汽车悬架系统工作原理

汽车悬架系统工作原理

作者：

William Harris

（本文为博闻网版权所有, 未经许可禁止以任何形式转载或使用。违者必究。）

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本文包括：

1 1. 引言

2 2.

3

4

5 3. 4. 5. 阅读所有引擎盖下类文章

人们在考虑汽车的性能时，通常会关注马力、扭矩和“0到60”加速时间等参数。但是如果驾驶员无法操控汽车，那么活塞发动机产生的所有动力都将毫无用处。有鉴于此，汽车工程师在掌握了四冲程内燃发动机后，立即就把注意力转向了悬架系统。

本田发动机有限公司 供图

本田雅阁2005 Coupe双A 形控制臂式悬架

汽车悬架的工作是最大限度地增加轮胎与路面之间的摩擦力，提供能够良好操纵的转向稳定性，以及确保乘客的舒适度。在本文中，我们将探究汽车悬架的工作方式、发展演变过程以及未来设计的发展方向。

如果路面非常平坦，没有坑坑洼洼，就不需要悬架。但道路往往并不平坦。即使是新铺的高速公路，其路面也会有些微凹凸不平而对汽车车轮造成影响。就是这样的路面将力作用在车轮上。根据牛顿运动定律，力都具有大小和方向。路上的颠簸会使车轮垂直于路面上下运动。当然，力的大小取决于车轮颠簸的程度，但无论如何，在通过不平路面时车轮都会产生一个垂直加速度。

如果没有一个居间结构，所有车轮的垂直能量将直接传递给在相同方向上运动的车架。在这种情况下，车轮会完全丧失与路面的接触，然后在向下的重力作用下再次撞回路面。因此，您需要的是这样一个系统：它能够吸收垂直加速车轮的能量，使车轮顺着路面上下颠簸的同时车架和车身不受干扰。

对行驶中汽车的力的研究称为车辆动力学。您需要了解下面一些概念，以便理解为何必须将悬架置于首要地位。大多数汽车工程师从两个方面来考虑行驶中汽车的动力特征：

∙ 行驶性能——汽车平稳驶过崎岖不平的路面的性能

∙ 操纵性能——汽车安全地加速、制动和转弯的性能

这两个特征可通过三个重要原理进一步加以描述：路面隔离性能、抓地性能和转弯性能。下表描述了这些原理以及工程师们如何尝试解决它们各自的问题。

原

理

路

面

隔

离

性

能

在各种类型的方向变化以及直线

行驶过程中汽车保持与路面接触

抓

地

性的程度。例如，制动时汽车的重量将从后轮移至前轮。因为车头扎向路面，所以这种运动类型称

的重量会从前轮移至后轮，称为

“蹲伏”。

转

弯

性

能 车辆沿弯路行驶的性能。 尽量减少车身的翻滚趋势。当汽车转弯时，离心力会作用于汽车的重心并将其向外推，从而抬高车辆的一侧而降低另一侧，造成

翻滚趋势。 转弯时将汽车的重量从较高的一侧转移到较低一侧。 保持轮胎与地面接触，因为轮胎与路面之间的摩擦力会影响车辆转向、制动和加速性能。 尽量减少车身重量的左右和前后转移，因为这会降低轮胎的抓地性能。 车辆吸收路面振动或将其与乘客席隔离的性能。 使车身在驶过不平路面时不受干扰。 吸收并消化路面颠簸产生的能量，从而使车辆不至于产生过度的震动。 定义 目标 解决方案 能 为“俯冲”。相反，加速时汽车

汽车悬架及其各种部件提供了上面所述的全部解决方案。

下面我们来看一个典型悬架的部件，从较大的底盘图片开始依次介绍悬架所固有的各个部件。 底盘

汽车悬架实际上是底盘的一部分，底盘包含了位于车身下方的所有重要系统。

这些系统包括：

∙ 车架——承载负荷的结构性部件，用于支撑汽车的发动机和车身，而它本身车架由悬架支撑

∙ 悬架系统——用于支撑重量、吸收和消除振动以及帮助维持轮胎接触的装置

∙ 转向系统——使驾驶员能够操控车辆方向的机械

∙ 轮胎和车轮——利用抓地与路面的摩擦力使车辆能够运动起来的部件

因此，悬架在任何车辆中都是主要系统之一。

有了这样一个总体概念后，下面我们来看所有悬架都具备的三个基础部件：弹簧、减振器和防横摇稳定杆。

弹簧

现在的弹簧系统均以下面四种基本设计之一为基础：

∙ 螺旋弹簧——最常见的弹簧类型。它其实是一个绕轴盘绕的重型扭杆，通过伸缩来缓冲车轮的运动。

Car Domain 供图

螺旋弹簧

HowStuffWorks Shopper 供图

叶片弹簧

∙ 叶片弹簧——由若干绑在一起充当一个单元的金属层（称为“叶片”）组成。它最初用在马车上，直到1985年才用在大多数美国汽车上。现在大多数卡车和重型车辆仍在使用它们。

