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转自《汽车消费网》2013-06-14

1 汽车悬架的发展历程

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。

　　悬架的历史要比汽车要悠久的多，早在18世纪，法国人便发明了使用一种扁平状的单片弹簧的钢质悬架系统，用在当时的马车之上。而1763年,美国的特雷德韦尔取得螺旋弹簧悬架的第一个专利。1804年,英国伦敦的奥巴代亚·艾略特发明了叶片弹簧悬架，但只是简单地把一块块钢板叠起来夹紧,再在两端与车子用钩环连接。1878年,法国勒芒的大阿米迪·博利发明了采用片簧做前轮独立悬架的装置。而1886年诞生的世界第一辆汽车的悬架系统采用的是是马车的悬架系统，使用钢板弹簧作为弹性元件。1900年，减震器开始出现，并装在奥兹莫比尔轿车上。

 世界上第一台汽车采用的是类似于马车悬架的钢板弹簧悬架

1908年使用螺旋弹簧作为弹性元件的悬架出现

　　随着时代的发展，多种弹性元件开始出现。1908年螺旋弹簧开始用于轿车，而1921年采用扭杆弹簧悬架的汽车在英国利兰德汽车公司诞生。1933年，实用的空气弹簧也开始在汽车上首次使用。到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。减振器也采用了双向筒液压减震器，这种结构也被一直沿用至今。

1933年空气弹簧悬架在车上使用

现在应用最为广泛的麦弗逊悬架诞生于20世纪50年代 

　　20世纪50年代，液压悬架系统出现在了汽车上。而现在汽车采用最为广泛的一种悬架:麦弗逊式悬架诞生。随着电子控制水平的发展，1984年，电控悬架也就是主动悬架开始出现，林肯汽车也是第一个采用可调整的空气悬架系统的汽车。而刚刚发布的奔驰新一代S级采用的MAGIC BODY CONTROL悬架系统则是主动悬架的发展带到了一个新的台阶。

2 汽车悬架的评价指标

经过一百余年的发展，汽车悬架系统也得到长足的发展。现在的汽车悬架种类繁多，名称也是五花八门，如拖曳臂悬架、多连杆悬架、麦弗逊悬架等等。而评价悬架好坏的几个参数却是一成不变的。悬架的几个常用的参数主要有侧倾高度、车轮定位参数、悬架侧倾角刚度、横向刚度和占用空间等。

　　侧倾中心高度 

　　汽车相对地面转动时的瞬时轴线称为汽车的侧倾轴线，该轴线通过汽车左、右车轮垂直横断面上的瞬时转动中心，这两个瞬时中心称为侧倾中心。侧倾中心距地面的高度h，为侧倾中心高度。

单横臂独立悬架上车厢的侧倾中心

　　侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。在汽车的设计中，在确定侧倾中心高度时应综合考虑这些因素。常用的轿车前独立悬架侧倾中心高度为0～120mm，后独立悬架（不包括纵臂式）侧倾中心高度为80～150mm。

　　车轮定位参数

　　车轮定位参数主要包含几个参数，如车轮前束、车轮外倾角、主销内倾角和主销后倾角等几个参数。

　1、车轮前束

　　前轮前束是指同一轴两端车轮轮辋内侧轮廓线的水平直径的端点为等腰梯形的顶点，底边为车轮轴线，等腰梯形两底边长度之差为前束。一般在1-12mm之间。

　　2、车轮外倾角

　　车轮外倾角是指从前方看前轴时“轮胎的中心平面是不垂直的”而是上面向外倾斜一个角度，这个倾斜角叫车轮外倾角，其值一般在1°左右。

车轮外倾角一般在1°左右

　　3、主销内倾角

　　主销安装在前轴上，其上端略向内倾斜，称为主销内倾。在横向平面内，主销轴线与垂线间的夹角叫主销内倾角。 作用：使转向轮自动回正，并使转向轻便。 主销内倾角越大，或转向转角越大，汽车前部抬起越高，回正作用越强。转弯越费力。一般不大于8°

车轮定位的几个参数

　　4、主销后倾角

　　主销安装在前轴上，其上端略向后倾斜，称为主销后倾。在纵向平面内，主销轴线与垂线之间的夹角 叫主销后倾角。它实际是前桥后倾程度的反映。 作用：保证汽车直线行驶的稳定性，并力图使转弯后自动回正。 主销后倾角越大，越稳定，但转向越沉重。一般该值不超过3°

　　悬架侧倾角刚度

　　车辆的侧倾角刚度指侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢的总恢复力。具有非独立悬架的汽车车厢作垂直位移时，单位车厢位移时所受到的弹性恢复力，就是弹簧直接作用于车厢的弹性力。因此，悬架的刚度就是两个弹簧线刚度之和。

