论不同缓冲机构在汽车中的应用分析

杨立平，任小龙



论不同缓冲机构在汽车中的应用分析

杨立平，任小龙

（北京电子科技职业学院，北京 100176）

现代汽车对于舒适度的要求越来越高，而不同的车型对于舒适度的追求有所不同。汽车的悬架中的各种缓冲机构直接影响到了舒适度、操控性及稳定性。文章就各种缓冲机构的设计、使用及选择进行了论述，为合理选择机构、各种影响因素的兼顾提供了依据。

缓冲；在汽车中；应用；分析

前言

现代汽车对于驾乘者的舒适度设计要求越来越高。在满足安全和各种国家法规的基础上，各厂商都竭尽全力地进行各种开发与完善改造。然而，目前常用的比较成熟的各项技术，仍然存在着合理利用的问题，即应最大限度的发挥其各自的应用特点。下面就目前常用的缓冲机构的特点和应用进行分析。以便能充分发挥其作用。

1 弹簧

目前不论何种汽车的减震大部分都采用螺旋弹簧、板弹簧、扭杆弹簧和空气弹簧。不论哪种弹簧其都起到支撑、缓和振动及冲击载荷的作用。

由于各种弹簧的载荷特性有所不同，因此，可根据车型特点和性质选用不同类型的弹簧，以便适应各自的减振效果。

1.1 螺旋弹簧

螺旋弹簧的特性曲线如图1所示。在载荷不大时变形与载荷成正比例变化，当载荷到达一定数值后，就成曲线且载荷大而变形小。因此，该种弹簧一般应用于载荷较小的轿车减震系统中。因为载荷大后变形就小了缓冲的作用。

1）螺旋弹簧的参数设计

式中：k—弹簧钢度；τ—应力；G—剪切弹性模量(MPa)；n—有效圈数；D-螺旋弹簧直径；d-钢丝直径；K-应力修正系数。

2）螺旋弹簧的形状分析

通常螺旋元弹簧都采用载荷特性为线性的弹簧形状；有时也采用钢丝直径变化的簧丝进行加工成形。根据制造方法不同可分为热绕螺旋弹簧，即成型后淬火、回火处理；冷卷螺旋弹簧，即采用油回火钢丝成型后低温回火。

热绕成型主要用于钢丝直径超过10mm的弹簧，冷卷螺旋弹簧成型用于钢丝直径小于10mm弹簧。非线性的弹簧减振性能较好，缓冲效果明显，因此多用于舒适性好的轿车悬架当中。

在螺旋弹簧中，有一种其载荷与几何中心形成偏心，被称之为偏心载荷弹簧。该弹簧受压缩后其合成的作用力的垂直线，通常与螺旋弹簧的几何中心线有一定的偏心距。该偏心在垫圈上产生侧向分力而影响减震器的性能，使得形式性能变差。采用的解决方法是，主动抑制偏心量和侧向力。欧洲最早采用了S型或香蕉型的螺旋弹簧，就很好额地解决了该问题；日本，也批量生产出了抑制载荷偏心的螺旋弹簧；以提高行驶稳定为目的的左旋弹簧已经生产。

3）常用材料与应力分析

热绕成型的弹簧，通常使用JISG4801中的SUP7和SUP12材料；而在JISG3567中，规定了冷卷弹簧用硅锰钢，通过油回火线材的规格。但其材料与热绕成型相同，都采用SUP7和SUP12材料。同时，近几年又出现了高强度钢的弹簧。

弹簧的应用应力与悬架形式和载荷状态有关，所以使用应力一般为最大应力在980~1078MPa。如果采用高强度钢、热定型及喷丸硬化处理，则可大大降低其重量，并且具有更高的使用应力

1.2 板弹簧

板弹簧的特性曲线符合正比例，即变形与载荷成正比力变化，如图2所示。与螺旋弹簧相比，其单位体积所存储的能量相对较小，但它有一个特性就是可以兼有悬架机构部件的功能，故早期的车辆或货车等具有使用。

