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汽车底盘：工程原理（第二版）
悬架和驱动器的类型
本章主要涉及有关驱动器和悬架的原理
1.1 车轮悬架的一般特性
由于运行情况的不同（满载/空载，加速/减速，水平/不平路面，直线/转弯），现代汽车的悬架需要满足许多存在部分矛盾的要求。
在车轮连接处作用的力与力矩应该指向车身。 在纵向上的主销偏移和干扰力臂，在横向上的主销偏移，以及垂直方向上的径向载荷力矩臂是与结果相互影响的非常重要的元素，比如转向轴角度。
考虑到驾驶舒适性的原因，足够的垂直弹簧行程，可以与车轮（运动轮）在不平路面上的水平运动相结合。而衰减悬架同样要符合减少轮胎的滚动刚度和轮胎由路面引起的在纵向方向上的短行程的移动的目的（纵向柔顺，图1.1），但是不能影响到轮胎横向力的变化从而不会影响到转向精度，这又需要最大刚度的车轮悬架。这一要求又因行驶和刹车行动所产生的纵向力会干扰车轮运动所产生的对挠性的重要需求而遭到破坏。
图1.1 多连杆后轴——一种逐渐取代半拖臂轴的悬架系统，并且每一边至少由一条拖臂组成。该臂由两个（或者三个）横向控制臂引导（图1.62和图1.77）。该臂同时作为轮毂架工作并且（在四轮转向上）允许存在转动后轮说需要的轻微角度移动。然而，它的主要优点还是优秀的运动特性和弹性特性。宝马公司称图中所示和专配在3系列（1997年）的这一设计为lsquo;中央臂轴rsquo;。拖臂1由GGG40铸铁制成；他们吸收所有的纵向力和制动冲量并将它们通过点2——半径臂轴中心（图3.158和图3.159）——传递到车身。轮胎连接中心产生的横向力由副车架5所吸收，其由四个橡胶村套（零件6和7）通过横向控制臂3和4固定在车身上。上臂3带有弹簧11和防倾杆8。所以，这里是垂直力在轴和车身直接传递的主要位置。
在图上方，携带附加的聚氨酯弹簧9的减震器（图5.50），被固定在轴心后方拖臂末尾处的极佳位置。由于考虑到噪声的原因，差动器10通过三点（前面两个橡皮轴承，后面一个液压轴承）弹性连接在副车架5上。当从后方和上方看时，横向控制臂以一定角度安置，再加上点2处轴承不同的橡胶硬度，它们一起实现了期望的弹性特性。这些特性如下：
·前束制动力（图3.64和3.82）。
·侧向力在转弯时柔性转弯不足（图3.79和3.80）。
·预防转向扭矩的影响（见章节2.10.4）。
·变道和直行稳定。
由于空间的原因，前面的孔2被置入零件1中并用螺栓固定在附连支架上。拉长的孔同样在这个部位上提供，因此前束得以安置。在E64车型系列下（从1998年起），上横臂因考虑的重量的原因而由铝制成（减少非簧载质量）。
为确保车辆在稳定状态下和过渡状态下实现最佳操作特性的目的，车轮必须限定在相对路面的一个确定位置从而达到产生必要的侧向力的目的。横向车轮力的组成和大小是由具体的前束和车辆外倾角的变化决定的，它们由轴的运动（转向滚动）和操作力（转向柔性）所导致的车身的运动和颠簸所决定。这使得一些特殊的操作条件可能实现比如将负载和牵引加入考虑条件中。通过建立轴相应的几何动力学模型，可以避免车身在加速和刹车时产生的不期望的下降和上升，并且确保汽车不会表现出任何过度转向的趋势，而显示出司机可以预测出的过渡特性。
其他的需求有：
·在一根轴上的每个车轮独立运动（不包括刚性轴）；
·为了使车轮载荷波动尽量小，悬架的非簧载质量应较小（这对驾驶安全很重要）；
·将车轮上的力引入车身的方式应该有利于力的流动；
·重要的车厢和建造意图的支出，必须考虑到由几何学和稳定性所产生的必要限度；
·易于使用；
·对于乘客和其他道路使用者被动安全的特性；
·成本低。
对于车轴的转向操作性和可能的驱动扭矩的传递的需求，实质上决定了轴的设计。
汽车悬架可分为刚性车轴（车轮与轴刚性连接），独立的车轮悬架其中车轮彼此独立的悬挂在车桥上，以及半刚性车轴，一种车轴形式其结合了刚性车轴和独立的车轮悬架的特性。
在完全刚性轴（图1.23）上，轴梁套管同样移动整个弹簧行程。因此，在上述中必须提供的空间减少了后方的空间并使得备胎的容纳变得更加困难。在前方，半轴套管会设置在发动机下面，并且为了实现足够的颠簸行程，发动机将必须升高或进一步向后移动。因此，刚性前轴只在商用车、四轮驱动的汽车和通用客车上见到（图1.3和1.4）。