∙ 扭杆——利用钢棒的扭转特性来提供类似螺旋弹簧的性能。其工作原理是：钢棒的一端锚固在车架上，另一端与一个A 形控制臂相连。A 形控制臂的作用就像一个垂直于扭杆移动的杠杆。当车轮遇到颠簸路面时，其垂直运动传递至A 形控制臂，然后通过杠杆作用传递至扭杆。然后，扭杆沿轴发生扭曲以提供弹力。在二十世纪的五六十年代，欧洲的汽车制造商普遍使用此系统，同样的还有美国的Packard 和克莱斯勒公司。

HowStuffWorks Shopper 供图

扭杆

空气弹簧——由车轮和车身之间的柱状充气室构成。它利用压缩空气减缓车轮震动。这一设计概念实际上已经出现了上百年，在两轮马车上就有它的踪迹。最初的空气弹簧由充气的皮囊制成，很像一个风箱。到二十世纪三十年代，它们被模压橡胶空气弹簧取代。

HSW Shopper 供图

空气弹簧

根据弹簧在汽车上的位置（例如位于车轮与车架之间），工程师们发现使用簧载质量和非簧载质量的概念会便于讨论问题。

弹簧： 簧载质量和非簧载质量

簧载质量是弹簧上支撑的车辆的质量，而非簧载质量则粗略定义为路面与悬架弹簧之间的质量。弹簧的硬度会影响汽车行驶时簧载质量的响应情况。 弹簧较松的汽车（如林肯城市这样的豪华汽车）可以彻底消除颠簸并提供极平稳的行驶感觉，但同时在制动和加速过程中易产生俯冲和蹲伏现象，在转弯时易产生侧倾和翻滚趋势。弹簧较紧的汽车（如马自达Miata ）在颠簸路面上的平稳性稍差，但车身移动非常小，这意味着即使是在转变处，也可以用较激烈的方式来驾驶。

因此，虽然弹簧本身看似简单，但在汽车上设计和实现这些装置，并在乘客的舒适度与汽车的操纵性能之间取得平衡，将是一项复杂的任务。更甚的是，弹簧无法独自提供极其平稳的行驶感觉。原因何在？因为弹簧在吸收能量方面的性能极佳，但在耗散能力方面要稍差一些。为 此，需要使用一种称为减振器的部件。

悬架的历史

十六世纪的四轮载人和载货马车为解决“路上感觉非常颠簸”的问题，将车厢用皮带吊在底盘的四根柱子上，就像翻过来的桌子一样。因为车厢是挂在底盘上的，所以人们渐渐将其称为“悬架”，并沿用至今，以描述整个一类的解决方案。车厢吊起式的悬架还不是一个真正的弹簧系统，但它确实使车厢与车轮的运动分离开来。

半椭圆形的弹簧设计（也称为车载弹簧）迅速取代了皮带式的悬架。 半椭圆形弹簧广泛用在四轮或两轮载人、载货马车上，并且通常在前、后轴上使用。

不过，它们确实容易造成前后晃

动，并且有较高的重心。

当动力汽车面世时，人们陆续开发出其他更高效的弹簧系统，使乘客享有更平稳的行驶感觉。

减振器

作者：William Harris

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3

4

5 2. 减振器 3. 4. 5. 阅读所有引擎盖下类文章

如果不使用阻尼结构，汽车弹簧将以不可控制的速率弹开并释放它所吸收的颠簸能量，并继续按其自身频率弹起，直到耗尽最初施加在它上面的所有能量。构建在弹簧上的悬架自身会使汽车根据地形以弹跳方式行驶且不受控制。

