汽车悬架:功能、组成部件与类型

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现代汽车除了速度和性能外,往往更注重舒适性和豪华感。人们倾向于认为座椅加热和巡航控制系统能提升旅途舒适度,但让所有行驶尽可能平稳的最关键因素是什么呢?那就是悬挂系统。汽车的悬挂系统是实现舒适稳定性能、让驾驶者真正掌控车辆的最重要因素。但除了舒适性之外,这一系统的目的是什么?它又是如何运作的?

悬挂系统的功能

悬挂系统的功能

汽车悬挂系统的主要作用是最大化轮胎与路面之间的摩擦力,确保操控稳定性,并保障乘客舒适度。其设计目标在于吸收来自道路的振动、重力和冲击力。

如果所有道路都完全平坦,没有凹凸不平、坑洼或颠簸,那么悬挂系统就毫无必要。但遗憾的是,世界各地并非如此。即使是新铺设的道路,也存在影响车轮及其运行的微小缺陷。这些缺陷会对车辆施加力量,使其抬升。当然,力量的大小取决于遭遇坑洞的尺寸。无论如何,汽车车轮在通过缺陷时会承受垂直加速度。悬挂系统的任务就是处理这些向上的力,确保车轮始终与路面保持接触。

如果系统正常工作,车轮始终紧贴路面,摩擦力就能最大化,侧翻或翻滚的风险降至最低,同时助力动力传输至所需之处。轮胎吸收所有冲击、振动及其他道路缺陷,并与作为悬挂组成部分的减震器机制协同工作,有效缓解这些冲击力的影响。从技术上讲,现代悬挂系统的弹簧机制通过将轮胎压向地面,实现了最大摩擦力和尽可能最佳的行驶平顺性。因此,当轮胎撞上凸起物或因路面某物被向上推升时,

悬挂系统的构成部件

在探讨各类悬挂及其工作原理之前,了解几乎所有悬挂系统的主要元件至关重要。

悬挂系统的主要组成部分包括弹簧、减震器和防倾杆。基本上,弹簧负责吸收冲击力,减震器耗散该能量,而稳定器或称防倾杆则与减震器配合使用,为行驶中的汽车提供额外稳定性。防倾杆是一根横跨车轴的金属杆,连接悬挂的两侧。

弹簧

钢板弹簧悬挂

当然,弹簧、减震器和稳定杆有多种类型。钢板弹簧是最古老的悬挂弹簧形式之一。这些弹簧本质上通过叠合多层金属片,作为一个薄而拱形的单元工作。它们安装在车轴上,当车辆撞上凸起或道路缺陷时,各层压缩以吸收冲击。虽然如今在汽车中已不常见,但在美国的大型车辆和卡车上仍能看到。

螺旋弹簧

螺旋弹簧是悬挂系统中最常见的弹簧部件。螺旋弹簧是绕轴卷曲的坚固扭杆。弹簧的刚度影响车辆行驶时悬挂质量(位于弹簧上方并由其支撑的所有部件)的反应。若弹簧张力很小,则形成“软悬挂”,可能提供非常平滑的乘坐体验,例如豪华车通常偏软。但这也容易导致制动和加速时的点头及后蹲现象,以及转弯时的大幅摇摆和侧倾。另一方面,硬弹簧的车辆在撞上凸起时下沉较少,可能不够舒适,但能最小化车身运动,实现敏捷过弯,因此适合跑车。

欧洲车的一个常见特点是包含“A”臂或控制臂的系统。其中,扭杆安装在“三角形”臂(因其形状类似火鸡颈部的“V”形“叉骨”而得名)和车架之间。叉骨作为杠杆,当车轮撞上凸起时,垂直运动传递至叉骨或控制臂,通过杠杆作用传到扭杆。扭杆随后沿轴扭转,提供弹簧力。

减震器

减震器

当弹簧吸收来自不平路面的力和能量后,这些能量必须以某种方式耗散。这就是减震器的职责。因此,减震器是一种阻尼器。它们减缓振动运动的速度,减小振幅,并将动能转化为热能,通过液压流体耗散。减震器对速度敏感:悬挂运动越快,减震器提供的阻力越大。它们能适应路况,控制所有不良运动,包括弹跳、侧倾、制动点头和加速后蹲。

