1.3 车辆悬架的类型

汽车的四个车轮是在两个独立系统上协同工作的，其中，两个车轮通过前轴连接，另外两个通过后轴连接，也就是说，汽车可以并且通常在前后轴上具有不同的悬架类型，即车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。因此，根据汽车导向机构不同，悬架系统可分为非独立悬架和独立悬架。根据阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，悬架系统又可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，而半主动悬架还可分为有级式和无级式两类。悬架系统的分类如图1-3所示。

1.3.1 独立悬架和非独立悬架

1.非独立悬架系统

非独立悬架系统如图1-4所示，它具有一个连接两个轮的刚性轴，两侧车轮安装于一整体式车桥上。其特点是，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。

非独立悬架一般用作汽车的前悬架，它看起来像是车前部下方由叶片弹簧和减振器固定就位的一个实心杆。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到的冲击载荷比较大，平顺性较差。非独立前悬架在货车和大客车上很常见，也有时用于轿车后悬架，但多年来一直没有在主流汽车上采用。

2.独立悬架系统

独立悬架系统如图1-5所示，其两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接。

图1-3 悬架系统分类框图

a）按导向机构分类 b）按阻尼和刚度变化情况分类

图1-4 非独立悬架

图1-5 独立悬架

当独立悬架系统的一侧车轮受冲击时，其运动不直接影响到另一侧车轮，即两侧车轮独立移动，相互不影响，提高了汽车的平稳性和舒适性。独立悬架所采用的车桥是断开式的，这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架的簧下质量小，可改善汽车车轮的附着性，提高车辆行驶的安全性。

独立悬架的左右车轮不是由一个整体车轴连在一起的，它的两边的车轮运动相互没有联系，这类悬架型式有如下优点：

1）汽车悬架弹簧下的重量减轻了，使乘用车的舒适性得到了改善。

2）可以装用很软的弹簧，从而能提高乘车的舒适性。

3）能预防前轮摆振的发生。

4）对于发动机前置后轮驱动（FR）型汽车的后轮，它可将差速器固定在车身的侧面，从而使车身底板和后座椅的离地高度降低，进而使汽车的重心也降低。

同时，独立悬架系统与非独立悬架比较，也存在如下不足：

1）独立悬架的结构复杂，制造成本高。

2）汽车保养、修理困难。

3）汽车行驶时前轮定位和轮距常发生变化，因此有时轮胎磨损较大。

根据独立悬架的特点，它多采用在乘用车的前后轮和中、小型货车的前轮上。独立悬架系统有横臂式悬架系统、烛式悬架系统、麦弗逊式悬架系统、多连杆式悬架系统、拖曳臂式悬架系统等。

（1）横臂式悬架系统 横臂式悬架系统是指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬架系统，按横臂数量的多少又分为双横臂式和单横臂式悬架系统。

单横臂式悬架系统具有结构简单、侧倾中心高、有较强的抗侧倾能力的优点。但随着现代汽车速度的提高，侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化大，轮胎磨损加剧，而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大，导致后轮外倾增大，减少了后轮侧偏刚度，从而产生高速甩尾的严重工况。单横臂式独立悬架系统多用在后悬架系统上，但由于不能适应高速行驶的要求，目前应用不多。

双横臂式独立悬架系统按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架系统。等长双横臂式悬架系统在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大（与单横臂式相类似），造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架系统，只要适当选择，优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。横臂式独立悬架系统的分类，如图1-6所示。

图1-6 横臂式悬架系统的分类

双横臂式独立悬架在麦弗逊式悬架出现后，逐渐被麦弗逊式悬架所替代，但是进入20世纪90年代以来，随着轿车的豪华和高性能化，采用该结构的车种不断增加，在一些对平顺性和操纵稳定性要求较高的汽车上，不仅前悬架，而且后悬架也采用了双横臂式悬架。目前，不等长双横臂式悬架系统已广泛应用于轿车和轻型客、货汽车的前悬架上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用了这一悬架系统。双横臂式悬架系统的双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下两个V形摆臂以一定的距离分别安装在车轮上，另一端安装在车架上，如图1-7所示。

