彈性系數可調節式汽車懸掛系統的創新設計

文曌豪

摘 要：汽車懸掛系統是汽車車身與汽車輪胎之間支撐系統，其綜合多種作用力，決定著汽車的穩定性、舒適性和安全性。然而，傳統汽車懸掛系統的剛度系數難以調節，使得汽車適應多種地形的能力較差。現有新型的空氣懸掛系統能夠通過改變懸掛系統的剛性，但是其價格較為昂貴。本文從調節懸掛系統剛度系數的角度出發，創新設計一種彈性系數可調節的汽車懸掛系統，實現了對懸掛系統彈簧剛度系數的調節，有效解決汽車操縱性和穩定性之間的矛盾。

關鍵詞：汽車懸掛系統；彈性系數可調節；操控性

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

0.前言

汽車懸掛系統作為連接汽車車輪與車身的機構，它主要任務之一就是抵消一部分車身震動對車內乘客或貨物帶來的沖擊，提高汽車的安全性和舒適性。汽車懸掛系統對汽車的操控性起著決定性的作用。在汽車理論中，汽車的操控性主要指的是其操縱穩定性，而汽車的操縱穩定性又包含兩部分內容：操縱性和穩定性。操縱性指的是汽車能夠及時而且準確的根據駕駛員發出的轉向指令而轉向；穩定性指的是汽車受到外部干擾后，能夠及時自行恢復正常行駛的方向。汽車操縱性和穩定性既相互聯系又存在著矛盾。當汽車為了取得良好的穩定性時，就需要大大緩沖汽車受到的外部震動，因此汽車懸掛系統的柔軟度就需要提高，然而柔軟度提升就意味著容易使汽車出現剎車點頭、啟動抬頭、以及更為嚴重的側傾等問題，進而影響汽車的操縱性。除此之外，汽車行駛在不同的路況下，對汽車懸掛系統的性能要求也不相同，如平坦路面時就需要操縱性好，坑洼路面時就需要穩定性好。

現有的汽車懸掛系統通常都主要由彈性元件，減震器和傳力裝置組成，這三部分分別起著緩沖，減震和力的傳遞作用。絕大多數懸掛系統的彈性元件為套設在減震器上的單層螺旋彈簧。因為每個懸架彈簧均只有一個彈簧，而彈簧的彈性系數和最大形變量為一定的，所以就導致汽車的操縱性和舒適性很難同時保證。通過彈簧剛度的調整和減震器阻尼系數的調整，可以實現懸掛系統的半主動適應化。

現在新型的空氣懸掛系統能夠通過電動壓縮機來調控氣室中的空氣體積，從而改變懸掛系統的剛性來解決汽車行駛中操縱性與舒適性的平衡問題。但是因為空氣懸掛系統的價格較為昂貴，所以多用于高端豪華轎車或SUV。

有鑒于此，本文從調節懸掛系統剛度系數的角度出發，創新設計了一種彈性系數可調節的汽車懸掛系統，力求解決現有懸掛系統存在的問題，希望能對汽車懸掛系統的改進優化設計有所指導意義。

2.彈性系數可調節式汽車懸掛系統

2.1彈性系數可調節式汽車懸掛系統的技術方案

當前，民用汽車懸掛系統從總體結構上可以分為獨立懸掛和非獨立懸掛兩大類。獨立懸掛系統是每一側的車輪都是單獨地通過彈性懸掛系統懸掛在車架或車身下面。其優點是：質量輕，減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力；可用剛度小的較軟彈簧，改善汽車的舒適性；可以使發動機位置降低，汽車重心也得到降低，從而提高汽車的行駛穩定性；左右車輪單獨跳動，互不相干，能減小車身的傾斜和震動。不過，獨立懸掛系統存在著結構復雜、成本高、維修不便的缺點，同時因為結構復雜，會侵占一些車內乘坐空間。非獨立懸掛系統的結構特點是兩側車輪由一根整體式車架相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸掛系統懸掛在車架或車身的下面。非獨立懸掛系統具有結構簡單、成本低、強度高、保養容易、行車中前輪定位變化小的優點，但其舒適性及操縱穩定性都相對較差。通過綜合對比，本彈性系數可調節式汽車懸掛系統采用獨立形式。如圖1所示，是本彈性系數可調節式汽車懸掛系統的結構示意圖。

