楊立平，任小龍

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論不同緩沖機(jī)構(gòu)在汽車中的應(yīng)用分析

楊立平，任小龍

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

現(xiàn)代汽車對于舒適度的要求越來越高，而不同的車型對于舒適度的追求有所不同。汽車的懸架中的各種緩沖機(jī)構(gòu)直接影響到了舒適度、操控性及穩(wěn)定性。文章就各種緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用及選擇進(jìn)行了論述，為合理選擇機(jī)構(gòu)、各種影響因素的兼顧提供了依據(jù)。

緩沖；在汽車中；應(yīng)用；分析

前言

現(xiàn)代汽車對于駕乘者的舒適度設(shè)計(jì)要求越來越高。在滿足安全和各種國家法規(guī)的基礎(chǔ)上，各廠商都竭盡全力地進(jìn)行各種開發(fā)與完善改造。然而，目前常用的比較成熟的各項(xiàng)技術(shù)，仍然存在著合理利用的問題，即應(yīng)最大限度的發(fā)揮其各自的應(yīng)用特點(diǎn)。下面就目前常用的緩沖機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行分析。以便能充分發(fā)揮其作用。

1 彈簧

目前不論何種汽車的減震大部分都采用螺旋彈簧、板彈簧、扭桿彈簧和空氣彈簧。不論哪種彈簧其都起到支撐、緩和振動及沖擊載荷的作用。

由于各種彈簧的載荷特性有所不同，因此，可根據(jù)車型特點(diǎn)和性質(zhì)選用不同類型的彈簧，以便適應(yīng)各自的減振效果。

1.1 螺旋彈簧

螺旋彈簧的特性曲線如圖1所示。在載荷不大時變形與載荷成正比例變化，當(dāng)載荷到達(dá)一定數(shù)值后，就成曲線且載荷大而變形小。因此，該種彈簧一般應(yīng)用于載荷較小的轎車減震系統(tǒng)中。因?yàn)檩d荷大后變形就小了緩沖的作用。

1）螺旋彈簧的參數(shù)設(shè)計(jì)

式中：k—彈簧鋼度；τ—應(yīng)力；G—剪切彈性模量(MPa)；n—有效圈數(shù)；D-螺旋彈簧直徑；d-鋼絲直徑；K-應(yīng)力修正系數(shù)。

2）螺旋彈簧的形狀分析

通常螺旋元彈簧都采用載荷特性為線性的彈簧形狀；有時也采用鋼絲直徑變化的簧絲進(jìn)行加工成形。根據(jù)制造方法不同可分為熱繞螺旋彈簧，即成型后淬火、回火處理；冷卷螺旋彈簧，即采用油回火鋼絲成型后低溫回火。

熱繞成型主要用于鋼絲直徑超過10mm的彈簧，冷卷螺旋彈簧成型用于鋼絲直徑小于10mm彈簧。非線性的彈簧減振性能較好，緩沖效果明顯，因此多用于舒適性好的轎車懸架當(dāng)中。

在螺旋彈簧中，有一種其載荷與幾何中心形成偏心，被稱之為偏心載荷彈簧。該彈簧受壓縮后其合成的作用力的垂直線，通常與螺旋彈簧的幾何中心線有一定的偏心距。該偏心在墊圈上產(chǎn)生側(cè)向分力而影響減震器的性能，使得形式性能變差。采用的解決方法是，主動抑制偏心量和側(cè)向力。歐洲最早采用了S型或香蕉型的螺旋彈簧，就很好額地解決了該問題；日本，也批量生產(chǎn)出了抑制載荷偏心的螺旋彈簧；以提高行駛穩(wěn)定為目的的左旋彈簧已經(jīng)生產(chǎn)。

3）常用材料與應(yīng)力分析

熱繞成型的彈簧，通常使用JISG4801中的SUP7和SUP12材料；而在JISG3567中，規(guī)定了冷卷彈簧用硅錳鋼，通過油回火線材的規(guī)格。但其材料與熱繞成型相同，都采用SUP7和SUP12材料。同時，近幾年又出現(xiàn)了高強(qiáng)度鋼的彈簧。

彈簧的應(yīng)用應(yīng)力與懸架形式和載荷狀態(tài)有關(guān)，所以使用應(yīng)力一般為最大應(yīng)力在980~1078MPa。如果采用高強(qiáng)度鋼、熱定型及噴丸硬化處理，則可大大降低其重量，并且具有更高的使用應(yīng)力

1.2 板彈簧

板彈簧的特性曲線符合正比例，即變形與載荷成正比力變化，如圖2所示。與螺旋彈簧相比，其單位體積所存儲的能量相對較小，但它有一個特性就是可以兼有懸架機(jī)構(gòu)部件的功能，故早期的車輛或貨車等具有使用。