让我们来看看减振器。该设备也称为缓冲器，它通过一种称为阻尼的过程来控制不希望发生的弹簧运动。减振器通过将悬架运动的动能转换为可通过液压油耗散的热能，来放缓和减弱振动性运动的大小。要了解其工作原理，最好是看看减振器内部的结构和功能。

减振器基本上是一个放置在车架与车轮之间的机油泵。减振器的上支座连接到车架（即簧载质量），下支座靠近车轮连接到轴（即非簧载质量）。在双筒设计中，减振器最常见的类型之一是上支座连接到活塞杆，活塞杆连接到活塞，而活塞位于充满液压油的筒中。内筒称为压力筒，外筒称为储油筒。 储油筒存储多出的液压油。

当车轮遇到颠簸路面并导致弹簧压紧和拉伸时，弹簧的能量通过上支座传递到减振器，并经由活塞杆向下传递到活塞。活塞上打有孔，当活塞在压力筒内上下运动时，液压油可通过这些小孔渗漏出来。因为这些孔非常微小，所以在很大的压力下也只能有很少的液压油通过。这样就减缓了活塞的运动速度，从而使弹簧的运动缓慢下来。

减振器的工作包括两个循环——压缩循环和拉伸循环。压缩循环是指活塞向下运动时压缩其下面的液压油；拉伸循环指活塞向上运动到压力筒顶部时其上方的液压油。对于典型的汽车或轻型卡车，其拉伸循环的阻力要比其压缩循环的阻力大。此外还要注意，压缩循环控制的是车辆非簧载质量的运动，而拉伸循环控制的是相对更重的簧载质量的运动。

所有现代的减振器都带有速度传感功能——悬架的运动速度越快，减振器提供的阻力越大。这使得减振器能够根据路况进行调整，并控制行驶的车辆中可能出现的所有不希望发生的运动，包括弹跳、侧倾、制动俯冲和加速蹲伏等。

滑柱和防横摇稳定杆

另一个常见阻尼结构是滑柱——即安装在螺旋弹簧内部的减振器。滑柱完成两项工作：一是提供与减振器类似的阻尼功能，二是为车辆悬架提供结构支撑。也就是说，滑柱的功能要略多于

减振器（不支撑车辆重量）——但它们只控制重量在汽车中转移时的速度，而不控制重量本身。

常见的滑柱设计

因为减振器和滑柱与汽车操控性能的关系如此密切，我们可以将其视为非常重要的安全性能。已磨损的减振器和滑柱会使过多的车身重量向前后左右转移。这会降低轮胎的抓地性能以及操控和制动性能。

防横摇稳定杆（也叫防侧倾杆）与减振器或滑柱配合使用，以便为行驶中的汽车提供附加稳定性。防横摇稳定杆是一个横跨整个车轴的金属杆，将悬架的两侧有效地连接在一起。

HSW Shopper 供图

防横摇稳定杆

当一个车轮上的悬架上下移动时，防横摇稳定杆会将移动传递给其他车轮。 这样可以使行驶更平稳，并减少了车辆的倾斜度。尤其是它能抵消转弯时悬架上的汽车的侧翻趋势。有鉴于此，今天几乎所有汽车都将防横摇稳定杆作为标准配备；即使不是如此，也可使用相应的工具随时、轻松地安装。

悬架的类型

到目前为止，我们的讨论都是集中在弹簧和减振器对任意给定车轮的作用上。但是，一辆汽车的四个车轮是在两个独立系统上协同工作的——两个车轮通过前轴连接，另外两个通过后轴连接。也就是说，汽车可以并且通常在前后轴上具有不同的悬架类型。更确切地说，车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。前一种称为非独立系统，后一种称为独立系统。 非独立式前悬架具有一个连接两个前轮的刚性前轴。 它看起来像是车前部下方由叶片弹簧和减振器固定就位的一个实心杆。非独立式前悬架在卡车上很常见，但多年以来一直没有用在主流汽车上。