图1-7 双横臂式悬架系统

a）A字形 b）V字形

双横臂式独立悬架的特点、优点及主要应用范围，如下所述。

1）弹簧刚度和减振器阻尼可以根据需要较容易地进行调整；非簧载质量小，有利于行驶平顺性。

2）由于设计的自由度大，可通过合理布置，使悬架与转向杆系的运动干涉减小，不易发生跳摆。

3）可以通过调整其导向机构较容易地得到所需要的前轮定位参数，得到较好的整车性能。

4）能够降低发动机和驾驶室的高度，从而降低质心（即重心）。

5）有效弹簧距等于轮距，有利于提高横向角刚度，但一般来讲，其侧倾中心高度低，不利于其侧倾稳定性，一般需加横向稳定杆。

（2）纵臂式独立悬架系统 纵臂式独立悬架系统是指车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架系统结构，又分为单纵臂式和双纵臂式两种形式。当车轮上下跳动时，单纵臂式悬架系统会使主销后倾角产生较大的变化，因此它不用在转向轮上。双纵臂式悬架系统的两个摆臂一般做成等长的，形成一个平行四杆结构，这样，当车轮上下跳动时主销的后倾角可保持不变，因此，它多应用在转向轮上。纵臂式独立悬架系统如图1-8所示。

图1-8 纵臂式独立悬架系统

（3）多连杆式悬架系统 多连杆式悬架系统是由3～5根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬架系统，如图1-9所示。

图1-9 多连杆式悬架系统

多连杆式悬架系统可分为多连杆前悬架和多连杆后悬架系统。多连杆前悬架系统一般为3连杆或4连杆式独立悬架系统；多连杆后悬架系统则一般为4连杆或5连杆式后悬架系统，其中，5连杆式后悬架系统应用较为广泛。

多连杆式能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线内摆动，是横臂式和纵臂式的折中方案，适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角，可不同程度地获得横臂式与纵臂式悬架系统的优点，能满足不同的使用性能要求。多连杆式悬架系统的主要优点是：车轮跳动时轮距和前束的变化很小，不管汽车是在驱动状态还是在制动状态都可以按驾驶人的意图进行平稳地转向，其不足之处是汽车高速时有轴摆现象。

（4）烛式悬架系统 烛式悬架系统的结构特点是车轮沿着刚性地固定在车架上的主销轴线上、下移动，其结构原理图如图1-10所示。

烛式悬架系统的优点是：当悬架系统变形时，主销的定位角不会发生变化，仅是轮距、轴距稍有变化，因此特别有利于汽车的转向操纵稳定和行驶稳定。但烛式悬架系统有一个大缺点：就是汽车行驶时的侧向力会全部由套在主销套筒上的主销承受，致使套筒与主销间的摩擦阻力加大，磨损也较严重。烛式悬架系统现已应用不多。

（5）麦弗逊式悬架系统 通用公司的厄尔·S·麦弗逊，在1947年研发的麦弗逊式滑柱是使用最广泛的独立悬架系统，在欧洲原产汽车中得到了广泛使用，如图1-11所示。

图1-10 烛式悬架系统的结构原理图

1—通气管 2—减振器 3—套筒 4、6—防尘罩 5—主销

麦弗逊式滑柱是通过A字型托臂将一个减振器和一个螺旋弹簧合并组成一个可以上下运动装置。下托臂通常是A字型的设计，用于给车轮提供部分横向支撑力，以及承受全部的前后方向应力，减振器支柱除了减振还有支撑整个车身的作用。因此，麦弗逊式悬架系统提供了一种结构更紧凑、质量更轻的独立悬架系统，可用在前轮驱动的车辆上，是当今世界应用最广泛的轿车前悬架之一。

麦弗逊式悬架结构简单，所以它质量轻，响应速度快，并且在一个下摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在过弯时自适应路面，使轮胎的接地面积达到最大化。麦弗逊式悬架系统与双横臂式悬架系统相比，其优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂，给发动机及转向系统的布置带来了便利；与烛式悬架系统相比，它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善。麦弗逊式悬架系统多应用在中小型轿车的前悬架系统上，保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等轿车的前悬架系统均为麦弗逊式独立悬架系统。虽然麦弗逊式悬架系统并不是技术含量最高的悬架系统，但它仍是一种经久耐用的独立悬架系统，具有很强的道路适应能力。

（6）拖曳臂式悬架系统 拖曳臂式悬架系统也称为单纵臂扭转梁独立悬架，多用于轿车的后悬架系统，由于这种悬架还装有横向连接两侧车轮的弹性元件（一般是扭杆弹簧或者扭力梁），因此有些厂家称之为半独立式悬架。常见的拖曳臂式悬架系统如图1-12所示。