1）板弹簧的计算方法

通常多片板弹簧的计算分展开和集中载荷两种方法。其中展开发不受板弹簧的间隔、端部形状及板厚构成不同的影响，在设计中初期仅需要弹簧特性、应力及板弹簧片数；集中载荷计算法可计算出各片弹簧的应力分布情况，计算方法稍微复杂，当如果需要详细的弹簧特性和形状等情况时必须使用该方法。

变断面弹簧的计算，一般以材料力学的等强度梁为基础计算。基本原理是将各钢板每一块钢板弹簧的刚度相加之和，即为整体弹簧的刚度。弹簧承担的载荷也按照各自弹簧刚度的比例进行分配。

2）板弹簧的设计要点

钢板弹簧在设计时，应从以下几方面考虑：

首先，应该考虑是钢板弹簧之间的摩擦力问题。由于整个板弹簧是依靠几片钢板叠加而成的，彼此之间必然存在摩擦力。该摩擦力使得弹簧的动刚度比弹簧的静刚度变大，特别是当挠度较小时，其倾向会更为显著。板间摩擦力大会导致高频振动；而板间摩擦力小，则会导致回振的共振现象。因此，为获得的理想的摩擦力，应进行整车的试验来加以保证。

其次是载荷特性，展开法和集中载荷法计算出的弹簧刚度是以微小变形为依据进行计算的。当大型车辆挠度大且变形也大则导致计算误差也大。

当车辆紧急制动时或速起车时，钢板弹簧将产生回振力矩的现象，此时，弹簧变形与周围部件可能发生干涉现象同时应力也会增加。

如果车辆在转弯时，将发生侧倾现象。这时，弹簧将以沿汽车前进方向的轴扭转。

由于板弹簧的结构所致，板间将产生噪声，解决这一问题可采用在板间加树脂降噪材料或在弹簧夹固定处加装橡胶衬垫等减少摩擦。

另外还要考虑摩擦腐蚀问题，对于使用U形螺栓固定钢板弹簧，钢板弹簧与U形螺栓接触的部位将产生较大的压力。当有振动弹簧将产生位移并摩擦产生热量，长时间摩擦表面将产生裂纹和磨损即摩擦腐蚀。其结果将形成钢板弹簧的断裂，解决该问题的方法是通常用树脂或软钢制造的垫块置于钢板弹簧之间，以阻碍钢板弹簧的直接接触。

1.3 空气弹簧

与螺旋弹簧等金属弹簧相比，空气弹簧与其有着本质的不同。采用空气弹簧有着很好的可变性，比如可控制其弹簧的高度，当经过凸凹不平的路面时，为提高通过能力，可将底盘升高而不产生拖地现象；单独对左右弹簧控制而改善汽车的侧倾程度，从而提高舒适度；可以通过管路气流的流动阻力而控制阻尼力。

1）空气弹簧的结构类型

主要由橡胶膜和固定的金属间构成，其中金属安装件起到压力容器及上下安装之作用于功能。根据橡胶模和安装件的安装方法不同，有两种形式，其中一种被称为自封型弹簧，其结构像无内胎轮胎一样，将橡胶模嵌入金属安装件上即可；另一种是紧固型弹簧，其结构是使用螺栓将橡胶模固定在金属安装件上进行密封。

2）空气弹簧压缩与剪切方向的特性分析

①默片式弹簧压缩方向特性分析

空气弹簧压缩载荷与内压和承载面积成正比，其刚度与承压面积、与内压变化相关。空气弹簧的容积越大，弹簧刚度越小。因此，可以通过增加容积降低弹簧的刚度。

②波纹箱式剪切方向特性分析

空气弹簧中的内压力产生的恢复力及橡胶模的刚度所致，波纹箱型空气弹簧，在剪切方向上具有弹簧的特性。该刚度从理论上讲难以控制，橡胶模刚度对其影响也较大，所以依据实际测量值更准确。