在独立式前悬架系统中，前轮可以独立移动。通用公司的厄尔·S·麦弗逊在1947年开发的麦弗逊式滑柱是使用最广泛的前悬架系统，特别是在欧洲原产汽车中。

麦弗逊式滑柱将一个减振器和一个螺旋弹簧合并组成一个装置。它提供了一种结构更紧凑、重量更轻的悬架系统，可用在前轮驱动的车辆上。

双A 形控制臂式悬架也叫A 形横臂悬架，是另一种常见的独立式前悬架。

本田发动机有限公司供图

本田雅阁2005 Coupe双A 形控制臂式悬架

虽然有几种不同的配置，但这种设计通常使用两个A 形控制臂来定位车轮。每个A 形控制臂具有两个车架安装位置和一个车轮安装位置，并承负着减振器和螺旋弹簧以吸收震动。双A 形控制臂式悬架能够更好地控制车轮的倾角。车轮倾角描述了车轮的外倾和内倾角度。它还有助于尽量减少翻滚或侧倾，并提供更一致的转向感觉。这些特点使得双A 形控制臂式悬架在大型汽车的前轮上应用十分普遍。

下面我们来了解一些常见的后悬架。

HowStuffWorks Shopper 供图

叶片弹簧

如果用实心轴连接汽车的后轮，那么悬架通常很简单——以叶片弹簧或螺旋弹簧为基础。 在第一种设计中，叶片弹簧直接夹在驱动轴上，末端直接与车架相连，减振器附着在将弹簧固定到轴上的夹具上。曾经有好几年，美国的汽车制造商都倾向于采用这种设计，因为它很简单。 用螺旋弹簧替换叶片弹簧可获得相同的基本设计。在这种情况下，弹簧和减振器既可作为一个装置安装，也可作为单独的部件分别安装。分别安装时，弹簧可以更小，可以减少悬架占用的空间。

如果前后悬架都是独立式的，那么所有车轮都将独立安装并连接弹簧，也就是汽车广告中所吹捧的“四轮独立悬架”。在汽车前轴上使用的任何悬架都可用于汽车后轴，前一节所述的独立式前悬架系统的不同版本也可在后轴上找到。当然，在汽车后部没有转向机齿条——这是包含小齿轮导向辊的装配，使车轮能够从一侧转向另一侧。这意味着后轴独立式悬架可以是前轴独立悬架的简化版本，尽管其基本原理保持不变。

专用悬架

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5 2. 3. 专用悬架 4. 5. 阅读所有引擎盖下类文章

本文大部分关注点在于普通道路上以正常条件行驶的主流的前轮和后轮驱动汽车的悬架。但是一些专业汽车的悬架又如何呢，例如大马力改装车、赛车或极限越野车？虽然这些专业汽车的悬架也采用相同的基本原理，但它们还提供了一些针对其独特驾驶条件的附加优点。下面我们简单介绍三种类型专业汽车的悬架设计——Baja 甲壳虫、一级方程式赛车和美式的由旧车改装的大马力车。

大众甲壳虫注定会受到越野爱好者的追捧。通过降低重心以及将发动机放在后轴上，这只两轮驱动的“小甲虫”能够象某些四驱车一样从容应对各种野外环境。当然，大众的这只“甲壳虫”以其出厂装备是无法适应野外条件的。多数甲壳虫车都要求进行某些改装或转换，以便能够驰骋于像加利福尼亚Baja 沙漠那样恶劣的环境。

Car Domain 供图

Baja 甲壳虫

最重要的一项改装是针对悬架进行的。1936-1977年间的多数甲壳虫车在其前后轴上配备了扭杆悬架标准装置，升高后可为安装重型越野车轮和轮胎让出空间。用较长的减振器替换标准减振器，以抬高车身并获得最大的车轮通过高度。在某些情况下，Baja 甲壳虫车的改装者会将

扭杆整个卸掉，并代之以多个螺旋弹簧系统。这是一种将弹簧和减振器组合成一个可调节的装置的汽车配件。经过这些改装的车辆，每个车轮与地面的垂直通过高度可达50厘米或更高。这样一辆汽车可轻松越过崎岖地形，并且通常会像打水漂一样“跳过”波浪起伏的沙丘。

一级方程式赛车代表了汽车革新和发展进步的顶点。轻盈的复合车身、强大的V10发动机以及先进的空气动力学理论造就了更快、更安全和更可靠的汽车。

一级方程式赛车

为突出驾驶者技巧的重要性并使之成为决定比赛胜负的关键因素，一级方程式赛车的设计有着严格的规则和要求。例如，规则规定所有一级方程式赛车的悬架必须采用传统的弹簧式设计，但不允许使用计算机控制的主动式悬架。为此，赛车采用了一种多连杆式悬架，它所用的多连杆机制相当于双A 形控制臂系统。

