第三节
汽车悬架形式的发展

由悬架形式分类的介绍可知，悬架形式多种多样！这是汽车工作者的劳动成果，是设计实践的结晶。悬架形式的存在，真实地记录了汽车悬架的发展演变过程。悬架发展与汽车一道经历了从无到有、从低到高、从初步设想到走向完善的过程。

在这个过程中，客观需要始终是一个强大的推动力！事实正是如此，下面具体谈谈有关导向机构和弹性元件悬架形式的发展。

一、导向机构悬架形式的发展

从悬架分类的角度，前面已按导向机构将悬架分为相关悬架、独立悬架和半独立悬架。从导向机构的发展角度看，首先出现的应当是相关悬架，它结构简单，制造方便，成本低廉，左、右车轮装在一根轴上；紧随而来的是独立悬架，它质量小，性能优良，两轮分装于车身之上；最后才是介于相关悬架和独立悬架之间的半独立悬架。

下面具体介绍单臂悬架、双臂悬架以及相关悬架的发展概况。

（一）单臂悬架的发展

从导向机构悬架形式的发展来看，在独立悬架中，最初是单横臂悬架，它是具有启蒙性质的悬架，结构简单，铰点少，占用空间小，悬架中心和侧倾中心都较高，具有优良的抗侧倾能力，如图1-12所示。然而单横臂悬架结构欠稳定，而且当车轮跳动时，主销内倾角和车轮外倾角变化都较大，不适合用作前悬架，即使用作后悬架，轮距变化也较大。

单纵臂悬架也是一种启蒙性质的悬架，它结构简单，铰点少，占用空间小，便于布置行李箱，轮距、前束和车轮外倾角不随车轮跳动而变化，悬架中心较高，具有良好的抗纵倾能力，如图1-4和图1-11所示，然而，其结构依然欠稳定，特别是存在过多转向趋势。而且，当车轮跳动时，其车轮后倾角较大，也不适合用作前悬架，即使用作后悬架，其轴距变化也较大。

基于上述原因，为解决单臂悬架结构欠稳定的问题，自然地就出现了全摆轴（Pure Swing Axle）悬架和全拖臂（Pure Trailing Arm）悬架，如图1-41所示。不过这两种悬架，从运动特性上看，依然没有脱离单臂悬架的框架，没有本质上的区别。因此，先驱者又想出了一个完全折中的对角摆轴（Diagonal Swing Axle）悬架。对角摆轴悬架较为死板，它在横向上的悬架中心，正好落在车身的几何对称面上，横向角位移和轮距变化量依然较大，依然缺乏灵活性。然而，其功劳在于开阔了思路，把“纯横、纯纵”的思想解放了，让人们在此基础上发展了今天的斜置单臂（Single Link with angled Pivot Axls）悬架，也就是所谓的半拖臂（Semi-trailing Arm）悬架，如图1-13所示。

半拖臂悬架是介于全摆轴悬架和全拖臂悬架之间的且偏于横向效益的调和设计。它结构简单，占用空间小，既能克服全摆轴悬架轮距变化量大、抵抗纵向载荷能力低的弱点，又能防止全拖臂悬架轴距变化量大、抵抗横向载荷能力差的弊端。枢轴角的设计具有很大的灵活性。因为其轴距远大于轮距，所以横向悬架中心的 Y 坐标（在没有特别申明的情况下，本书的坐标系执行汽车制图标准）一般取在0.5～1.0个轮距之间。半拖臂悬架特别适用于轻型货车以及轻型越野车的后悬架。

单纵臂悬架和全拖臂悬架抵抗横向载荷能力较弱，基于克服这一弊端考虑，于是又产生了把左、右纵臂连为一体的想法。这一想法产生了复合纵臂式后悬架（Compound Crank Rear Suspension），也称半独立悬架（Semi-independent Suspension），如图1-21所示。此种悬架的优点，参见前面介绍。

（二）从单臂到双臂

出于客观需要，还从另一个角度设计出了一个双臂悬架，即双横臂悬架和双纵臂悬架，如图1-26和图1-5所示。它们不仅结构稳定性较好，而且无论在横向上还是在纵向上，都具有很大的设计灵活性。