　　车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。

　　横向刚度

　　悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。

采用双叉臂结构能提高悬架横向强度

　　悬架占用的空间尺寸

　　不同的悬架占用的空间也不一样。悬架占用的空间有两种：横向空间和高度空间。对于前悬架来说，横向尺寸的大小会影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度。

不同的悬架所占的空间也不一样

　　而对于后悬架来说，悬架占用空间的大小会影响后排乘坐以及行李箱的空间，同时也对邮箱等其他零部件布置产生影响。

3 悬架组成之弹性元件

汽车悬架主要作用主要有四点：连接车桥和车架；传递二者之间的各种作用力和力矩；抑制并减小由于路面不平而引起的振动；保持车身和车轮之间正确的运动关系，保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。具体来说，悬架要有良好的衰减振动能力，同时还要有足够的横向和侧倾刚度，以便保证汽车在有着良好行驶平顺性的同时，还有着良好的操纵稳定性能。

　　为实现这些功能，悬架系统中必须有相对应的元件。悬架一般由弹性元件、减震装置和导向机构三个基本元件组成。除此之外，悬架一般还有横向稳定器以便保证悬架具有良好的横向刚度。

　　弹性元件

　　为了缓和冲击，在汽车行驶系中，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）之间作弹性连接，传递垂直力缓和冲击。悬架采用的弹性元件常见有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、橡胶弹簧、气体弹簧等。

　　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。它具有结构简单，成本低、承载力大等优势。

钢板弹簧一般和整体桥配合使用，图为采用钢板弹簧的悍马H3悬架

　　缺点是因为会产生严重的干摩擦，就会影响吸收冲击的能力，乘坐舒适性较差，故现代轿车很少使用，一般多用于厢式货车、采用整体桥的偏向越野的SUV以及卡车等车型上。

　　螺旋弹簧：螺旋弹簧广泛地用于独立悬架，特别是前轮独立悬架。将特殊的弹簧钢杆卷成螺旋状，就成了螺旋弹簧。可做成等螺距或变螺距。前者刚度不变，后者刚度是可变的。在螺旋弹簧上施加载荷时，随着弹簧的收缩，整条钢杆扭曲。这样便贮存了外力的能量，缓冲了震动。

　　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振器。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。

　　螺旋弹簧是现代汽车上用得最多的弹簧。它的吸收冲击能力强，乘坐舒适性好、不需润滑，不忌污垢，所需空间小，质量轻；缺点是长度较大，减震效果一般。

　　扭杆弹簧：扭杆弹簧本身是一根由弹簧钢制成的扭杆。扭矩弹簧是用铅钒合金弹簧钢制成，断面多为圆形，少数为矩形和管形。一端固定在车架上，另一端固定在悬架的摆臂上，摆臂与车轮相连，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。

　　扭杆弹簧在制造时，经热处理后预先施加一定的扭转力矩载荷，使之产生一个永久的扭转变形，从而使其具有一定的预应力，左、右扭杆预加扭转的方向都与扭杆安装在车上后承受工作载荷时扭转的方向相同。其目的的减少工作时的实际应力，以延长扭杆弹簧的使用寿命。所以左、右扭杆弹簧应刻有记号，不能互换。

　　与其它弹簧相比，其单位重量的能量吸收率较高，所以可减轻悬架的重量，此外，扭杆弹簧也要比气体弹簧好布置，可以减少悬架的体积。缺点是与螺旋弹簧一样，扭杆弹簧也不能控制振荡，所以需要与减震器一起使用。

　　扭杆弹簧一般和扭力梁等结构的悬架配合使用，一般用于小型车上。

　　橡胶弹簧：是一种高弹性体,制作材料是普通橡胶。橡胶弹簧弹性模量小，受载后有较大的弹性变形，借以吸收冲击和振动。

　　它能同时受多向载荷，但耐高温性和耐油性比钢弹簧差。如有特殊要求可用耐油橡胶制成。该产品减振效果好,共振领域小,使用寿命长,成本低,还有良好的耐寒性,优良的气密性,防水性,电绝缘性,是减振的最佳选择。此外，橡胶弹簧形状不受限制，有较大的弹性变形，容易实现非线性要求，减振隔音效果良好。

　　但橡胶弹簧不适于支承重载荷，所以橡胶弹簧主要用作辅助弹簧，或用作悬架部件的衬套、垫片、垫块、挡块及其它支承件。

　　气体弹簧：以空气做弹性介质，即在一个密闭的容器内装入压缩空气（气压为0.5~1MP a ），利用气体的可压缩性实现弹簧的作用。气体弹簧主要有空气弹簧和油气弹簧两种。

