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汽车减振器和弹簧的“绵绵爱情”你读懂了几分

发布于:2020-11-16 23:13

  自汽车被发明一百多年来,舒适性一直备受关注。早期汽车上并没有特别设计的减振装置,坐车屁股疼是常有的事。看看奔驰一号的专利书,减振装置甚至都没被考虑进来。

  后来,工程师们在悬架中设计了减振器和弹簧,这二者也逐渐成为结构的重要部件。但至今还是有不少人搞不明白这二者之间到底有啥区别,听起来弹簧和减振器都应该是减振才对,怎么要分开来说呢?

  弹簧种类较多,比如螺旋弹簧扭杆弹簧钢板弹簧橡胶弹簧和气体弹簧等,轿车悬挂最长使用的是螺旋弹簧。这里用最普遍的螺旋弹簧为例,讲解一下二者之间的区别。

  汽车螺旋弹簧并没有特别神奇之处,也就是比我们小时候玩的弹簧要大些,原理其实大致相同。弹簧是一个储能元件,对于外力作用,能起到缓冲效果。至于弹簧的缓冲,其实大家再熟悉不过了,不少篮球鞋底部会采用气垫弹簧设计,以达到缓冲效果。

  但缓冲并不能把能量消耗殆尽,因为结构的原因还会将能量完全释放,加上没有支撑,弹簧容易忽上忽下、忽左忽右晃动,很难保证汽车行驶稳定性。因为弹簧的不靠谱,我们需要设计一个装置来消耗掉这些能量。

  这时候,减振器就派上用场了。减振器的作用简单来说是通过阀门壁与液压油之间的摩擦和液压油分子之间的内摩擦,形成阻尼,把振动能量转换为热能,再由减振器外壁吸收并发散到外界空气中。将振动的能量转换为热能散发,这样力振动就不会传递到车身上,车内乘客就不会感觉车开起来特别颠簸了。

  ▲福特公司于1906年把弹簧减震器运用到了汽车上,1908年第一台液压减震器研制成功,随后40年内摇臂式液压减震器得到普遍使用

  虽然弹簧不是消耗能量的主要部件,但它能起到缓冲作用。汽车振动能量往往很大,而且跳动速度很快,如果没有弹簧缓冲,把减振器消耗能量的行程延长,指望减震器在很短的行程内把振动能量都消耗掉,难度就大大提高了。所以弹簧和减振器之间的合作,变得尤为重要了。

  ▲弹簧其实作用挺大。例如,簧上质量与簧下质量的比值对于汽车的振动影响较大,此值越大,汽车在通过颠簸路段时的振动越小,反之亦然

  根据二者的特点,他们发挥作用的时机也略有不同:在压缩行程时弹簧起主要作用,减振器阻尼力较小,以便充分发挥弹性元件的弹性作用,缓和冲击;伸张行程时减振器主要作用,此时弹簧释放弹性势能,减振器阻尼力变大,迅速消耗能量减振。

  ▲这二者需要相互协调好,比如减震器太软,车身就会上下跳跃,减震器太硬就会带来太大的阻力,妨碍弹簧正常工作

  当然也有不采用减震器弹簧组合的情况。比如主动式悬架,通常是以一个液压或气压吸筒来代替一组弹簧和减振器。说它是主动式,是因为它能根据路面情况能主动调节悬架的高度和软硬度,从而使汽车在不同情况下都能保持较佳的稳定性和舒适性。

  ▲奔驰S系Airmatic主动空气悬架系统,可根据具体情况控制空气弹簧的充气量,从而控制软硬

  细心的朋友会发现,有的汽车上采用的是弹簧和减振器一体式,有的是分离式。不仅如此,即使同一辆汽车上,前悬多采用一体式,后悬多采用分离式。这分分合合的,到底为了什么呢?

  ▲迈腾原型车大众帕萨特B6前后悬挂示意图。前一体式、后分离式是最普遍的现象

  我们先来聊聊一体式。这种结构的优点比较直观,那就是节约空间,比如麦弗逊式悬架采用的就是一体式结构。麦弗逊式悬架的主要结构是有螺旋弹簧加上减振器,限制弹簧只能在上下方向的振动,并可以用振动器的行程长短及松紧,来设定悬架的软硬及性能。

  ▲汽车寸土寸金,因此麦弗逊式悬架一直备受推崇,但这种结构也有缺点,比如操控稳定性相对较差、承载能力差

  很多汽车的前悬都会采用麦弗逊式悬架,正是因为这种悬架结构简单,占用空间小。当然也有些汽车在后悬架上也会采用麦弗逊式悬架,这往往能获得更大的行李箱容积。

  1. 后悬减振器的工作角度一般会大于20度,一体式情况下,不能很好利用弹簧的支撑功能,如果设计不合适还容易脱出

  为了改善其后排乘客的舒适性,从整车侧倾角刚度分配考虑,前悬刚度会比后悬大些。而调整的重要手段之一就是调整弹簧、减振器和车轮之间的距离关系。通常来说后轮弹簧应离车轮远些,但减振器离车轮越近,振动衰减越快,消振越好,所以这二者需要一远一近的设定方式。这种分离式结构,虽然会占用一定的空间,但好在后悬部分空间足够。

  此外,分体式布局能够方便控制轮胎弹簧以及减振器之间的杠杆比差异,这样一来,轮胎行程与弹簧及减振器行程差异不大,有助于提高轮胎的反应能力。

  当然,我们不能简单的通过悬架减振是一体式还是分离式就对悬架高下立判。比如专为后轮设计的纵臂扭转梁式非独立悬架,它的组成构成非常简单:用粗壮的上下摆动式拖臂实现车轮车身车架之间的硬性连接,再用液压减震器和螺旋弹簧来实现软性连接,以达到吸震和支撑车身的作用。

  而奥迪采用的5连杆悬架就采用的是一体式减振结构,结构简单,结构紧凑,重量轻,减少悬架系统的占用空间,多连杆的巧妙组合方式,可使后轮形成正前束,降低转向不足的倾向。

  减振器和弹簧二者在作用上看似有冲突重叠,其实各有作用,比如弹簧在缓冲、调节舒适性上效用明显,而减振器在过滤振能量上不可小觑,二者相互配合,才能发挥悬架的最大功效。

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