作为双横臂悬架，上、下臂的长度和倾角都是可选择、可调控的。

当双横臂上、下臂的长度相等时，车轮跳动带来的轮距变化最大，但车轮外倾角不发生变化。实际悬架的上、下臂的长度是不相等的，一般是上短下长，横向悬架中心的 Y 坐标从理论上说可在+∞和-∞之间变化，而 Z 坐标也可在很大的范围内进行调控。它可以和悬挂质体的质心重合，乃至可为负值。

双横臂悬架上、下臂的销轴，其长度和倾角也是可选择、可调控的。销轴的长度越大，结构稳定性越好。上、下臂销轴的倾角，决定着纵向悬架中心的位置（ X 坐标）。从理论上说， X 坐标也可在+∞和-∞之间变化。

双横臂上、下横臂的长度和倾角，也都是可选择、可调控的。悬架中心的可设计性可令其轻易地获得理想的侧倾中心和纵倾中心，进而获得所需的侧倾力矩臂和纵倾力矩臂，控制车身稳定性。同时还可使悬架具有合适的运动特性，即当车轮跳动和车身倾斜时，车轮的定位参数、轮距、轴距的变化都尽可能地满足设计要求。

由双臂悬架的设计灵活性可知，它具有多种悬架形式，单就双横臂悬架而言，就有摆臂平行、摆臂内交、摆臂外交，臂销平行、臂销前交、臂销后交等多种悬架形式。

双臂悬架的用途较为广泛，一般可用作轻型货车的前悬架，以及轿车和轻型越野车的前、后悬架。当双臂悬架用作越野车驱动桥且采用螺旋弹簧时，传动轴在空间上就和螺旋弹簧产生了矛盾。为解决这一矛盾，设计者就把螺旋弹簧偏置于下摆臂的前方，如“悍马”等车，如图1-19所示。显然，这种螺旋弹簧偏置的方案，其受力是不太合理的，对导向臂的设计和材质的要求都是较高的。

于是又出现了把螺旋弹簧装于上摆臂之上的设计，如某轻型突击车的前悬架等（图1-18），其螺旋弹簧上置的设计，不仅有碍发动机的布置，还使螺旋弹簧太短，行程过小，悬架容量不够。

正因如此，悬架工作者又设计出了一种双螺旋弹簧双减振器（与螺旋弹簧同轴）的悬架，也就是让传动轴从两螺旋弹簧之间通过，如某二代轻型突击车悬架（图1-20）。

（三）麦弗逊悬架

麦弗逊悬架（Mepherson Strut Suspension），从导向机构看它也是单臂悬架。不过也可以理解它是从双臂悬架演变为单臂悬架的，如图1-15所示。如果把双横臂悬架的上臂取消，也就是让其上臂的长度缩小为零，便成了麦弗逊悬架。这种变化也是为了满足客观的需要，因为作为微型和轻型轿车，双臂悬架结构较为复杂，铰点太多，有简化的必要。

事实上，麦弗逊悬架有其独特的优点：一是它可将导向机构与减振器合二为一，减小了重量，降低了成本，节省了空间，有利于发动机的布置；二是铰点少，上、下铰点距离大，弹簧行程大。下铰点与车轮接地中心较近，受力合理，轮距和定位参数变化较小，轮胎磨损少，行驶稳定性好等。

然而，麦弗逊悬架也有其自身的弊端，如自由度少、可设计性差、易于传递地面冲击等。特别是减振器活塞与缸筒之间总存在一个附加的压力，致使活塞杆与导向座之间存在一个极为有害的摩擦力。这个摩擦力还使悬架的库仑摩擦较重，破坏了悬架的刚度特性。

（四）平衡悬架

平衡悬架（Equalizing Suspension）导向机构也是客观需要的产物。多轴汽车行驶于凹凸不平的路面时，各轴载荷将发生很大的变化，这可能造成单轴超载或使驱动力不能得以发挥，并使制动效能降低。因此，在一些多轴独立驱动的汽车中，往往采用平衡悬架。