麦弗逊支柱是更先进的减震器形式,本质上是安装在螺旋弹簧内的减震器。它同时作为减震器,并在结构上支撑车辆悬挂——由于它们承担部分车辆重量,功能超越普通减震器。麦弗逊支柱在前轮驱动车辆的前悬挂中非常常见。

悬挂的类型

不同车辆可见弹簧系统和减震器的多种组合,使用的悬挂类型在车辆内部也可能不同——前悬挂系统可能与后悬挂系统各异。

不同弹簧系统与减震器的组合

悬挂系统分为非独立悬挂和独立悬挂。在非独立悬挂系统中,刚性车轴连接两个车轮;而在独立系统中,车轮允许独立运动,互不连接。老式车辆常偏好非独立悬挂系统,常配以钢板弹簧,而更现代的车辆则倾向于独立悬挂系统,尤其在前悬挂。非独立系统坚固简单,但转弯时缺乏外倾角调整,存在车轮离地风险。独立悬挂系统中,来自路面的冲击载荷被遭遇侧隔离,这极具优势。当然,

通常,汽车的前后悬挂不同。前悬挂系统必须集成转向功能,因此可能非常复杂,且首先接触道路上的异物和不平表面。后悬挂系统因无需考虑转向,往往较为简单。这常为非独立系统(详见下文),基于钢板弹簧或螺旋弹簧。若所有车轮均配备独立悬挂,则该车被视为四轮独立悬挂。

双叉臂悬挂

双叉臂悬挂由上下布置的两个三角形(A形或V形)臂构成。它们铰接在车辆转向节的上下端,确保车辆转向并平衡方向盘。减震器常安装在各控制臂上,此类悬挂能更好地控制车轮外倾角,最小化侧倾和摇摆,提供更一致的转向感。它们流行于较重、转弯易侧倾的大型车辆的前轮。尽管轻量且优势多,但比整体桥悬挂(非独立)系统更昂贵。

长短臂悬挂(SLA)

长短臂悬挂是双叉臂悬挂的改良版,可用于汽车前后轮。双叉臂悬挂中,两臂等长。长短臂(SLA)悬挂中,两臂长度不均,上臂短于下臂。此设计能控制外倾角,限制转弯时轮胎边缘磨损。由于上臂缩短,当转弯离心力使车辆侧倾、轮胎倾向边缘时,此悬挂系统将两车轮的接地模式拉回轮胎中心。此效果持续至全跳程,因此是高性能车辆的理想悬挂。

麦弗逊支柱悬挂

此系统包含支柱总成内的单一控制臂,允许轮胎和车轮上下移动。这减少了非悬挂质量,提升了乘坐舒适性。因其小巧、相对廉价且不太复杂,成为受欢迎的支柱选择。部分同款车辆中,支柱也用于后悬挂系统,类似前支柱,但因位于非转向轮,顶部无防摩擦轴承。

可调及液压悬挂

除了制造商标准提供的基本悬挂系统类型外,许多驾驶者选择可自行安装、调整和维护的可调悬挂系统。这些有时也作为新车标准配置由部分厂商提供。某些悬挂允许驾驶者调整或车辆自动调整,有助于应对特定情况。实际上,配备可调悬挂的车辆可根据情境承担两种或更多略有不同的悬挂功能。

可调悬挂系统的主要可调参数是车身高度和侧倾刚度。豪华车可能配备根据情况升降车身的能力。特斯拉Model S是好例子,驶入停车场或私家车道等入口时会自动升高。部分SUV可调整至平滑路面上较低的悬挂高度以提升稳定性和燃油效率,或调整至较高高度用于越野行驶。

车身高度调整通常使用集成于弹簧的气囊。提升量的变化对应气压变化。其他制造商使用液压系统达成相同效果,通过泵提供液压助车辆抬升。

部分车辆提供主动悬挂,在高速操作时自动硬化悬挂。它们使用可变压力的空气或液压罐实现此功能。侧倾刚度调整则集成于以可调弹簧刚度和/或减震器性能为特点的售后系统。多数情况下,此类调整需物理进入车底手动更改,最常见的是减震器

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