　　空气弹簧又可分为囊式和膜式两种，这种弹簧随着载荷的增加，容器内压缩空气压力升高，其刚度也随之增加；载荷减少，刚度也随空气压力降低而下降，因而这种弹簧具有理想的变刚度特性。

　　囊式空气弹簧由夹有帘线的橡胶制成的气囊和密闭在其中的压缩空气构成。气囊外层由耐油橡胶制成单节或多节，节数越多弹簧越软，节与节之间围有钢质腰环，防止两节之间，摩擦。气囊上下盖板将空气封于囊内。

　　膜式空气弹簧由橡胶片和金属压制件组成。它比气囊空气弹簧的弹性曲线更为理想，固有频率更低些，且尺寸小，便于布置，因而多用于小轿车上。但其造价较贵，寿命较短。

　　油气弹簧以气体（如氮等惰性气体）作为弹性介质，用油液作为传力介质，利用气体的可压缩性实现弹簧作用。

　　球形室固定在工作缸上，室内腔用橡胶隔膜将油与气隔开，充人高压氮气的一侧为气室，与工作缸相同而充满油液的一侧为油室。工作缸内装有活塞和阻尼阀及阀座。

　　当汽车受到载荷增加变化时，活塞向上移动，使工作缸内油压升高，打开阻尼阀进人球形室下部，推动隔膜向气室方向移动，气室受到压缩压力升高，使油气弹簧刚度增加。当载荷减小时，气室内的高压氮气伸涨，使隔膜向下方（油室）移动，油液通过阻尼阀流回工作缸，活塞下移使油压降低。随着汽车行驶中的姿态变化，工作刚内的油压与气室内的氮气压力也随着之变化，次时活塞处于工作缸中的不同位置。因此，油气弹簧有可变刚度的特性。

采用油气弹簧的悬架

　　油气弹簧具有良好的行驶平顺性，而且体积小，质量轻。但是对密封性要求很高，维护相对麻烦。目前这种弹簧多用于重型汽车和部分小客车上。

　　由于空气和油气弹簧只能承受垂直载荷，因此采用这种弹簧的悬架也必须加设导向装置和减振器。

4 悬架组成之减震器

减震器

　　减震器(Absorber) ，主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击。在经过不平路面时，虽然弹性元件可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，而减震器就是用来抑制弹性元件跳跃震动的。减震器太软，车身就会上下跳跃，减震器太硬就会带来太大的阻力，妨碍弹簧正常工作。

　　汽车悬架所采用的减震器有液力减振器、充气式减振器、阻力可调式减振器等。其中，最为常见的是筒式液力减震器。

　　筒式液力减震器的工作原理是：减振器壳体内的油液，反复地从一个内腔经小孔隙流入另一个内腔，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内的摩擦按形成对振动的阻尼力，车身、车架振动的能量经摩擦转化为热能，由油液和减振器壳体吸收，然后散入大气中。

　　按其作用方式不同分为双向作用减振器和单向作用减振器两种。其中，双向作用减振器在压缩、伸张两行程中均起减振作用，而单向作用减振器仅在伸张行程中起减振作用。

　　双向作用筒式减振器:双向作用筒式减振器外面的钢筒是防尘罩，上部有一圈环与车架（车身）连接。中间的钢筒是储油缸，内部装有一定量的减振器油，下部有一圈环与车桥相连。最里面的钢筒是工作缸，内部装满减振器油。在工作缸的内部，通过与防尘罩和上部圆环制成一体的活塞杆，其底端偿固定着活塞。活塞上装有伸张阀和流通阀，在工作缸的下部的底座上装有压缩阀和补偿阀。为了使减振器能够满足工作要求，流通阀和补偿阀的弹簧相对比较软，较小的油压便可以打开或关闭。而压缩阀和伸张阀的弹簧相对比较硬，只有当油压增大到一定的程度时，才能打开；而只要油压稍有下降，阀门立刻关闭。

　　双向作用筒式减振器的工作过程如下：压缩行程时，此时减振器被压缩，汽车车轮移近车身，减振器内的活塞向下移动，下腔的容积减小，油压升高。大部分油液冲开流通阀流入上腔，由于上腔被活塞杆占去了一部分空间，因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积，于是另一部分油液就推开压缩阀，流回到储油缸内。油液通过阀孔时，此时减振器受拉伸，车轮远离车身，这时减振器的活塞向上移动，上腔油压升高，流通阀被关闭，上腔内的油液压开伸张阀流入下腔。由于活塞杆的存在，自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的溶积，促使下腔产生一定的真空度，这时储油缸中的油液推开补偿阀流进下腔进行补充。由于这些阀的节流就对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。

　　由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计得大于压缩阀，在同样力的作用下，伸张阀及相应的常通缝隙通道的载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道的载面积总和，这使得减振器伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程时产生的阻尼力，从而达到迅速减振的要求。