图1-8所示是一种导向杆式平衡悬架，是用于6×6和6×4的中后桥的平衡悬架。其导向机构是纵置双臂悬架的一个拓展。纵置板簧装在平衡桥上。当中桥和后桥载荷不一致时，板簧便绕平衡轴中心旋转，以起到平衡补偿的作用。板簧承受垂直载荷和侧向力，导向杆承受纵向力和力矩。各桥分别有一根上导向杆和两根下导向杆，这可使中、后桥的任一桥车轮高度发生变化时，车架高度变化量仅为车轮的1/2。上、下导向杆的长度及铰点的位置是设计的关键，它必须控制板簧相对板簧座之间的滑移量在2～4mm之内，以减少磨损簧座，延长使用寿命；上、下导向杆的设计，还必须控制主传动器主动齿轮轴线在纵向平面内的转角不得变化过大，以保证传动轴和万向节的安全工作。

图1-9所示是一种摆臂式平衡悬架，这是一个有创见性的作品，它轻易地把一个4×2的货车变成了一个6×2的货车。这种结构的后轮是从动轮，左、右轮间没有整体梁，承载量较小。其优点是：非悬挂质量小，有利提高平顺性；便于将4×2汽车变型；悬架与车架之间由两点支撑，相对于导向杆式平衡轴悬架载荷分散，有利于强度设计；后轮可在空载时提起，以减少轮胎磨损，降低油耗。

平衡悬架还有挂车平衡悬架和空气弹簧平衡悬架等，在此不予详细介绍。

二、弹性元件悬架形式的发展

从悬架分类的角度，前面已按弹性元件将悬架分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、气体弹簧悬架以及橡胶扭杆悬架等。从弹性元件发展的角度看，在这些悬架中，首先出现的是钢板弹簧悬架，然后才是其他弹性元件的悬架，现具体介绍如下。

（一）钢板弹簧悬架

1.普通钢板弹簧悬架

钢板弹簧悬架是开发得最早的悬架，在有汽车之前，马车上就已采用了“半椭圆”式钢板弹簧悬架。前面已经谈过，纵置对称式的普通钢板弹簧悬架是结构简单、成本低、维修方便、寿命较长的悬架。它不仅能够承载、导向，还能传递力和力矩，提供纵向、横向角刚度等。它是开发得最早、用得最为广泛、至今还在使用的一种基础悬架。

（1）悬架形式的发展

钢板弹簧悬架除纵置板簧外，还有横置板簧，如图1-24所示。除主簧外，还有主副簧结合的悬架，如图1-25所示；除对称簧外，还有非对称板簧悬架，如图1-23所示。

（2）板簧自身结构的发展

①长度由短变长。板簧主片长度由原先的1m左右，发展到1.45m以上。弹簧变长能使在同等变形下降低应力，提高寿命；在同等应力下，能增大变形提高平顺性；在同等刚度下，增大自身纵向角刚度，抵抗车桥角位移，减少制动时的S形变形。须知，自身角刚度 C _θ = CL ² / 4，显然，它是和主片长度的二次方成正比的。

②宽度由窄变宽。板簧宽度由原先的4cm发展到了今天的6～10cm。增加宽度，不仅使卷耳的刚度增加，而且使弹簧自身的横向角刚度和车辆的横向角度增大，并使惯性矩等比增大。

③厚度由薄变厚。随着淬火工艺的提高，板簧厚度也逐步加大。最初的板簧厚度只有4mm，如今可以淬透30mm。增加宽度和厚度不仅为减少片数打下了基础，且可大大提高总惯性矩 I ₀ 。 I ₀ 和板簧厚度 h 的三次方成正比，即

I ₀ = nbh ³ / 12

④片数由多变少。我国212轻型指挥车的板簧最初是14片，而当今的轻型指挥车板簧一般为1～3片，如图1-42所示。

少片簧是在变宽、变厚的基础上，并将等断面改为变断面后实现的，如图1-43所示。

少片簧除了结构简单、维修方便之外，其最大优点就是减小了片间摩擦力，也就是减小了所谓的库仑摩擦力，提高了小幅振动的平顺性，如图1-44所示。

由图1-44可知，悬架在满载载荷 P ₀ 点作小幅振动时，也就是在良好路面行驶时，它所做的功是面积 abcd ，对应的悬架刚度是tan α ，而tan α ＞tan α ₀ 。tan α 的大小一是取决于振幅Δ f 的大小，这是客观使用条件；二是取决于示功图的“肥瘦”。“肥”就代表弹簧片多，摩擦功大；而“瘦”却代表弹簧片少，摩擦功小。单片弹簧的摩擦功为零，此时tan α =tan α ₀ 。

