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The MotorVehicle
悬架原理
显然，如果将作用在车轮上的载荷直接传递到底盘，不仅会给乘员带来严重的伤害，而且其结构也会承受过度的疲劳载荷。因此，悬架系统的主要功能是在可行的范围内将车身与由于路面不平整引起的冲击载荷和振动隔离开来。其次，它必须做到这一点而不会损害车辆的稳定性、转向或一般的操纵稳定性。通过使用挠性元件和减振器可以满足主要要求，而通过使用机械连杆来控制非悬挂质量–轮轴组件–弹性支承质量之间的相对运动，则可以满足第二个要求。这些连接既可以像半椭圆形的弹簧一样简单，也可以像双横向连杆和防倾杆一样复杂，或者可以是其他一些这样的机构组合。
1.1不规则道路和人类敏感性
DSIR道路研究委员会的报告，1936年7月，可以获得一些由道路不平整引起的干扰程度的指示。从该报告中可以看出，中等质量道路上的地面起伏通常具有0.013 m或更小的振幅，而0.005 m的振幅是非常好的道路的特征。这些起伏的平均节距在4 m以下，而大多数公路车轮以2 m / rev的速度向前滚动。除了传统的柏油碎石路面，还有搓板路，后者主要出现在非铺装路和轨道上。这两种类型的表面的代表性复制品在A. Fogg，Proc。的MIRA试验场中进行了描述。 A.D.研究所机甲。工程师。 1955–65。
显然，轮胎的直径，轮胎与道路之间的接触面的大小，轮胎作为弹簧的元件，车轮和车轴组件的重量都会影响传递到车轴的振动的大小，而车轮运动的幅度受所有这些因素以及悬架弹簧的刚度，减振器的阻尼效果以及非悬挂弹簧和悬挂弹簧的重量的影响。非悬挂的质量可以宽松地定义为道路和主悬挂弹簧之间的质量，而悬挂的质量是支撑在这些悬挂弹簧上的质量，尽管这两者也可能包括弹簧和连杆机构的重量。
轮子上有两种完全不同的振动类型：一种是由于车轮撞击引起的，另一种是由于轮子驶入坑洼所引起的。前者将在很大程度上受到颠簸的几何形状和车辆速度的影响，而对后者而言，除了坑洼的几何形状以外，主要影响是非悬挂的质量和弹簧刚度，速度是次要的影响因素。
人类对这些干扰的敏感性非常复杂，可以在Donald Bastow的《Car Suspension and Handling》一书中找到更详细的讨论，伦敦Pentech出版社，1980年。人们普遍认为，垂直频率与2.5至4 mph的步行速度相关–也就是1.5到2.3 Hz –舒适，头部的前后或侧面频率应小于1.5 Hz。如果内耳的频率在0.5到0.75 Hz之间，则容易出现头晕和疾病。其他重要器官在5至7 Hz的频率下可能会感到严重不适。
1.2悬架系统
悬挂系统可以简化形式表示，如图下所示。 弹簧质量的固有频率（如果受到短暂干扰会在其上弹起并在弹簧上自由弹起的频率）取决于轮胎和悬架弹簧串联的总比率，即
1 1 1
=
R Rs Rt
其中R是总悬挂率；Rs是悬挂弹簧率；Rt是轮胎率
在图中，减震器是D处的液压阻尼器。悬架系统中的任何摩擦力都会附加到液压阻尼上。 但是，虽然可以将减震器的液压阻尼力与弹簧质量相对于非弹簧质量的垂直速度的平方成正比，但动摩擦阻尼力实际上是恒定的，与速度无关。 因此，虽然幅度小，
悬架的速度运动实际上不受液压阻尼的影响，摩擦阻尼所施加的力对于这些小的运动与对于大的运动是相同的。
