有一个单铰链4,半轴可绕其摆动。在主减速器上面安置可以调节车身水平作用的油气弹性元件2,它和螺旋弹簧7一起承受并传递垂直力。作用在车轮上的纵向力主要有纵向推力杆6承受。中间支承轴3不仅可以承受侧向力,而且还可以部分的承受纵向力。当车轮跳动时,为避免运动干涉,其纵向推力杆的前段用球铰链与车身连接。

(2)双横臂式独立悬架。双横臂式独立悬架(图12-13)的两个摆臂长度可以相等,也可以不等。在两摆臂等长的悬架中,当车轮上下跳动时,车轮平面没有倾斜,但轮距发生了较大的变化,这将增加车轮侧向滑移的可能性。在两摆臂不等长的悬架中,如两横臂长度选择适当,可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不太大。不大的轮距变化在轮胎较软时可以由轮胎变形来适应,目前轿车的轮胎可容许轮距的改变在每个轮胎上达到4～5mm而不致沿路面滑移。因此,不等长的双横臂式独立悬架在轿车前轮上的应用较为广泛。

2.纵臂式独立悬架

纵臂式独立悬架有单纵臂和双纵臂式两种。

图12-13　双横臂式独立悬架示意图

(a)两摆臂等长的悬架;(b)两摆臂不等长的悬架

(1)单纵臂式独立悬架。转向轮采用单纵臂式独立悬架时,车轮上下跳动时主销的后倾角产生很大的变化。因此,单纵臂式独立悬架一般不用于转向轮。

(2)双纵臂式独立悬架。这种悬架的两个纵臂长度一般做成相等,形成平行四连杆机构。这样,在车轮上下跳动时,主销的后倾角保持不变,故这种形式的悬架适用于转向轮。

双纵臂扭杆弹簧前独立悬架如图12-14所示。转向节和两个等长的纵臂1作铰链式连接。在车架的两根管式横梁4内部都装有若干层矩形断面的薄弹簧钢片叠成的扭杆弹簧6。两根扭杆弹簧的内端用螺钉5固定在横梁4的中部,而外端则插入摆臂轴2的矩形孔内。摆臂轴用衬套3支承在管式横梁内。摆臂轴和纵臂为刚性连接。另一侧车轮的悬架与之完全相同而且对称。

图12-14　双纵臂式扭杆弹簧独立悬架

1—纵臂;2—摆臂轴;3—衬套;4—横梁;5—螺钉;6—扭杆弹簧

3.车轮沿主销移动的悬架

车轮沿主销移动的悬架目前大致分为两种类型,一种是车轮沿固定不动的主销轴线移动的烛式悬架(目前很少采用),另一种是车轮沿摆动的主销轴线移动的麦弗逊式悬架。

烛式悬架的特点是当车轮上下跳动时,车轮的转向节沿着刚性地固定在车架上的主销上下移动,因而主销不发生变化,仅轮距和轴距稍有改变,因此有利于汽车的转向操纵和行驶稳定性,但是侧向力全部由主销承受,导致摩擦阻力大,磨损严重。所以这种结构形式目前很少采用。

图12-15所示为富康轿车的麦弗逊式悬架。筒式减振器2的上端用螺栓和橡胶垫圈与车身连接,减振器下端固定在转向节3上,而转向节通过球铰链与下摆臂6连结。车轮所受的侧向力通过转向节大部分由下摆臂承受。因此,这种结构形式较烛式悬架在一定程度上减少了滑动磨损。

图12-15　富康轿车前悬架

1—螺旋弹簧;2—筒式减振器;3—转向节;4—连接杆;5—球头销;6—下摆臂;7—横向稳定杆;8—前拖架

螺旋弹簧1套在筒式减振器的外面,主销的轴线为上下铰链的中心连线。当车轮上下跳动时,因减振器的下支点随下摆臂摆动,故主销轴线的角度是变化的。这说明车轮是沿着摆动的主销轴线而运动的。因此,这种悬架在变形时,使得主销的定位角和轮距都有些变化。然而,如果适当调整杆系的位置,可使车轮的这些定位参数变化极小。该悬架的突出优点是增大了两前轮内侧的空间,便于发动机和其他一些部件的布置,因此多用在前置、前驱的轿车和微型汽车上。一汽大众的捷达、上海桑塔纳和红旗CA7220型等轿车的前悬架,都是这种麦弗逊式独立悬架。