彈性系數可調節汽車懸掛系統主要的結構就是彈性元件、減震器和傳力裝置。傳力裝置主要包括輪轂、推桿以及汽車上其他的部件等；彈性元件主要包括彈簧頂座，隔板，彈簧底座，主副彈簧等。彈簧頂座連接于汽車的車身，彈簧底座連接于汽車的輪轂，輪轂連接于車輪。隔板A和隔板B位于彈簧頂座和彈簧底座之間。減震器貫穿隔板，兩端分別連接于彈簧頂座和底座。主副彈簧為傳統的螺旋式彈簧，并套接在減震器上。在彈簧頂座，彈簧底座，隔板A和隔板B上均設置有與主副彈簧大小相適的環形槽，進而使主彈簧被卡接在隔板A和隔板B之間，副彈簧A被卡接在隔板A和彈簧底座之間，副彈簧B被卡接在隔板B和彈簧頂座之間。彈簧頂座上環形均布有3個推桿B，彈簧底座上環形均布有3個推桿A。推桿A和推桿B可在驅動力作用下分別伸縮長度至隔板A和隔板B，并抵接在相應的隔板上。推桿A和推桿B的長度可以獨立調節。

2.2彈性系數可調節式汽車懸掛系統的工作原理

對于汽車的懸掛系統，要保持其操縱性，就要使傳力裝置能夠迅速地把力傳遞給車身。當汽車在平坦的地面上行駛時，汽車需要維持輪胎與地面的貼合。這時，推桿A和推桿B分別抵接在隔板A和隔板B上，進而使副彈簧A和副彈簧B不受力。主彈簧接收到的力能夠迅速地通過隔板和推桿傳遞給車身，提高汽車的操縱性。當汽車在顛簸的地面上行駛時，汽車的懸掛系統需要吸收地面給車身帶來的顛簸。這時，推桿收縮，不再與隔板相連接，這時傳力裝置傳過來的力就會先被副彈簧A吸收，再被主彈簧吸，然后再次被副彈簧B吸收，最后再將力傳遞到車身，經過3次吸收，真正傳遞到車身的力已經較小，可以減少車身的顛簸，進而提高汽車的穩定性。根據路面的顛簸情況，可以選擇使副彈簧A和副彈簧B同時受力，或一個副彈簧受力另一個不受力，實現多級調節。本彈性系數可調節式汽車懸掛系統的關鍵就是通過推桿和隔板的連接與否來調節彈簧系統的剛度系數。

3.結論與展望

本文創新設計了一種彈性系數可調節式汽車懸掛系統，其主要實現了兩點功能：

（1）通過調整推桿和隔板的抵接情況，進而使得主彈簧與副彈簧可以同時工作或分開工作，實現了對汽車懸掛系統彈簧剛度系數的調整，有效地解決了汽車操縱性和穩定性之間的矛盾。

（2）本汽車懸掛系統的剛度系數可以實現四級調節，推桿A和推桿B可以分別獨立地調整長度抵接于隔板，進而使得本懸掛系統具有4種不同的剛度系數：①僅主彈簧受力時的剛度系數，②僅主彈簧和副彈簧A 受力時的剛度系數，③僅主彈簧和副彈簧B受力時的剛度系數，④彈簧，副彈簧A和副彈簧B同時受力時的剛度系數。通過多級調整彈簧剛度系數，本汽車懸掛系統能夠適應多種路況，滿足駕駛者對操縱性與舒適性的不同要求，更好的服務于大眾。

未來，可進一步研究主副彈簧剛度系數對汽車操縱性和穩定性的影響，優化主副彈簧剛度系數的配置，并優化推桿的布置方式等，進一步提高該彈性系數可調節式汽車懸掛系的性能，使其更好為地使用者服務。

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