例如，使用新的多叶半椭圆弹簧，静态和动态插层之间的摩擦力之间只有很小的差异，有时将其分别称为静摩擦和摩擦。但是，当同一个弹簧生锈并变脏时，这种差异会变得相当大，其结果是，在高频过程中，通过摩擦阻尼完成的功的平均值就会变小。确实，在极端情况下，弹簧可能会变得如此僵硬，以至于在出现小幅度干扰时，它实际上根本不会挠曲。当然，这可能导致严酷的不舒服乘坐。还必须牢记，即使在任何情况下，液压也都直接传递到弹簧上，即不受悬架弹簧的缓冲。
阻尼器具有双重功能。首先，它们是为了减少在引起初始运动的干扰停止后，滑架单元继续在其弹簧上弹跳的趋势。其次，它们可以防止以与弹簧-质量系统固有振动频率相同的频率进行周期性激励而导致反弹幅度的过度累积。该固有频率是弹簧质量的重量和弹簧刚度的函数，并且实际上可以证明与1 /radic;delta;成正比，其中delta;是弹簧的静态挠度。
两种形式的干扰中的每一种都可能导致两种完全不同的共振中的一种。一种这样的形式是车轮以一定的速度通过一系列等距的颠簸，使得它们产生的干扰的频率与悬架系统的固有频率相一致。第二个是车轮的不平衡，车轮的不平衡力将随着旋转速度的平方增加。
在两种不同的频率中：一种是悬架弹簧系统上的弹簧质量，另一种是轮胎上的非弹簧质量–轮轴组件。显然后者受悬架弹簧刚度的影响，但只受到很小的影响。前者会经历相对较低的频率-大约1至1.5 Hz-滑架单元的弹跳，而后者则是车轮跳动的频率，通常在10至15 Hz的较高频率下弹跳，并且几乎完全独立地产生托架单元的动作。为了最大程度地减小车轮跳动的幅度（不仅是共振跳动，而且是孤立的跳动），必须将非悬挂的重量保持尽可能小。弹跳或未弹跳的质量的共振会不利地影响车辆的操纵稳定性，甚至会因车辆的操纵稳定性上产生危险情况。因此，显然，重要的是要使阻尼器或减振器保持良好的工作状态。
这些相同的干扰也可能导致车辆的俯仰或侧倾振动。在这些情况下，固有频率是滚动和俯仰情况下的弹簧刚度以及弹簧质量分别围绕横轴和纵轴的惯性矩的函数。通常将轴的绕平行于车辆纵轴的轴的滚动振动称为步行，因为其影响类似于人的步行运动-一次向前迈进了一步。
通过使用扭杆弹簧，可以获得补充的侧倾刚度，而不会影响两轮的反弹刚度-抵抗整个车轴的垂直运动，或者抵抗两个车轮的同时运动。该弹簧通常称为防倾杆，它横向安装在车辆下方的两个轴承中，通常是橡胶衬套，其两端通过杠杆（有时是钩环）连接至车轴。如果使用简单的枢轴而不是钩环将杠杆连接到车轴，则这些杠杆可以用作半径杆，以在车轴上下运动时对车轴进行引导。由于使用防倾杆不可避免地意味着在滚动过程中会在轮胎上施加额外的垂直载荷，因此会对转向和操纵产生影响。这是因为，在车辆转弯时，外轮轮胎在与地面接触的区域内的额外垂直偏转会使其更容易受到侧向偏转（增加滑移角）的影响。设计者在决定是否在前部或后部安装防倾杆或同时在两者上安装防倾杆时，必须考虑这种效果。
显然，前悬架和后悬架的运动之间必须存在相互作用-振动耦合效应，并且这必须影响俯仰趋势。相互作用的程度将取决于扰动的频率或汽车翻滚的颠簸的频率，以及前后悬架的固有频率。显然，强迫频率取决于颠簸的间距，车辆的速度及其围绕俯仰轴的惯性矩，而车辆俯仰时的响应幅度不仅取决于这两个因素，而且在轴距上。