为消除库仑摩擦，设计人员在片间增装青铜、塑料或尼龙卡垫，它们按120°的方位开设了三个槽，如图1-45所示。

随着我国碳纤维材料技术的突破，单片簧的应用将更加广泛。

⑤各种截面形状。板簧有等截面和变截面之分。变截面簧主要是为了节约材料，同时尽可能向等应力梁靠近，除此之外，截面形状还有很多的变化。由于常用板材为扁钢，上下表面平坦，中性轴在其对称面上，四棱为圆角，半径 r =（0.65～0.85） h 。因扁钢的疲劳破坏总是始于受拉伸的上表面，故下表面常采用抛物线侧边（图1-46b）或采用单面单槽（图1-46c）或采用单面双槽（图1-46d），从而使中性轴上移，以减少拉伸应力。一般认为许用压应力应为许用拉应力的1.27～1.30倍。采用图1-46b、c、d所示截面与采用传统的图1-46a所示的截面相比，材料可节约10%～14%，疲劳寿命可提高30%。

⑥叶片的端部结构。叶片端部由矩形（图1-47a）发展为梯形（片端切角）、椭圆形（片端压延）和片端压延切断，分别如图1-47b、c、d所示。其中矩形成本最低，但效果最差，与椭圆形相比，在片端区域内传力较大，较集中，片端摩擦和磨损加剧，同时也离板簧的“等应力”机理相去甚远，导致板簧质量增大。

梯形结构较矩形有所改善，成本略有增加。椭圆形更接近于理想的“等应力”梁，且在接触区内压力分布得更为均匀，片间摩擦减少。压延切断型结构成本最高，但效果也最好。

⑦板簧端部支撑形式。板簧端部支撑形式有卷耳、滑板和橡胶包头三种类型。

卷耳型可分为上卷式、平卷式（柏林式）和下卷式三种，分别如图1-48a、b、c所示。上卷式是当前广泛采用的结构形式，制造工艺性好，但卷耳内应力较平卷式大。平卷式纵向力可直接传给主片，可减少附加给主片的卷耳力矩，但制造工艺性差。下卷式可用于对板簧安装位置有特殊要求的情况（如保证不足转向趋势），但无法实现加强的双主片，如图1-48c所示。加强片可保主片断裂后的支撑和在悬架反弹时吊载非簧载质体。加强片在卷耳外制作一个包耳，叶片变形时为不致发生干涉，卷耳和包耳之间留有一定的间隙，如图1-48d、e所示。长圆式卷耳孔内装有刚度方向异型胶块，以缓解悬架的水平冲击，如图1-48f所示。

滑板式多见于平衡悬架板簧的支撑和主副簧结构的副簧支撑，如图1-48g所示。这种形式结构、工艺简单，重量轻，拆卸方便，省去了润滑点，并减少了主片的附加应力，延长了弹簧寿命。

包头型采用橡胶块支撑的结构，两端装在橡胶座内，通过胶块将力传给支架。它改善了主片的受力状况，为提高强度采用了双主片结构。胶块具有较大的挠性，减少了主片的扭曲应力，同时也减少了润滑点和噪声。

⑧吊耳的布置方案。吊耳已发展有4种布置方案，如图1-49所示。

4种方案都无外是用铰链和吊耳将板簧两端固定在车架上。图1-49a、b所示为常规布置，图1-49c、d所示为出于位置需要的非常规布置。吊耳的倾角和长度都是有一定要求的，它们对悬架刚度和车架高度均有影响。

吊耳可与板簧成锐角布置（图1-49a），也可以成钝角布置（图1-49b）。成锐角布置的水平分力拉伸板簧，成钝角布置的水平分力压缩弹簧。弹簧受压缩力时，在大负荷下悬架频率剧增。吊耳倾角 α 无论是锐角还是钝角，随着 α 的增大，作用于板簧的水平分力 F _x 都将增大，致使板簧引起较大的附加应力。正因如此，希望 α 值越小越好。但又不能过小，否则在大负荷下将有可能出现“反耳”现象。一般将吊耳角 α 取为30°左右。