拖曳臂式悬架本身具有非独立悬架存在的缺点，但同时也兼有独立悬架的优点，拖曳臂式悬架最大的优点是左右两轮的空间较大，而且车身的外倾角没有变化，减振器不发生弯曲应力，所以摩擦小。但是，这种悬架的舒适性和操控性均有限，当其制动时除了车头较重会往下沉外，拖曳臂悬架的后轮也会往下沉（以平衡车身），无法提供精准的几何控制。我们熟知的桑塔纳、捷达、宝来、东风悦达起亚Rio等车型都使用这种后悬架。此外，富康和东风标致206车型也使用这种后悬架，但因为这两款车的后悬架增加了车轮自偏转弹性元件（即后轮随动转向技术），因此其行驶表现比一般拖曳臂式后悬架要好。拖曳臂式悬架系统的特点是使用的元件不多，日常维护方便，同时能起到不错的减振效果。

图1-11 麦弗逊式悬架系统

图1-12 拖曳臂式悬架系统

1.3.2 半主动和主动悬架系统

1.半主动悬架系统

随着人们生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车的行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而实现乘坐舒适性的提高。

1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念。其基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。

1975年，Margolis等人提出了由“开关”控制的半主动悬架。1983年，日本丰田汽车公司开发了具有3种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于丰田Soarer280GT型轿车上。

1986年，Kim Brough在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法，改进了控制算法的稳定性。1988年，日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用于Maximas轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态。

1994年，Prinkos等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。2002年，采用美国德尔福（Delphi）公司磁流变减振器的MagneRide半主动悬架系统应用在了Cadillac Seville STS高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼。

图1-13 半主动悬架系统

半主动悬架由无源但可控制的阻尼元件组成，在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和存储能量外，还得承受车身重量及载荷，因此，半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单，成本低，在工作时几乎不消耗车辆动力，又能获得与主动悬架相近的性能，因而具有巨大的发展潜力，故应用较广。常用的半主动悬架系统，如图1-13所示。

半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架。有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。

（1）有级可调减振器 有级可调减振器阻尼可在Ⅱ—Ⅲ档之间快速切换，切换时间通常为10～20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使流通面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电动机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。

（2）连续可调减振器 连续可调减振器阻尼的调节可采取以下两种方式：

1）节流孔径调节。早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电动机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其他形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。

2）减振液黏性调节。使用粘度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。减振液只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无需高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，因此采用它作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。

2.主动悬架系统

传统悬架系统的刚度和阻尼系数，是按经验设计或优化设计方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因此其减振性能的进一步提高受到限制，这种悬架称为被动悬架。

图1-14 MRC电磁主动悬架系统

为了克服被动悬架的缺陷，国外在20世纪60年代就提出了主动悬架的概念，主动悬架就是由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和路面状况，中央控制单元（ECU）进行实时运算，而后马上对减振器的控制器发出相应的指令，控制车辆悬架参数，使悬架始终处于最优减振状态，并抑制和控制车身运动。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架系统会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。目前大部分的主动悬架系统都是通过空气、液压、电磁液这三种方式来实现悬架的可调性的，所以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节，因此，系统必须是有源的。图1-14所示为MRC电磁主动悬架系统。

对于磁流变减振器，当接通电流后，磁流变体材料中原来处于分散状态的磁性体便会横向排成一列，使减振器内部的液体形状发生变化，因此，减振器的阻尼会变硬，并且可随着磁场强弱无级变化。磁流变减振器结构简单；其反应速度是微秒级的，每秒可以动作1000次，这是普通主动悬架难以实现的，这样快的反应速度，使它高速行驶时也能应付自如；磁流变减振器对车辆功率要求低（每一减振器最大需要20W），这几乎不会损耗发动机的动力。

主动悬架系统是近十几年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架系统，它具备三个条件：

1）具有能够产生作用力的动力源。

2）执行元件能够传递这种作用力并能连续工作。

3）具有多种传感器，并能将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。

主动悬架系统汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。例如，法国桑蒂雅车装配了主动悬架系统，该悬架系统的中枢是一个微电脑，5种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动力、加速踏板踏下的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬架系统状态。同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架系统运动。因此，该悬架系统具有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬架系统状态，以求最好的舒适性能。

主动悬架系统还具有控制车身运动的功能，当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架系统会产生一个力与惯性力相对抗，减少车身位置的变化。例如，德国奔驰2000款C1型跑车，当车辆拐弯时悬架系统传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度，电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架系统上，使车身的倾斜减到最小。