1）板彈簧的計(jì)算方法

通常多片板彈簧的計(jì)算分展開和集中載荷兩種方法。其中展開發(fā)不受板彈簧的間隔、端部形狀及板厚構(gòu)成不同的影響，在設(shè)計(jì)中初期僅需要彈簧特性、應(yīng)力及板彈簧片數(shù)；集中載荷計(jì)算法可計(jì)算出各片彈簧的應(yīng)力分布情況，計(jì)算方法稍微復(fù)雜，當(dāng)如果需要詳細(xì)的彈簧特性和形狀等情況時必須使用該方法。

變斷面彈簧的計(jì)算，一般以材料力學(xué)的等強(qiáng)度梁為基礎(chǔ)計(jì)算。基本原理是將各鋼板每一塊鋼板彈簧的剛度相加之和，即為整體彈簧的剛度。彈簧承擔(dān)的載荷也按照各自彈簧剛度的比例進(jìn)行分配。

2）板彈簧的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼板彈簧在設(shè)計(jì)時，應(yīng)從以下幾方面考慮：

首先，應(yīng)該考慮是鋼板彈簧之間的摩擦力問題。由于整個板彈簧是依靠幾片鋼板疊加而成的，彼此之間必然存在摩擦力。該摩擦力使得彈簧的動剛度比彈簧的靜剛度變大，特別是當(dāng)撓度較小時，其傾向會更為顯著。板間摩擦力大會導(dǎo)致高頻振動；而板間摩擦力小，則會導(dǎo)致回振的共振現(xiàn)象。因此，為獲得的理想的摩擦力，應(yīng)進(jìn)行整車的試驗(yàn)來加以保證。

其次是載荷特性，展開法和集中載荷法計(jì)算出的彈簧剛度是以微小變形為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。當(dāng)大型車輛撓度大且變形也大則導(dǎo)致計(jì)算誤差也大。

當(dāng)車輛緊急制動時或速起車時，鋼板彈簧將產(chǎn)生回振力矩的現(xiàn)象，此時，彈簧變形與周圍部件可能發(fā)生干涉現(xiàn)象同時應(yīng)力也會增加。

如果車輛在轉(zhuǎn)彎時，將發(fā)生側(cè)傾現(xiàn)象。這時，彈簧將以沿汽車前進(jìn)方向的軸扭轉(zhuǎn)。

由于板彈簧的結(jié)構(gòu)所致，板間將產(chǎn)生噪聲，解決這一問題可采用在板間加樹脂降噪材料或在彈簧夾固定處加裝橡膠襯墊等減少摩擦。

另外還要考慮摩擦腐蝕問題，對于使用U形螺栓固定鋼板彈簧，鋼板彈簧與U形螺栓接觸的部位將產(chǎn)生較大的壓力。當(dāng)有振動彈簧將產(chǎn)生位移并摩擦產(chǎn)生熱量，長時間摩擦表面將產(chǎn)生裂紋和磨損即摩擦腐蝕。其結(jié)果將形成鋼板彈簧的斷裂，解決該問題的方法是通常用樹脂或軟鋼制造的墊塊置于鋼板彈簧之間，以阻礙鋼板彈簧的直接接觸。

1.3 空氣彈簧

與螺旋彈簧等金屬彈簧相比，空氣彈簧與其有著本質(zhì)的不同。采用空氣彈簧有著很好的可變性，比如可控制其彈簧的高度，當(dāng)經(jīng)過凸凹不平的路面時，為提高通過能力，可將底盤升高而不產(chǎn)生拖地現(xiàn)象；單獨(dú)對左右彈簧控制而改善汽車的側(cè)傾程度，從而提高舒適度；可以通過管路氣流的流動阻力而控制阻尼力。

1）空氣彈簧的結(jié)構(gòu)類型

主要由橡膠膜和固定的金屬間構(gòu)成，其中金屬安裝件起到壓力容器及上下安裝之作用于功能。根據(jù)橡膠模和安裝件的安裝方法不同，有兩種形式，其中一種被稱為自封型彈簧，其結(jié)構(gòu)像無內(nèi)胎輪胎一樣，將橡膠模嵌入金屬安裝件上即可；另一種是緊固型彈簧，其結(jié)構(gòu)是使用螺栓將橡膠模固定在金屬安裝件上進(jìn)行密封。

2）空氣彈簧壓縮與剪切方向的特性分析

①默片式彈簧壓縮方向特性分析

空氣彈簧壓縮載荷與內(nèi)壓和承載面積成正比，其剛度與承壓面積、與內(nèi)壓變化相關(guān)?？諝鈴椈傻娜莘e越大，彈簧剛度越小。因此，可以通過增加容積降低彈簧的剛度。