车辆在行驶过程中，吊耳将以车架上的支点为圆心，以其自身长度为半径作圆弧运动。这个圆弧运动将使板簧在垂直方向和纵向上产生位移。在同等悬架位移下，为减小吊耳转角，降低簧端纵向位移和垂直位移，现代汽车都加长了吊耳，相对于早期汽车，几乎加长了50%～100%。

⑨吊耳及弹簧销的结构。钢板弹簧的固定，一般一端为固定卷耳，另一端为活动的吊耳（摆耳）。前面已经介绍了吊耳的布置方案，此处着重介绍吊耳及弹簧销的结构。当今吊耳结构已发展有C形、叉形以及分体式等，分别如图1-50a、b、c所示。

弹簧销的支撑、润滑则已发展如图1-50a和b所示的螺纹式、图1-50c所示的自润滑式、图1-50d所示的滑动轴承式、图1-50e所示的橡胶支撑式和图1-50f所示的橡胶包头式数种。

螺纹式的好处在于可同时承受垂向及侧向载荷，卷耳侧面不必加工。螺纹可起储存润滑剂和防尘的作用。螺纹表面渗碳具有一定硬度，其挤压应力约为7MPa。

自润滑式多用于轿车及轻型载荷汽车，具有不必加注润滑脂及噪声小的优点。

滑动轴承式多用于重型载货车，一般采用铜合金或粉末冶金衬套。工作挤压应力为3.5～7.0MPa。在这种结构中，卷耳两侧必须加工至规定宽度，以便于支架或吊耳配合传递侧向力。

在采用图1-50e所示的橡胶支撑式时，必须充分考虑它对悬架特性的影响。

图1-50f所示的橡胶包头式结构多用于重型车。该种结构允许的纵向移动量有限，因此，板簧必须具有足够的长度，且应工作在平直位置附近。

（3）提高寿命的措施

钢板弹簧工作条件极其恶劣，加之采用一般方法生产表面，难免留下裂痕、皱纹和凹痕等，因此在受载时易导致表面应力集中，从而急剧降低材料的疲劳极限引起早期损坏。为提高板簧使用寿命，逐步摸索出提高表面质量、改进热处理工艺和改进弹簧材料三个方面的措施。

1）提高表面质量。提高表面质量，采取了喷丸处理、预压缩处理、减少表面脱碳层深度和表面抛光四项措施。

①喷丸处理。喷丸处理是使表面强化的一种方法。采用抛丸机将金属丸粒（直径为0.4～1.2mm）高速地打向叶片的凹面，使之产生塑性变形造成残余的压应力。部分抵消因工作负荷引起的拉应力，从而提高疲劳强度；喷丸还使金属分子晶体排列改变，从而提高表面强度。

目前有两种喷丸工艺：一般喷丸和应力喷丸。一般喷丸是叶片在自由状态下的喷丸，它使钢板弹簧所能形成的最大残余压应力为550～650MPa，约为屈服极限的一半。应力喷丸是叶片在预变形的状态下进行的，它可使最大残余压应力达到1100～1300MPa。应力喷丸时，预加应力在700～900MPa较为适宜。如果预加应力过大，则虽强化了叶片表面，但同时也增加了叶片深部的应力，反而使疲劳强度降低。

②预压缩处理。预压缩处理（塑性压缩）是指将板簧加载变形，使叶片正常工作时受拉表面的拉应力达到材料的屈服极限，载荷去掉后造成受拉表面的残余压应力，即通过材料的塑性变形强化金属表面。其表面强化的实质基本上与喷丸处理相同，从而提高弹簧的耐久性。

③减少表面脱碳层深度。由于表面脱碳，在金属表面易形成“软点”，这些“软点”可能成为疲劳损坏的起点。表面脱碳和淬火时间与钢材有关，一般淬火时间越长，脱碳层就越深。减少钢板在炉内停放的时间，不仅可大大减少脱碳深度，还可细化晶粒，改善塑性。在相同热处理条件下，60Si ₂ Mn脱碳较为严重，60Si ₂ MnA次之，如果在硅锰钢中加入硼元素，则大大减少脱碳，而且脱碳分散度也小。为了减少脱碳，还可采用渗碳方法补偿。