如果后悬架的固有频率比前悬架的固有频率低，则俯仰运动往往比前悬架的固有频率低。此外，如果后悬架具有较高的固有频率，则初始俯仰运动将不太剧烈。因此，通常使后悬架的固有频率高于前悬架的固有频率。车辆的速度越高，初始俯仰运动的强度就越小。之所以会产生这种效果，是因为随着速度的增加，前后轮颠簸之间的时间占车辆自然频率俯仰运动周期时间的比例较小，并且理论上最终可能为零。该原理类似于隔振原理，例如，发动机在固有频率较低的橡胶安装系统上以较高的频率自由振动。
1.3阻尼
如前所述，减振器需要快速消失以随机方式或周期性地在悬架系统的固有频率下施加的任何振动，从而避免进入共振状态。为此，它们在与悬架的瞬时运动相反的方向上施加力。早期的汽车装有摩擦阻尼器，通常是在叶片或臂之间插入摩擦材料的包装，这些摩擦材料交替地连接到悬挂和非悬挂的质量上。还使用了半旋转叶片式液压缓冲器。但是，由于叶片周围的密封长度与排量的比例之高，使这些部件很快受到磨损的不利影响，因此放弃了这些部件。
现代减振器几乎都是固定在弹簧和非弹簧质量（托架单元和车轴）之间的伸缩液压撑杆，或者是较少见的杠杆类型，也就是液压单元。杠杆式减振器的装有液压缸的车身通常安装在滑架单元上，其操纵杆与车轴相连。如果将车身安装在车轴上，则车身要经受的高频高速运动可能会导致液压油曝气，从而对单元的阻尼能力产生不利影响。在动态条件下，车轴的最小垂直加速度可以在20到30g之间。
阻尼是通过阻尼活塞或多个阻尼活塞实现的，从而迫使液压油以高速通过小孔。因此，能量被流体吸收，转化为热量，然后通过传导而部分地消散到车辆的周围结构中，但最终全部进入流过这些组件的气流中。对于任何给定的能量输入速率，如此吸收和消散的能量的量是流体的体积和粘度以及迫使其通过的孔的数量，大小和几何形状的函数。液压阻尼的主要优点是，如前所述，阻尼器的挠曲阻力是其速度平方的函数。因此，车轮的缓慢运动可以相对自由地发生，但是阻力随着运动速度而迅速增加。
理想情况下，阻尼器设计的目的是在任何给定尺寸的情况下获得最大可能的能量吸收潜力，这将意味着在颠簸和回弹冲程上具有相等的阻尼。但是，由于颠簸冲程通常是剧烈的强制运动，并且不希望将这种力直接通过减振器传递到弹簧上的质量，因此颠簸冲程的阻尼通常小于回弹冲程的阻尼。当然，轴的重量和悬架弹簧施加的力会产生较平缓的运动。为了减轻所有阻尼的撞击行程，从而减轻所有直接传递的冲击的托架单元，是不切实际的，其原因有两个：第一，它将使阻尼系统的能量吸收能力减半；其次，仅在回弹上阻尼会趋于使滑架单元下降到低于其在弹簧上的静态挠度的平均水平。橡胶衬套或挡块在其端部配件与它们在桥和滑架单元上的固定点之间插入橡胶衬套或垫块，可避免高频，小振幅振动通过减震器直接传递到滑架单元。
1.4实际中的阻尼器
所有伸缩式阻尼器的共同特征是，当活塞移入气缸时，其整个面积可有效地传递负载，从而对流体加压，但当流体向外移动时，活塞的有效面积减小至环的圆周和活塞杆的圆周之间的距离。因此，如果在两个方向上都需要相等的阻尼，则可以通过将每个阀打开活塞上小孔的压力调整为每个流向的不同值，从而获得一定的补偿，从而迫使流体提供压力。阻尼。同样，在两个方向上用于流动的孔的总横截面积也必须不同。当然，可以通过使用简单的平板阀在仅沿一个方向运动时关闭一些孔来获得后一种效果。
活塞杆进入气缸的另一种效果是，可用于容纳活塞两侧流体的体积不同。可以通过在气缸中安装一个柔性元件来对此进行补偿，以便可以根据需要自动调整其中的总体积。该柔性元件可以是包含惰性气体的弹性球体，也可以是在其与气缸的封闭端之间具有惰性气体的自由活塞。另一种选择是使用双管设计。
1.5双管阻尼器