　　充气式减震器：是60年代以来发展起来的一种新型减震器。其结构特点是在缸筒的下部装有一个浮动活塞，在浮动活塞与缸筒一端形成的一个密闭气室种充有高压氮气。在浮动活塞上装有大断面的O型密封圈，它把油和气完全分开。工作活塞上装有随其运动速度大小而改变通道截面积的压缩阀和伸张阀。

　　当车轮上下跳动时，减震器的工作活塞在油液种做往复运动，使工作活塞的上腔和下腔之间产生油压差，压力油便推开压缩阀和伸张阀而来回流动。由于阀对压力油产生较大的阻尼力，使振动衰减。

　　与双向作用筒式减振器相比，充气式减振器有结构简化、重量减轻、噪声小、阻尼更大、可靠性更高、不会出现液力减震器常出现的油乳化现象等优点。缺点是充气式减振器对油封要求高，充气工艺复杂、不易维修，当缸筒受外界较大冲击而变化时，则不能工作。

　　阻力可调式减震器：阻力可调式减震器的活塞杆空心有长缝，内有小活塞，上方有带膜片的气室。负荷重时，气室压缩，小活塞下行关小缝隙，加强节流减震作用。

　　装有阻力可调式减震器的汽车的悬架一般用刚度可变的空气弹簧作为弹性元件。其原理是，空气弹簧若气压升高，则减震器气室内的压力也升高，由于压力的改变而使油液的节流孔径发生改变，从而达到改变阻尼刚度的目的。

5 导向机构和横向稳定杆

导向机构

　　独立悬挂上的弹性元件，大多只能传递垂直载荷而不能传递纵向力和横向力，必须另设导向机构，以承受传递车轮传递过来的纵向力和力矩以及侧向力。悬架导向机构决定着车轮定位参数及其动态性能，是悬架的关键部件之一。

　　对导向机构的主要作用有：

　　(1)当车轮与车身产生相对运动时，保证轮距变化在一定的范围之内，以免轮胎过早磨损。

　　(2)当车轮上下跳动时，前轮定位参数要有合理的变化特性；

　　(3)转弯时，应使车轮与车身倾斜方向相同，增加汽车的不足转向效应；

　　(4)车辆加速和制动时能保持车身稳定，减少车身纵倾的可能性；

　　(5)制动时，悬架导向机构的运动应使车身具有抗点头的作用；加速时有抗俯仰的作用；

　　(6)行程恰当的侧倾中心，保证悬架有足够的侧倾刚度；

　　(7)各铰接点处受力尽量小，减少橡胶元件的弹性变形，以保证导向精度；

　　(8)导向杆系有足够的强度、刚度和疲劳强度。

　　悬架导向机构的结构形式有很多，根据不同的用途也有多种。轿车上，对于整体式车轴，主要有导向机构形式有板簧式、A形架式、双横臂式、双纵臂式、拖曳臂式和柔性梁式。对于独立悬架，主要有单(双)纵臂式、双横臂式、麦弗逊撑杆式、多连杆式、拖曳臂式、半拖曳臂式和摆动轴式等。

导向机构也是划分悬架类型的一个重要依据，图为双叉臂悬架的导向机构

　　悬架的导向机构也是划分悬架种类的一个重要分类依据，根据导向机构的不同，悬架可以分分为单(双)纵臂式、双横臂式、麦弗逊撑杆式、多连杆式、拖曳臂式、半拖曳臂式和摆动轴式等等。

　　横向稳定杆

　　横向稳定杆（sway bar, anti-roll bar, stabilizer bar），又称防倾杆、平衡杆，是汽车悬架中的一种辅助弹性元件。它的作用是防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾，尽量使车身保持平衡。目的是减少汽车横向侧倾程度和改善平顺性。

　　横向稳定器主要由U形横向稳定杆、连接杆和支座组成，支座固定在车身上，稳定杆两端通过连杆与下摆臂相连。当车身只作垂直移动而两侧悬架变形相等时，横向稳定杆在支座的套筒内自由转动，横向稳定杆不起作用。

除了独立悬架需要横向稳定杆外，整体桥非独立悬架也需要横向稳定杆

　　当两侧悬架变形不等，车身相对路面发生侧向倾斜时，车架的一侧移近弹簧下支座，稳定杆的同侧末端就相对车架向上抬起，而另一侧车架远离弹簧座，相应一侧横向稳定杆的末端应相对车架下移。同时，横向稳定杆中部对于车架没有相对运动，而稳定杆两边的纵向部分向不同方向偏转，于是稳定杆被扭转。弹性的稳定杆所产生的扭转的内力矩就妨碍了悬架弹簧的变形，因而减小了车身的横向倾斜和横向角振动。