②波紋箱式剪切方向特性分析

空氣彈簧中的內(nèi)壓力產(chǎn)生的恢復(fù)力及橡膠模的剛度所致，波紋箱型空氣彈簧，在剪切方向上具有彈簧的特性。該剛度從理論上講難以控制，橡膠模剛度對其影響也較大，所以依據(jù)實(shí)際測量值更準(zhǔn)確。

相形之下，膜片型空氣彈簧主要依賴于內(nèi)壓，即便振幅較大仍然呈正比特性。但汽車用彈簧的橫向減振還是要靠扭桿、橫向推力桿及V形推力桿，依靠剪切是不能滿足其需要的。

2 減震器

減震器通常與螺旋彈簧配合使用，因螺旋彈簧沒有阻尼作用而只有緩振作用，因此汽車用懸架系統(tǒng)都采用減震器。同時可以提高乘坐舒適性、降低動應(yīng)力、控制簧下振動、保證輪胎與地面的黏著性等。從運(yùn)動學(xué)上講可以提高車輛的運(yùn)動性能。

將抑制振動的力稱為阻尼力，汽車上懸架使用的減震器具有體積小質(zhì)量輕的特點(diǎn)。吸收震動的能力強(qiáng)，大部分都是利用液壓原理制作而成。

2.1 產(chǎn)生阻尼的機(jī)構(gòu)

簡單原理是通過活塞的移動、液壓缸內(nèi)的油液流過閥體而產(chǎn)生壓差形成阻尼力。其阻尼力為壓差與承載面積的乘積，壓降是速度的黏性阻力與湍流阻力的平方成正比，一般減震器通過固定阻尼孔與產(chǎn)生阻尼力的閥組合，而產(chǎn)生阻尼特性。

2.2 減震器的合理選擇

正確選擇減震器是保證車輛舒適性、操控性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。但這三項(xiàng)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。追求操控及穩(wěn)定性可將阻尼特性設(shè)的較高，但此時就損害了乘坐的舒適性；反之，若將其設(shè)定較低，則影響了車輛的穩(wěn)定性。所以，選擇減震器時，應(yīng)該根據(jù)車輛規(guī)格在兩方面都有所兼顧使其得以平衡。

減震器在尺寸上的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)遵循的原則是：其一，強(qiáng)度必須保證在工作速度范圍內(nèi)不出問題；其二，必須有足夠的穩(wěn)定阻尼力；其三，必須考慮車輛行駛時的通風(fēng)問題，即要確保足夠的減震器表面積?？梢钥紤]選擇帶空氣彈簧的減震器、比例電磁閥的減震器、磁流變液體的減震器。

3 限位塊

當(dāng)車的懸掛采用麥佛遜獨(dú)立懸架時，往往會用到?jīng)_擊限位塊。通常用在減震器的拉桿、半縱臂及鋼板彈簧等處。其目的是防止車架與車身發(fā)生干涉現(xiàn)象，同時，吸收車輪對車身的沖擊能量。

根據(jù)所使用的位置不同，有其不同的結(jié)構(gòu)和材料。一般有兩種材料制成的限位塊。其一是橡膠限位塊，其二是發(fā)泡聚氨酯限位塊。

3.1 橡膠限位塊

橡膠限位塊在設(shè)計(jì)上可以采用與防塵罩一體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；采用天然橡膠；具有較強(qiáng)的防水性，容易布置。一定要滿足最大載荷時的變位極限，同時應(yīng)滿足初期沖擊反力小的要求。所以在選材上，考慮使用阻尼系數(shù)大的材質(zhì)進(jìn)行吸能。但也要考慮抗老化問題。

3.2 發(fā)泡聚氨酯限位塊

該種材質(zhì)的限位塊一般都安裝在減震器的拉桿上，它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是質(zhì)量?。坏冃未螅色@得非線性彈性特性）；載荷時徑向尺寸變化小，可以在小空間中使用；與橡膠限位塊相比更具吸收沖擊能量。將其作為輔助彈簧有利于車輛姿態(tài)的控制。

4 結(jié)論

現(xiàn)代汽車的緩沖裝置，在提高舒適度、控制感、方向感及駕乘等方面，都有著十分重要的影響。在選擇緩沖裝置時，應(yīng)綜合考慮上述幾方面的影響因素，盡量使其平衡兼而有之。即考慮舒適度、有考慮操控性，同時滿足強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、空間及老化等問題。使其達(dá)到最佳的配合狀態(tài)。

[1] 日本自動車技術(shù)會.汽車工程手冊5 底盤設(shè)計(jì)篇.北京.北京理工大學(xué)出版社,2010.

[2] 中國汽車工程學(xué)會.BOSCH汽車工程手冊.北京.北京理工大學(xué)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

U462

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1671-7988(2018)21-196-03

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1671-7988(2018)21-196-03

楊立平，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.066