④表面抛光。表面抛光可以除去叶片表面的脱碳层及其他表面缺陷，能大大提高疲劳强度，但耗费工时多，产品成本高，所以一般只对高级轿车板簧进行抛光。

2）改进热处理工艺。目前在制造板簧时，采用了形变热处理和高温快速回火等热处理新工艺，大大提高了板簧的使用寿命。

①形变热处理。形变热处理是在叶片加热之后，在辊压机上进行的一次热变形压轧，然后再在油中淬火。由于叶片在热变形中压轧，使金属组织细化，马氏体的长度和宽度都减小；同时因使用了保护气体，减少了脱碳，提高了表面质量。

②高温快速回火。提高回火温度，缩短回火时间，可使淬火马氏体加速转变成回火屈氏体。由于回火时间短，碳化物的聚集和长大受到限制，将得到碳化物弥散度很大且均匀的回火屈氏体，提高了材料的强度、塑性和冲击韧性，从而提高了疲劳强度，当然也提高了生产率。

3）改进板簧材料。板簧材料直接影响弹簧强度和使用寿命。钢板弹簧材料一直采用硅锰钢，如60Si ₂ Mn和55Si ₂ Mn等。但经研究，在硅锰钢中加入硼（B）之后，就能增加淬透性和减少表面脱碳，使疲劳寿命提高15%～40%。现已用55Si ₂ MnB代替55Si ₂ Mn。特别在加入合金元素稀土、硼、钒、铬等之后，出现了60Si ₂ MnBRe、60Si ₂ MnVB、60Si ₂ MnRe、55SiMnVB、50CrVA及38SiMnVB等弹簧钢。据了解，50CrVA的许用应力已达到1500～1750MPa，38SiMnVB已达到1800～2000MPa，50CrMnSiVNb的抗拉强度为1880MPa，屈服强度为1760MPa。

2.非对称板簧悬架

非对称钢板弹簧悬架是对称钢板弹簧悬架的一个发展，它也是客观需要的产物。非对称板簧在一定的轴距下，可以调整汽车前、后悬架的长度，调整轴荷分配，可以改变接近角和离去角的大小，协调车桥和发动机的位置矛盾，躲过蓄电池、油箱和轮胎等。特别地，非对称板簧还有着许多如下所述的独特性能（详见第三章）。

（1）非对称度

非对称度 y 是长边 l _l 和短边 l _s 之比，即

y = l _l /l _s

一般取 y =1.2～1.5。 y 值过小，意义不大；过大亦不可取。非对称度决定着非对称簧的所有性能，而且影响悬架相关点的运动轨迹。

（2）两端变形比

非对称板簧长端变形 f _l 大于短端变形 f _s ，其比值等于非对称度的平方，即

f _l /f _s = y ²

（3）两端线刚度比

非对称板簧长端线刚度 C _l 小于短端线刚度 C _s ，其比值等于非对称度三次方的倒数，即

C _l /C _s =1 /y ³

当 y =1.5时，长端线刚度约为短端的30 % 。

（4）两簧线刚度比

在板簧尺寸相同的情况下，非对称板簧的线刚度 C _F 略大于对称板簧的线刚度 C _D ，其比值可表示为

C _F /C _D =（1+ y ） ² / 4 y

当 y =1.5时，比值约为1.04。

（5）两簧横向角刚度比

在板簧尺寸相同的情况下，悬架横向角刚度非对称簧大于对称簧，其比值为

C _{α F} /C _{α D} =（1+ y ³ ）（1+ y ） ³ / 16 y ³

当 y =1.5时，比值约为1.27。

（6）两簧自身角刚度比

在板簧尺寸相同的情况下，抵抗车桥角位移的纵向的自身角刚度，非对称板簧略大于对称簧，其比值为

C _BF /C _BD =（1+ y ） ² / 4 y

当 y =1.5时，比值约为1.04。

（7）偏摆中心距

非对称簧车桥上所有相关点绕着一个偏摆中心作偏摆运动，这个中心到桥心的距离叫作偏摆中心距，其值为

D = yL/ （ y ² -1）

（8）相关点的轨迹半径

各相关点作偏摆运动，它们有着各自互不相等的轨迹半径。这就给总成部件的安装提供了较大的选择余地，也就是提供了较大的可设计性，如减振器下支点的选择可获得较大的阻尼力矩等。

