汽车振动与悬架：如何通过四轮定位汽车性能

2023-08-31 理论教育版权反馈

【摘要】：路面不平引起的振动主要是通过连接车身与车轮的悬架来隔离。现代汽车的悬架尽管有不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。减振器可加速车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，它和弹性元件是并联安装的。当车桥与车架的相对速度较大时，减振器应当能自动增大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。

汽车作为一种运输工具，在行驶过程中产生振动是不可避免的。根据汽车具体的构造特点进行分析，引起汽车振动的振源主要有两个：一是动力传动系动，工作中的动力传动系动将自身的振动通过连接件传到车身；二是不平的路面，汽车行驶时，不平的路面使车轮相对于车身上下振动，通过悬架传给车身。

振动是影响汽车舒适性的一个重要因素。减少振动的方法主要有两种：一种是减少振源的振动，如缓和发动机自身的振动；另一种是阻断振动的传递路径，如将振源通过隔振器与其他设备连接。

对于动力传动系统引起的振动，通常的解决方法是采用振动小的发动机和传动系统；在发动机和车身连接点加装高性能的隔振器；在发动机与传动系统之间加装扭转减振器或液力变矩器等。另外，动力传动系统在汽车上的安装设计和布置也在一定程度上影响车身的振动。

对于不平路面引起的振动就是所谓的汽车行驶平顺性问题。路面不平引起的振动主要是通过连接车身与车轮的悬架来隔离。

现代汽车的悬架尽管有不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。

按照国际标准，路面等级可以分成8级，以A、B、C、D、E、F、G、H表示，A级路面最好，H级路面最差。据统计我国公路级别基本上在A、B、C三级范围之内，俗称好路面、中等路面和坏路面。路面对汽车行驶平顺性的影响不仅与路面等级有关，还与车速有关。一般来说在同样等级的路面上行驶，速度越快，振动越大。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，因此路面作用于车轮上的垂直反力往往带有冲击性，尤其在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将很大，可能引起汽车机件的早期损坏，还会使驾驶人感到极不舒服，或使货物受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶中，除了采用弹性的充气轮胎外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车轮与车身之间作弹性连接。但弹性系统在受到冲击后将产生振动，持续的振动易使乘员感到不舒服或疲劳，故悬架还应具有减振作用，使振动迅速衰减（振幅迅速减小）。为此，在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

车轮相对于车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车的某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。

在多数轿车和客车上，为了防止车身在转弯行驶等情况下发生过大的倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件——横向稳定器。

由此可见，汽车悬架的功能是缓冲、导向、减振，然而总的功能是传力。应当指出，悬架要具备上述功能，在结构上并非一定要设置满足上述各功能的单独的装置。例如，常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，它本身还能起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而可不再另设导向机构。此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，本身具有一定减振能力，在对减振器要求不高的车辆上，也可以不装减振器。

由悬架刚度和悬架弹簧支撑的质量（簧载质量）所决定的车身固有频率（也称振动系统的自由振动频率），是影响汽车行驶平顺性的悬架重要性能指标之一。人体所习惯的垂直振动频率大致在人的心跳频率附近，因为人体对心跳的振动比较适应，这个频率与步行时身体上下运动的频率也比较接近，为1～1.6Hz。车身固有频率应当尽可能地处于或接近这一频率范围。取值过高，悬架隔振性能下降；取值过低，汽车在坏路面行驶时容易蹭地或频繁地撞击限制器，反而造成冲击，影响乘客。此外，车轮的设计动行程也是影响汽车行驶平顺性的一个重要参数。一般当汽车在坏路面上行驶时，希望设计动行程大些，可减少限制器的次数，但设计行程过大则将增大汽车底盘的离地高度。城市道路车辆的动行程一般比越野车辆要小。

根据力学分析，如果将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的固有频率为

式中，g为重力加速度；f为悬架垂直变形（挠度）；M为悬架簧载质量；C（C=Mg/f）为悬架刚度（不一定等于弹性元件的刚度），它是指使车轮中心相对于车身向上移动单位距离（即使悬架产生单位垂直压缩变形）所需要加于悬架上的垂直载荷。

由上式可见：

在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度越小，则汽车固有频率越低。但悬架刚度越小，在一定载荷下悬架垂直变形就越大，即车轮上下跳动所需要的空间越大，这对于簧载质量大的货车，在结构上是难于保证的。因此，实际上货车的车身固有频率往往偏高，而大大超过了上述理想的频率范围。

当悬架刚度一定时，簧载质量越大，则悬架垂直变形越大，而固有频率越低，故空车行驶时的车身固有频率要比满载行驶时的高。簧载质量变化越大，则频率变化范围也越大。

为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身固有频率保持不变或变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架刚度随之增加。

有些弹性元件本身的刚度就是可变的，如气体弹簧；有些悬架所用弹性元件的刚度虽然不变，但是安装在悬架上之后，可使整个悬架具有可变的刚度，如扭杆弹簧悬架。

减振器可加速车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，它和弹性元件是并联安装的。减振器的阻尼力越大，振动消除得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：

1）在悬架压缩行程（车桥与车架相互移近的行程）内，减振器阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性来缓和冲击。

2）在悬架伸张行程（车桥与车架相互远离的行程）内，减振器阻尼力应较大，以求迅速减振。

当车桥与车架的相对速度较大时，减振器应当能自动增大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。

特别要注意的是，悬架的设计是整体的，弹性元件、减振器和轮胎等的设计选择与汽车的簧上质量、簧下质量、车身的质量分布及刚度分布都有关系。因此，一般来说，不同型号汽车的上述部件的相互替换是受限制的，替换不当会造成振动加大，甚至影响汽车的操纵稳定性，危及安全。

还要注意的是，汽车的簧上质量和簧下质量通常是容易被忽略的参数，而它们对汽车行驶平顺性也有较大的影响。一般来说，在同等条件下，簧上质量大而簧下质量小的汽车振动要小些。另外，簧上质量大的汽车在承载质量改变时车身垂直振动的固有频率变化不大，因而对悬架的隔振性能影响不大。

汽车振动与悬架：如何通过四轮定位汽车性能

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