图说明了双管设计。它由一个气缸A组成，在气缸A上焊接有一个气缸盖B。气缸盖B拧入外管C中，在气缸C中焊接有一个压制的钢盖和吊环D，气缸A通过该气缸盖固定在车轴或车轮组件上。气缸E中的活塞E固定在活塞杆F上，该活塞杆F的上端焊接有孔眼，通过该孔眼将其固定在车辆的车架上。活塞杆从气缸伸出的部分由焊接到固定孔的盖子保护。压盖G防止在活塞道穿过喷头B的地方泄漏；压盖填料刮下的所有流体都通过排泄孔向下流到气缸A和外管C之间的储液空间。在气缸A的底部是脚踏阀组件L。
活塞E上钻有两个同心的孔环：外环被星型碟形弹簧I压紧的碟形阀H覆盖，而内环被螺旋弹簧支撑的碟形阀J覆盖K底脚上的阀组件与活塞中的阀组件类似，不同之处在于，覆盖孔内环的下部碟形阀由碟形弹簧而不是螺旋弹簧支撑。这是为了减少减震器的死区长度，即工作行程不可用的长度。
气缸A的两端完全充满了流体，但是空间
图42.2双管伸缩阻尼器
在A和C之间仅部分填充。如果孔眼D向上移动，则必须将流体从活塞E的下方移动到上方。通过将阀H顶向弹簧I来使该流体通过孔的外环。但是由于汽缸的上端小于–进入汽缸的活塞杆部分的容积–比下端的容积减小，流体也将通过底阀内孔的内圈和储层空间中的流体的百分比将上升。
压力的设定将取决于由活塞阀和底阀中的阀打开的通道的大小，当然还取决于气缸向上移动的速度的平方。为了使油缸向下运动，阀J将被迫离开其阀座，流体将从油缸的上端通过活塞孔的内圈转移到下端，但将容积减小活塞杆从气缸中流出时，也会导致流体也从储液腔中抽出，通过底阀中的孔的外圈进入气缸的下端。
双管阻尼器的一个优点是，从主管中排入外管的油会带走热量，然后将热量轻易带走。这倾向于使所有流体保持在适中的温度。显然，外管中的液位越高，传热效果就越大。另一个优点是，外管中的损坏（例如凹痕）不会干扰活塞的工作
1.6弹簧
悬挂弹簧的功能可以从以下内容中了解。当车轮遇到颠簸时，它会非常迅速地压缩，因此，如果未在其与滑架单元之间插入弹簧，则传递的冲击力将很大。在传统的悬架系统中，传递到滑架单元的唯一力是将弹簧压缩到足以使车轮滑过颠簸所需的力。该力使车身向上加速，但速度比其他情况要小得多。
当车轮驶入坑洼处时，弹簧上的力作用在相对较轻的非簧载的质量（车轮和车轴）上，从而将其以快速的速度向下推，以使其大致在相对较大的质量之前到达凹陷的底部由于其惯性，滑架单元的底部已经有时间开始下降。由于在这种挠曲下弹簧力的变化相对较小，因此与在重力作用下没有弹簧的情况相比，由弹簧支撑的滑架单元的向下加速度相应地适度。
当扰动过去时，无论是颠簸还是凹陷，滑架单元的后续运动都是其在弹簧上的自由振动，加速度很小。该振动通过减振器迅速减小到零。
目前，以下类型的弹簧用于汽车和商用车辆的悬架：叠层或片状弹簧；锥叶线圈扭力杆橡胶;空气;和煤气。决定弹簧类型选择的主要特征是：安装的总成本，储能的相对容量，悬架系统的总重量，疲劳寿命以及所需的位置或导向机构。
对于给定的应力水平，板簧通常仅具有螺旋弹簧或扭杆弹簧的储能能力的四分之一。以给定储能容量的重量为基础计算，该比率约为3.9：1，有利于盘簧或扭杆弹簧。对于橡胶弹簧，该比率根据弹簧的形式而变化，但是可能在7.4到15：1之间。如果板簧的应力必须限制在700 MN / m2，则其能量存储容量约为50.4 Nm / kg。通过使用刚刚引用的比率，
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