（二）螺旋弹簧悬架

1.螺旋弹簧悬架的优点

螺旋弹簧悬架是随螺旋弹簧的发展而发展的。螺旋弹簧是由钢丝卷制而成的，钢丝断面一般呈圆形，绕成螺旋状。

螺旋弹簧与钢板弹簧相比具有很多优点：重量轻，结构简单，制造方便，不需润滑，不怕尘土，占用空间小。螺旋弹簧没有库仑摩擦，可提高小幅振动的平顺性。特别是它的比能容量高，能够充分发挥材料的潜能。螺旋弹簧内可以安装减振器和行程限制器以及导向柱等，使悬架结构较为紧凑。然而，螺旋弹簧只能承受垂直载荷，不能承受侧向力，因此必须另设导向机构，以传递力和力矩。

螺旋弹簧悬架不仅在轻型车上得到了广泛应用，而且在中、重型车和越野车上也有应用，如装载质量为10t的德军MAN280重型越野车就使用了螺旋弹簧悬架。特别在轿车中，由于要求具有良好的舒适性，要求导向机构在大摆动量下仍具有保持合理的车轮定位参数的能力，因此螺旋弹簧悬架基本取代了钢板弹簧悬架。

螺旋弹簧不仅广泛应用于前悬架，而且也可用于后悬架；不仅广泛用于独立悬架，也可用于相关悬架，参见图1-4和图1-5。

螺旋弹簧不仅广泛用于非驱动桥，也可用于驱动桥。例如，在双横臂驱动桥中，有螺旋弹簧上置式、下置式以及双螺旋弹簧悬架，如图1-18～图1-20所示。

总之，不少的悬架形式，不同的导向机构，都可以装置螺旋弹簧，例如，麦弗逊悬架、半拖臂悬架等。

2.变参数螺旋弹簧悬架

螺旋弹簧经由了普通螺旋弹簧到变参数螺旋弹簧的发展过程，即经由了等刚度螺旋弹簧到变刚度螺旋弹簧的发展过程。

任何螺旋弹簧都是由钢丝直径、簧圈中径、节距和螺旋角四大结构参数决定的。四大结构参数中之一、之二、之三或全部随钢丝长度变化者称为变参数螺旋弹簧。

原先变参数螺旋弹簧多为变节距簧，相继是变中径簧，最后发展到变丝径簧，同时变更几种参数可组配出数十种元件簧，由元件簧还可组合成各种组件簧。图1-51是6类典型的变参数组件螺旋弹簧。

变节距簧工艺简单，变丝径簧钢丝的拉制工艺较为复杂，但性能更加优越，例如，美军的悍马车，部分车型就是采用的变丝径、等内径变参数螺旋弹簧，其中部可以安装减振器。

变参数螺旋弹簧有着重量轻、便于发挥材料潜能、应力分布合理以及载荷特性优良四大优越性，详见第三章。

随着变参数螺旋弹簧的发展，已对其建立了六大评价指标，即比负荷、载荷幅度、刚度幅度、应力幅度、末圈比应力和质量参数。末圈压并载荷 F _em 是变参数螺旋弹簧的核心参数。 F _em 大者（在应力允许的范围内），各项评价指标都较优良。

3.螺旋弹簧端部形状

螺旋弹簧的材料和工艺与板簧一样，均有着相应的发展。而端部形状根据需要已发展为两端碾细、直角切断或向内弯曲等形式，如图1-52所示。

图1-52a所示为两端碾细型，即在绕制弹簧之前先将钢丝两端碾细，碾细部分的长度在绕后约占240°，末端厚度约为钢丝直径的1/3，绕成后末端几乎紧贴相邻一圈弹簧，必要时两端都要磨平。这种结构的优点是节约材料，占用垂向空间小，特别是由于两端都平整，安装时可以任意转动，因而设计时弹簧的圈数可以取任意值，不必限于整数。缺点是碾细需要专门的设备和工艺，增加了制造成本。图1-52b所示为直角切断型，其中一端并紧形成与弹簧轴线垂直的平面。这种结构的优点在于制造简单，成本低；缺点是增大了垂向尺寸和材料消耗，安装时需对准一定的方向，并需要与之相配的弹簧座。若两端都未整平，则修改设计时，弹簧圈数必须按整数增减。图1-52c所示为端部向内弯曲并形成与弹簧轴线垂直的平面，这种结构常用于和弹簧座配合起定位作用，若两端都内弯，则需要专用设备。