关于独立车轮悬架，必须要提到满足以上要求并找到一个适当的载荷路径的设计需求，通过相应的增加关节面来增加车轮的控制元素（链接）的数量的设计可能性。尤其是，独立车轮悬架包括：
·纵向链接和半拖臂车轴（图1.13和1.15），其几乎没有上部空间所以也不允许有一个宽阔平整的行李空间，但是却有客观的对角弹簧跳动。
·车轮悬架控制和减震器支柱（图1.8和1.57），其无疑在高度上占据了大量空间，但是其又需要汽车边缘和中间的少量空间（能被发动机和驱动桥应用）以及确定的转向角（同时也被称作麦弗逊式独立悬架）。
·双横臂悬架（图1.7）。
·多连杆悬架（图1.1，1.18和1.19），每个车轮有多达五个引导链接，并提供了对于主销偏移，气流轨迹，以及对于前束、外倾角和轨道变化的动力性能，刹车/启动性能，弹性运动特性的最大几何设计范围。
图1.2 雷诺的一个极其紧凑的四连杆扭力梁轴，轴的左右两侧都有两个扭杆弹簧（零件4和8）。横梁10处的V形轮廓有着不同长度的臂，其能抵消弯曲但是扭转刚性小并吸收来至垂直、横向、刹车力所产生的全部冲击。这也部分取代了防倾杆。
后杆8比前杆（Phi;20.8mm，零件4）厚23.4mm。在外部，部件8通过锯齿形轮毂13插入纵向推力杆1，并且在内部，他们又接入连接器12。当车轮到达全碰撞时，部件12处会产生一个纯力矩，并将其传递到前杆4，使其经受扭转。在外部（如图1.63所示）有锯齿形轮廓的杆11接入连接在可旋转的链接的安装支架7。该支点同样代表一个有利的确定位置的纵倾中心（图3.159）。安装托架（及整个轴）只通过四颗螺丝固定在底盘上。
在平行的弹簧上，互惠的弹簧上的四个杆都工作，连接器12保持待用且厚的后杆8和横梁10承受扭转。
杆的布局意味着柔软的车身弹性以及高的侧倾稳定性能够得以实现，从而使得转弯时减少车身与地面的距离。
为了在没有副作用的情况下创造一个广泛的启动，加压单管减震器9向前倾斜从而能够将力传递到底盘的边缘。
图1.3 由GKN公司为四轮驱动特殊功能的汽车，卡车和工程机械特别生产的带有双联球笼式万向节刚性驱动轮轴。
双联万向节在轴承1、2中间的叉架区域;它们由径向密封环3保护免受油污。轴承1作为固定轴承，轴承2作为可移动轴承。驱动轴4同时也是带有内部齿轮5的行星轮的太阳轮。垂直、横向以及纵向力由圆锥滚子轴承6和7传递。转向发生在转向轴EG。
在扭梁轴的情况下（图1.2，1.31和1.58），两边的车轮通过抗弯刚性的手段连接，而不是扭转弹性梁。就整体而言，这些车轴节省了很大的空间并且很便宜，但是，由于组件功能的二重性以及在连接梁处需要住够的间隙，其只能提供有限的动力性和弹性平衡的潜在成绩。它们主要应用在中级或有些中上级前轮驱动汽车的一种后悬形式，比如奥迪A6和一些大容量汽车。
图1.4 上图是双联万向节（图1.3）的俯视图。车轴的车轮端在转向时会沿转向轴的中间点P旋转。个别关节在点A和点B处受限制，所以点A会移动到点，P点移动到点，点B会顺着驱动轴移动X距离到点处。为了能够吸收由B点的径向移动产生的可变的弯曲角，万向节的中点P移动Y距离。Y的调整值取决于在等速条件存在时万向节与转向角之间的距离。当达到较大的转向角时（达到60°），在最大转向角处应该达到等速条件。
Y的调整值和纵向移动X应该在设计轴时被考虑到。
1.2一般独立悬架
1.2.1要求
一个客车的底盘一定要能够发动机的功率。不断提高的加速，更高的最高速度和转弯速度，以及减速导致对更安全的底盘的需求显著增加。独立悬架顺应这一潮流，有着一下的优点：
·需求空间小；
·一个运动性/或弹性的前束变化，使得有转向不足的倾向可能（见章节3.6）；
·与现有的驱动相比有更好的操纵性；
·重量更轻；
·没有相互影响的轮毂。
最后两个特征对于道路耐久性很重要，尤其是在弯曲的不平路面上。
横臂和拖臂确保弹性跳动的车轮的理想的运动特性，同样将车轮上的负载传递到车身（图1.5）。在不利的链接布局下，转弯时侧向力同时也产生了不利于加强车身旋转的力矩。悬架控制臂要求屈服于载荷下的轴瓦能影响到弹簧。这一影响同样会应轴承原件的橡皮部分的扭转而加强。或者这些部件柔和在一起（图1.11）加强了摩擦，且降低了驾驶舒适性。
图1.5 在前独立悬架，横向转弯力在与车身连接处产生反作用力和。在弯曲的内部与外部同时都产生了力矩，并且这些力矩对车身的稳定程度也产生了不利的影响。在双横臂悬架上点E与点G的影响距离C应该尽可能大从而实现减小车身与链接的轴承的力，从而限制安装的橡胶元件的变形。