图12-16　平行钢板弹簧式非独立悬架

(二)非独立悬架

汽车非独立式悬架主要有平行钢板弹簧式和连杆螺旋弹簧式两种。

1.平行钢板弹簧式非独立式悬架

平行钢板弹簧式非独立悬架(图12-16)是非独立式悬架中最为普遍的方式。用U形螺栓将钢板弹簧固定在装有左右车轮车轴的桥壳上。

钢板弹簧兼起车轴定位的作用,结构简单,基本上不需要悬臂。另外,它具有耐久性,可降低高度,使驾驶室及车箱;底板平坦,适用于卡车及厢式车。

借助钢板弹簧连接车轮与车身,若弹簧过软,会因驱动力和制动力大而引起钢板弹簧的卷曲(弹簧卷曲产生震动)现象,以及车轮的弹跳现象。此外,钢板弹簧还存在着板间摩擦的缺点,有时容易传播微震。(www.xing528.com)

2.连杆螺旋弹簧式非独立式悬架

这种螺旋弹簧代替钢板弹簧的悬架方式是为了改善乘坐舒适性而诞生的。它大多采用于前置后驱动(FR)车的后轮悬架装置。

由于钢板弹簧式悬架装置具有弹簧卷曲引起车轮回震的现象,所以不能使用软弹簧。但是,若只采用纵置的螺旋弹簧,也不能够得到支承桥壳的刚性。

因此,用连杆或支杆支承桥壳的前后左右受载荷的部位,只有上下方向是可动的,在中间加入螺旋弹簧支承,经过这种改进,便出现了连杆螺旋弹簧式悬架装置(图12-17)。

图12-17　连杆螺旋弹簧式非独立悬架

(三)电子控制悬架

汽车的行驶平顺性和稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标,但是汽车在行驶过程中,载质量、路面情况及车速是变化不定的,因此刚度和阻尼一定的悬架不可能在改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性方面有所提高。已不能适应现代汽车对乘坐舒适性和操纵稳定性的更高要求。

电子控制悬架是在悬架系统(弹性元件、减振器、导向装置)中附加一个可控制作用力的装置。这种悬架具有车身高度调节、阻尼力控制和悬架刚度控制的功能,可以分为主动悬架系统和半主动悬架系统两大类。

电子控制悬架系统与其他电子控制系统相同,都是由各种传感器、ECU、执行器组成。

电控悬架系统中使用的传感器主要有车身加速度传感器、车身位移传感器、车速传感器和转向盘转角传感器。这些传感器将汽车行驶的路面情况和车速及汽车起步、加速、转向、制动等工况变为电信号,输送给控制器。

控制器由微处理器和传感器、电源电路、执行器的驱动电路及监控电路等组成。它将传感器输入的电信号进行综合处理,输出对悬架的刚度和阻尼及车身高度进行调节的控制信号。

电控悬架使用的执行器通常是电磁阀和步进电机,执行机构按照电子控制器的控制信号,准确地动作,及时地调节悬架的刚度和阻尼系数及车身的高度。

1.半主动悬架

传统悬架的弹簧刚度一旦选定后,很难改变。而半主动悬架可以根据路面的激励和车身的响应,对悬架的阻尼系数进行自适应调整,使车身的振动被控制在某个范围之内。由于半主动悬架结构简单,工作时几乎不消耗车辆动力,而且还能获得与全主动悬架相近的性能,故有较好的应用前景。

半主动悬架按阻尼级可分为有级式和无级式两种。

图12-18为一种无级式半主动悬架示意图。ECU从速度、位移、加速度等传感器处接收信号,计算出系统相应的阻尼值,并发出控制指令到步进电动机,通过控制步进电动机驱动可调阻尼减振器中的调节阀门,改变阻尼孔的通道截面积,从而改变系统的阻尼。

图12-18　半主动悬架系统组成

(a)组成;(b)驱动机构

2.主动悬架

主动悬架是一种具有做功能力的悬架,不同于单纯地吸收能量、缓和冲击的传统悬架系统。当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时,主动悬架系统能自动调整悬架的刚度,从而同时满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等各方面的要求。图12-19所示为一些日本高级轿车上使用的压力控制型油气悬架系统的工作示意图。它由一个压力控制阀、液控液压缸和一个单作用油气弹簧构成,压力控制阀实际上由一个电控液压比例阀和一个机械式压力伺服滑阀组成,油气弹簧则是一个具有弹性元件和阻尼元件的特殊液压缸。