相形之下，膜片型空气弹簧主要依赖于内压，即便振幅较大仍然呈正比特性。但汽车用弹簧的横向减振还是要靠扭杆、横向推力杆及V形推力杆，依靠剪切是不能满足其需要的。

2 减震器

减震器通常与螺旋弹簧配合使用，因螺旋弹簧没有阻尼作用而只有缓振作用，因此汽车用悬架系统都采用减震器。同时可以提高乘坐舒适性、降低动应力、控制簧下振动、保证轮胎与地面的黏着性等。从运动学上讲可以提高车辆的运动性能。

将抑制振动的力称为阻尼力，汽车上悬架使用的减震器具有体积小质量轻的特点。吸收震动的能力强，大部分都是利用液压原理制作而成。

2.1 产生阻尼的机构

简单原理是通过活塞的移动、液压缸内的油液流过阀体而产生压差形成阻尼力。其阻尼力为压差与承载面积的乘积，压降是速度的黏性阻力与湍流阻力的平方成正比，一般减震器通过固定阻尼孔与产生阻尼力的阀组合，而产生阻尼特性。

2.2 减震器的合理选择

正确选择减震器是保证车辆舒适性、操控性、稳定性的基础。但这三项彼此是有矛盾的，造成其矛盾的因素很多，其中阻尼特性是主要因素之一。追求操控及稳定性可将阻尼特性设的较高，但此时就损害了乘坐的舒适性；反之，若将其设定较低，则影响了车辆的稳定性。所以，选择减震器时，应该根据车辆规格在两方面都有所兼顾使其得以平衡。

减震器在尺寸上的选择标准应遵循的原则是：其一，强度必须保证在工作速度范围内不出问题；其二，必须有足够的稳定阻尼力；其三，必须考虑车辆行驶时的通风问题，即要确保足够的减震器表面积。可以考虑选择带空气弹簧的减震器、比例电磁阀的减震器、磁流变液体的减震器。

3 限位块

当车的悬挂采用麦佛逊独立悬架时，往往会用到冲击限位块。通常用在减震器的拉杆、半纵臂及钢板弹簧等处。其目的是防止车架与车身发生干涉现象，同时，吸收车轮对车身的冲击能量。

根据所使用的位置不同，有其不同的结构和材料。一般有两种材料制成的限位块。其一是橡胶限位块，其二是发泡聚氨酯限位块。

3.1 橡胶限位块

橡胶限位块在设计上可以采用与防尘罩一体的设计结构；采用天然橡胶；具有较强的防水性，容易布置。一定要满足最大载荷时的变位极限，同时应满足初期冲击反力小的要求。所以在选材上，考虑使用阻尼系数大的材质进行吸能。但也要考虑抗老化问题。

3.2 发泡聚氨酯限位块

该种材质的限位块一般都安装在减震器的拉杆上，它的设计特点是质量小；但变形大（可获得非线性弹性特性）；载荷时径向尺寸变化小，可以在小空间中使用；与橡胶限位块相比更具吸收冲击能量。将其作为辅助弹簧有利于车辆姿态的控制。

4 结论

现代汽车的缓冲装置，在提高舒适度、控制感、方向感及驾乘等方面，都有着十分重要的影响。在选择缓冲装置时，应综合考虑上述几方面的影响因素，尽量使其平衡兼而有之。即考虑舒适度、有考虑操控性，同时满足强度、结构、空间及老化等问题。使其达到最佳的配合状态。

[1] 日本自动车技术会.汽车工程手册5 底盘设计篇.北京.北京理工大学出版社,2010.

[2] 中国汽车工程学会.BOSCH汽车工程手册.北京.北京理工大学出版社,2009.

Analysis of the Application of Different Cushioning Mechanisms in Automobiles

Yang Liping, Ren Xiaolong

（Beijing Polytechnic, Beijing 100176）

Modern cars have higher requirements for comfort, while different models have different pursuit of comfort.The various cushioning mechanisms in the suspension of a car directly affect its comfort, maneuverability and stability. The design, use and selection of various cushioning mechanisms are discussed in this paper, which provides a basis for reasonable selection of institutions and all kinds of influencing factors.

cushioning; in the car; application; analysis

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A

1671-7988(2018)21-196-03

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1671-7988(2018)21-196-03

杨立平，就职于北京电子科技职业学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.066