我们知道，双A 形控制臂设计使用两个A 形控制臂来引导每个车轮的上下运动。每条臂有三个安装位置（两个在车架上，一个在车轮轮毂上），每个结点铰接在一起以引导车轮的运动。在所有汽车中，双A 形控制臂式悬架的主要好处是容易控制。臂的几何构造以及结点的弹性使工程师们能够最大限度地控制车轮的角度和其他车辆动力特征，如提升、蹲伏和俯冲。与普通汽车不同，一级方程式赛车的减振器和螺旋弹簧没有直接安装在控制臂上。相反，它们沿着车身长度方向放置并通过一系列推杆和钟形曲柄进行远程控制。在这种排列下，推杆和钟形曲柄将车轮的上下运动转换为弹簧和减振器装置的前后运动。

美国古典式汽车改装的潮流始于1945年并持续到1965年左右。与Baja 甲虫车一样，古典式汽车也需要车主进行大量改装。但与那些构建于大众底盘的甲虫不同的是，古典式改装车采用的都是各种古老且通常具有一定历史的车型。在1945年之前生产的汽车被视为古典改装车的理想对象，因为其车身和车架的形状通常较好，但其发动机和变速器需要彻底更换。对于古典式改装车爱好者来说，这正是他们所希望的，因为这使得他们能够安装更可靠和更强大的发动机，如平头式福特V8发动机或雪佛兰V8发动机。

Street Rod Central 供图

1923年的T-bucket

一款非常流行的古典式改装车是T-bucket ，之所以这样叫是因为它以福特T 型车为基础改装。T 型车前端的福特底盘悬架包含一个实心的“I”形梁式的前轴（非独立悬架）、一个U 形小车弹簧（叶片弹簧）和一个A 形控制臂半径杆。半径杆后端的球头装在转向球座内，后者连接至变速器。福特工程师们打造的T 型车离地较高，悬架移动较大，非常适合二十世纪三十年代那种崎岖、原始的路面。但在二战以后，古典式改装车开始使用更大的卡迪拉克或林肯发动机，这意味着A 形控制臂半径杆已不再适用。因此，他们卸掉了中心球并用螺栓将A 形控制臂两端固定到车架大梁上。这种可拆式A 形控制臂设计将前轴降低了大约2.5厘米，并改进了车辆的操控性。

将车轴降低超过2.5厘米要求进行全新的设计。一家名为Bell Auto的公司提供了这一设计。在整个二十世纪四十和五十年代，Bell Auto提供的沉降式套管轴可将汽车降低足足13厘米。套管轴带有光滑的钢制套管，强度均衡，空气动力性能非常好。与铸造式“I”型梁轮轴相比，其钢表面还可以镀铬，因此古典式改装车的车主通常喜欢借此获得亮丽的外观。

但是，有些古典式改装车爱好者认为套管轴过强的刚性和无法弯曲的特点使得它处理驾驶压力的性能大打折扣。为解决这个问题，古典式改装车又引进了四杆悬架，在轴和车架上各使用两个安装点。在每个安装点处，飞机式杆端提供了所有角度上的充足运动性能。结果如何？四杆系统改进了悬架在所有驾驶条件下的表现。

未来的汽车悬架

虽然针对弹簧和减振器已经有了许多改进，但在过去的若干年中，汽车悬架的基本设计仍未有重大突破。但所有这一切可能会随着Bose 全新的悬架设计理念的引入而发生变化。有些专业人士甚至表示，Bose 悬架是自全独立式设计面世以来汽车悬架领域的最大进步。

BOSE 供图

Bose 悬架前端模块

那么Bose 系统的工作原理是什么？Bose 系统在每个车轮处使用一个线性电磁马达（LEM ）取代了传统的减振器和弹簧装置。 放大器以随着系统的每次压缩重新产生动力的方式向马达提供电力。这种马达的主要优点是它们不受传统液压式减振器固有的惯性限制。因此，LEM 能够以更快的速度伸缩，从而几乎完全消除了车厢的震动。车轮的运动可以控制得如此之好，以至于不管车轮发生什么情况，车身都能保持平稳。LEM 还可以抵消汽车加速、制动和转弯时的车身运动，为驾驶员提供更美妙的操控体验。

不幸的是，这一具有里程碑式意义的悬架在2009年之前尚不会面世。即便到那时，也只会装配在一两款高端豪华车上。在此之前，驾驶员们仍必须依赖几个世纪以来为我们扫平崎岖路面的各种久经考验的悬架设计。

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