后來,工程師們在懸架中設計了減振器和彈簧,這二者也逐漸成為汽車懸架結構的重要部件。但至今還是有不少人搞不明白這二者之間到底有啥區別,聽起來彈簧和減振器都應該是減振才對,怎么要分開來說呢?
今天車轍君就和大家一起聊聊,減振器和彈簧的綿綿愛情。
看似相同實則不同
彈簧種類較多,比如螺旋彈簧,扭桿彈簧、鋼板彈簧橡膠彈簧和氣體彈簧等,轎車懸掛最長使用的是螺旋彈簧。這里用最普遍的螺旋彈簧為例,講解一下二者之間的區別。
汽車螺旋彈簧并沒有特別神奇之處,也就是比我們小時候玩的彈簧要大些,原理其實大致相同。彈簧是一個儲能元件,對于外力作用,能起到緩沖效果。至于彈簧的緩沖,其實大家再熟悉不過了,不少籃球鞋底部會采用氣墊彈簧設計,以達到緩沖效果。
但緩沖并不能把能量消耗殆盡,因為結構的原因還會將能量完全釋放,加上沒有支撐,彈簧容易忽上忽下、忽左忽右晃動,很難保證汽車行駛穩定性。因為彈簧的"不靠譜",我們需要設計一個裝置來消耗掉這些能量。
這時候,減振器就派上用場了。減振器的作用簡單來說是通過閥門壁與液壓油之間的摩擦和液壓油分子之間的內摩擦,形成阻尼,把振動能量轉換為熱能,再由減振器外壁吸收并發散到外界空氣中。將振動的能量轉換為熱能散發,這樣力振動就不會傳遞到車身上,車內乘客就不會感覺車開起來特別顛簸了。
福特公司于1906年把彈簧式減震器運用到了汽車上,1908年第一臺液壓減震器研制成功,隨后40年內搖臂式液壓減震器得到普遍使用
雖然彈簧不是消耗能量的主要部件,但它能起到緩沖作用。汽車振動能量往往很大,而且跳動速度很快,如果沒有彈簧緩沖,把減振器消耗能量的行程延長,指望減震器在很短的行程內把振動能量都消耗掉,難度就大大提高了。所以彈簧和減振器之間的合作,變得尤為重要了。
彈簧其實作用挺大。例如,簧上質量與簧下質量的比值對于汽車的振動影響較大,此值越大,汽車在通過顛簸路段時的振動越小,反之亦然
根據二者的特點,他們發揮作用的時機也略有不同:在壓縮行程時彈簧起主要作用,減振器阻尼力較小,以便充分發揮彈性元件的彈性作用,緩和沖擊;伸張行程時減振器主要作用,此時彈簧釋放彈性勢能,減振器阻尼力變大,迅速消耗能量減振。
這二者需要相互協調好,比如減震器太軟,車身就會上下跳躍,減震器太硬就會帶來太大的阻力,妨礙彈簧正常工作
當然也有不采用減震器+彈簧組合的情況。比如主動式懸架,通常是以一個液壓或氣壓吸筒來代替一組彈簧和減振器。說它是主動式,是因為它能根據路面情況能主動調節懸架的高度和軟硬度,從而使汽車在不同情況下都能保持較佳的穩定性和舒適性。
奔馳S系Airmatic主動空氣懸架系統,可根據具體情況控制空氣彈簧的充氣量,從而控制軟硬
分分合合,到底什么是好
細心的朋友會發現,有的汽車上采用的是彈簧和減振器一體式,有的是分離式。不僅如此,即使同一輛汽車上,前懸多采用一體式,后懸多采用分離式。這分分合合的,到底為了什么呢?
前一體式、后分離式是最普遍的現象
我們先來聊聊一體式。這種結構的優點比較直觀,那就是節約空間,比如麥弗遜式懸架采用的就是一體式結構。麥弗遜式懸架的主要結構是有螺旋彈簧加上減振器,限制彈簧只能在上下方向的振動,并可以用振動器的行程長短及松緊,來設定懸架的軟硬及性能。
汽車寸土寸金,因此麥弗遜式懸架一直備受推崇,但這種結構也有缺點,比如操控穩定性相對較差、承載能力差
很多汽車的前懸都會采用麥弗遜式懸架,正是因為這種懸架結構簡單,占用空間小。當然也有些汽車在后懸架上也會采用麥弗遜式懸架,這往往能獲得更大的行李箱容積。
既然一體式空間利用率高,為什么后懸很少采用呢?原因有四:
1. 后懸減振器的工作角度一般會大于20度,一體式情況下,不能很好利用彈簧的支撐功能,如果設計不合適還容易脫出
2. 一體式不利于單獨調節彈簧和減振器的杠桿比,協調性較差
3. 一體式減振器外筒需要承受彈簧載荷,容易疲勞,成本也相對高些
4. 在裝配過程中,一體式的在整車裝配中比較麻煩,不容易裝配
為了改善其后排乘客的舒適性,從整車側傾角剛度分配考慮,前懸剛度會比后懸大些。而調整的重要手段之一就是調整彈簧、減振器和車輪之間的距離關系。通常來說后輪彈簧應離車輪遠些,但減振器離車輪越近,振動衰減越快,消振越好,所以這二者需要一遠一近的設定方式。這種分離式結構,雖然會占用一定的空間,但好在后懸部分空間足夠。
后懸架采用分離式十分普遍
此外,分體式布局能夠方便控制輪胎與彈簧以及減振器之間的杠桿比差異,這樣一來,輪胎行程與彈簧及減振器行程差異不大,有助于提高輪胎的反應能力。
當然,我們不能簡單的通過懸架減振是一體式還是分離式就對懸架高下立判。比如專為后輪設計的縱臂扭轉梁式非獨立懸架,它的組成構成非常簡單:用粗壯的上下擺動式拖臂實現車輪與車身或車架之間的硬性連接,再用液壓減震器和螺旋彈簧來實現軟性連接,以達到吸震和支撐車身的作用。
而奧迪采用的5連桿后懸架就采用的是一體式減振結構,結構簡單,結構緊湊,重量輕,減少懸架系統的占用空間,多連桿的巧妙組合方式,可使后輪形成正前束,降低轉向不足的傾向。
小結
減振器和彈簧二者在作用上看似有沖突重疊,其實各有作用,比如彈簧在緩沖、調節舒適性上效用明顯,而減振器在過濾振能量上不可小覷,二者相互配合,才能發揮懸架的最大功效。
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