车轮随车身倾斜（图1.6）。弯道外侧的车轮吸收了大部分的横向力，外倾角为正，而弯道内侧的车轮外倾角为负，减小了横向抓地能力。为了避免这一情况，外倾角的运动性能变化的调整应该考虑到这一特性（见章节3.5.4），并且车身在转弯时的晃动应经可能保持在小幅度。这些可以通过更硬的弹簧、防倾杆或较高车身侧倾中心来实现（章节3.4.3和5.4.3）。
图1.6 如果车身在转弯时倾斜角度，独立悬架的在弯道外侧的车轮有一个正外倾角且弯道内侧有一个负外倾角。轮胎能够传递的横向力或减少了造成较大要求的滑移角（图3.53和方程2.16），是车身重量在前轴上的比重，是重心Bo在水平反向上作用的离心力。当一个车轮跳动时，其他车轮随之跳动，及该车存在lsquo;互惠弹簧rsquo;及：
1.2.2双横臂悬架
上述的最后两个特性，可以用双横臂悬架（图1.7）轻松实现。这包括汽车两边的横向链接杆（控制杆），可旋转的安装在框架，悬架表面或车身上，并且在前轴情况时，连接在转向节外侧或通过球笼式万向节连接在旋转头上。横向连杆（图1.5）间的有效距离c越长，悬架控制臂中的力和力矩就越小，即组件变形越小，转向精度越高。
双横臂悬架的主要优势在于其动力性的可能性上。悬架控制臂相对于另一个悬架控制臂的位置——换句话说角和的大小（图3.24）——能够却定车身侧倾中心的重量和节杆（角和，图3.155）。而且，不同的横臂长度能够影响压缩和弹回的车轮的移动角度的变化，及外倾角的变化和在不考虑这一变化下轨道宽度也产生了一定的变化（图3.50和3.7）。在上悬架控制臂短时，受压缩的轮进入负的外倾角状态，并且不受压的车轮进入正外倾角的状态。这抵消了由车身侧倾产生的外倾角的变化（图1.6）。图6.16中介绍的汽车的侧倾中O在前悬车轮与后悬车轮之间。如果能够确定在车轮的中心位置（图3.161），那么其将不止产生一个更优秀的抗点头性，同时减少后驱动桥的下沉（或前桥的上升）。忽略驱动类型，这些同样是双横臂悬架作为后桥应用在越来越多的客车上的原因，并且也是其逐渐取代半拖臂悬架的原因（图1.1，1.62和1.77）。
图1.7 大众Lt28到35带有反转力矩的轻型商务车的前悬架。一个作为副车架的横梁拧在下方的框架上。弹簧，压缩/弹起行程限制器，减震器和每一对控制臂都由这个受力中心支撑。只有防倾杆，转向齿轮，从动臂和下控制臂的拉杆被固定在纵向的框架部分上。该杆前方有纵向的弹性橡胶衬垫从而吸收子午线轮胎的动态侧倾刚度，并减小其在不平路面上的上升。
1.2.3麦弗逊支柱和阻尼器
麦弗逊式悬架是双横臂悬架的进一步的发展，上部横向链接由车路罩板上的一个枢转点所取代，其在活塞杆和阻尼弹簧的一端。所有方向上的力集中在这一点，并在活塞杆上造成弯曲应力。为了避免有害的弹性外倾和主销变化，直径一般为11mm的杆（在减震器中）必须加粗到至少18mm。活塞直径一般为30mm或32mm的阻尼器工作在双管系统中且能处于加压和非加压状态下（见章节5.8）。
麦弗逊式独立悬架的主要优点在于所有提供给悬架和车轮的控制的部件可以结合到一起。可以在图1.8中看出，这包括：
·在螺旋弹簧底面的弹簧座3；
·辅助弹簧11或缓冲块（见图5.49）；
·反弹行程限制器（图5.54）；
·通过杆5悬挂的防倾杆（7）；
·转向节。
转向节可以被焊接,焊接或用螺栓（图5.53）固定在外管上（图1.56）。进一步的优点是：
·因为大的有效距离c，在车身侧的安装点E和D处的力小（图1.5）；
·在点G与N直接的距离b更小（图3.30）；
·长的弹簧行程；
·三个轴承的位置不再被需要；
·在缓冲区前有更好的设计方案；
·边缘的空间允许有更宽的引擎隔室，使得其更容易适应横置发动机。
现今，设计措施已经能确保在前桥上，优势不会被不可避免的缺点所超过。这些缺点有：
·不利的运动特征（章节3.3和3.5.2）。
·力和震动会引入车轮罩板的内部，并因此进入汽车前端的相应的弹性区域。
·隔离路面噪声更加困难——一个上支撑杆十分重要（图1.9），其应经可能分离（图1.10，图1.8中的零件10和图1.56中的零件6
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