图12-19　电控油气悬架系统工作示意图

1—液压泵;2—储能器;3—机械式压力伺服滑阀;4—电控液压比例阀;5—液控液压缸;6—油气弹簧

电控油气悬架根据ECU的指令信号控制液压比例阀中磁化线圈的电流大小,改变液压比例阀的位置,以此产生最佳的阻尼力。在正常行驶状态,伺服阀两侧A室与B室的反馈油压平衡,伺服阀处于主油路与液压缸相通的位置,控制车体的振动。当路面不平使悬架处于压缩行程时,悬架液压缸内压力上升,通过比例阀的调节使伺服阀B室反馈压力超过A室压力,推动滑腔向左侧移动,液压缸与回油通道接通,排出机油,阻尼下降,从而车轮振动被吸收而衰减。在悬架伸张行程,液压缸内的压力下降,比例阀的调节使滑阀右移,主油路与液压缸接通,来自系统的压力油又进入液压缸,增大系统的阻尼力。

油气弹簧式主动悬架具有良好的响应性与较大的控制力,但消耗能量大、重量重。现在也多采用空气式主动悬架。它一般由一组传感器、ECU、空气悬架和高度控制器组成。高度控制器按照ECU的控制信号完成开闭动作,以改变空气悬架的充气量,及时改变悬架的刚度、阻尼系数和车身高度,以确保汽车行驶过程中的操作稳定性和乘坐舒适性。

主动悬架按其控制功能,可分为车速与路面感应控制、车身姿态控制和车身高度控制。

(1)车速与路面感应控制。在这种控制中,悬架的刚度与阻尼有两种控制模式,即“软”模式与“标准”模式,每种模式中又按刚度与阻尼的大小依次有低、中、高三种状态。使用何种模式一般是根据路面情况通过选择开关由手动决定。模式一经确定,就由ECU对悬架的刚度和阻尼进行控制,在三种状态间自动进行调节,使车身维持在可能的最佳状态。

通常车速路面感应控制又可分为高速感应控制、前后车轮相关控制和坏路面控制三种控制功能。

1)车速感应控制:在车速很高时,控制器输出的控制信号,使悬架的刚度和阻尼相应增大,以提高汽车高速行驶时的操纵稳定性。

2)前后轮相关控制:当汽车前轮在遇到路面接缝等单个的突起时,控制器输出控制信号,相应减小后轮悬架的刚度和阻尼,以减小车身的振动和冲击。

3)坏路面感应控制:当汽车进入坏路面行驶时,为抑制车身产生大的振动,控制器输出控制信号,相应增大悬架的刚度和阻尼。

车速与路面感应控制的逻辑关系见表12-1。

表12-1　车速与路面感应控制逻辑关系

(2)车身姿态控制。车身姿态控制是从驾驶员的操作中来预测车身姿态的变化,使悬架的刚度、阻尼暂时处于刚性较大的状态,以减少车辆姿态变化。车身姿态控制包括:抑制转向时车身侧倾、制动车身点头、起步车身俯仰以及换挡或坏路面上行驶时的纵向摆动或跳动。

1)转向车身侧倾控制:急转弯时,应增大悬架的刚度和阻尼,以抑制车身的侧倾。

2)制动车身点头控制:在汽车紧急制动时,应增大悬架的刚度和阻尼,以抑制车身的点头。

3)起步车身俯仰控制:在突然起步或突然加速时,也应增加悬架的刚度和阻尼,以抑制车身的俯仰。

车身姿态控制的逻辑关系见表12-2。

表12-2　车身姿态控制逻辑关系

(3)车身高度控制。高度控制是控制器在汽车行驶车速和路面变化时,控制器对悬架输出控制信号,调整车身的高度,以确保汽车行驶的稳定性和通过性。车身高度控制也分“标准”模式和“高”模式两种情况,在每种模式中又分“低”、“中”、“高”三种状态。

控制方式包括高速感应控制连续坏路面行驶控制和驻车控制。车身模式一旦选定,通常状态下,车身的高度不受乘员和装载质量变化的影响,在ECU控制下保持在所选定模式的经常状态高度。当汽车在高速行驶或在颠簸路面行驶时,车身高度则由ECU在低、中、高三种状态之间调节,使汽车经常稳定在最佳行驶状态。当汽车处于驻车控制模式时,为了使车身外观平衡,保持良好的驻车姿势,当点火开关关闭后,ECU即发出指令,使车身高度处于常规值模式的低控制模式。

车身高度控制逻辑关系见表12-3。

表12-3　车身高度控制逻辑关系