（三）扭杆弹簧悬架

1.扭杆弹簧悬架的优点

扭杆弹簧悬架早在20世纪30年代就已出现在欧洲的汽车上，50年代美国克莱斯勒公司相继装车使用，当前已广泛用于微型车、轻型车、轿车、客车和越野车等各类车型，在12×12的重型越野车上也有采用。俄国的玛斯、我国的万山等超重型越野车也早已采用。

扭杆的一端装于车架之上，另一端通过导向臂装于车轮之上。作为抵抗悬架运动，钢板弹簧是利用叶片的弯曲与反弹，螺旋弹簧是利用簧圈的压缩和伸展，而扭杆弹簧则是利用杆体的扭转和回复。扭杆弹簧有着如下优点：

①单位质量的储能量高，其比能容量比钢板弹簧约大3倍。

②既可节省优质钢材，还可降低车辆自重。

③扭杆固定在车架上，减少了非悬架质量，提高了平顺性。

④扭杆悬架的非线性特性，使其在等行程下的悬架容量提高，有利于坏路行驶。

⑤用于前驱动汽车时，扭杆可纵向布置，为摆动半轴腾出了空间。

⑥因为可任选零载荷角，所以可以方便地调整车身高度。

⑦结构紧凑，便于布置，维修保养方便。

然而，扭杆的制造成本较高，对材料及工艺要求较严，此外，扭杆仅能起弹性元件的作用，故必须另设导向机构。

2.扭杆弹簧的结构

扭杆弹簧可以按其断面形状或弹性元件的数量来分类。

按断面形状，扭杆弹簧已发展有圆形、管形和片形几种；按元件数量，扭杆弹簧又可分为单杆式和组合式两种，其中组合式扭杆又有并联和串联之分，如图1-53所示。

圆形断面单杆式扭杆，端部做成花键，工艺性好，装配容易，因而得到了广泛应用。

管形断面扭杆材料利用最为合理，且可用来制造组合式扭杆，但工艺较为复杂。

片形断面扭杆，工艺性好，弹性好，扭角大，可靠性高，一片断了之后仍能工作，但材料利用不够合理。

组合式扭杆能缩短弹性元件的长度，有利于在汽车上的布置。圆形断面扭杆，可以用2、4或6根形成组合式扭杆。组合式扭杆是客观需要的产物，是横置式的要求推动发展起来的。

在扭杆悬架上，扭杆一般为纵置，也有横置。由于汽车横向尺寸有限，横置扭杆往往较短，扭杆应力较高，悬架容量不够。为解决这一问题，出现了组合式扭杆，也还是为解决这一问题，从另一思路出发，发展出了交错式扭杆悬架，如图1-30所示。

扭杆最主要的发展是杆越来越长，在纵向上不到万不得已不采用组合式扭杆。工艺上早已采用了预扭和喷丸处理。材料上现在常用的有40Cr、45CrNiMoVA、42CrMo、50CrV和50CrMnSiVNb等。

（四）空气弹簧悬架

1.一般情况及工作原理

空气弹簧悬架是相对钢板弹簧等悬架的一种发展。早在1947年，美国首先在普尔曼汽车上使用空气弹簧，意大利、美国、法国以及日本也相继开展了研究工作。到了1964年，德国生产的55种大中型公共汽车上就有38种装有空气弹簧悬架。当前在国外客车上几乎全部使用了空气弹簧悬架。在中重型货车上，也有近80%采用空气弹簧悬架，如美国的福特、德国的奔驰、日本的尼桑等汽车。部分高级轿车也有采用空气弹簧悬架的，如美国的林肯、德国的奔驰300SE和600等。近年来，特别在一些8×8、10×10、12×12的重型牵引车及其半挂列车上，也相继采用空气弹簧悬架，如美军的M1070+M1000HETS（Heavy Equipment Transporter System）半挂列车，我国泰安特种车公司生产的50T军用半挂列车等，其主车和半挂车都采用了空气弹簧悬架。

我国的公共汽车及客车也普遍采用了空气弹簧悬架，外国公司的气囊及其相关技术也相继进入国内市场，如康迪泰克、格兰莱特以及塞夫等公司。

空气弹簧悬架除弹性元件、减振器、导向机构以及高度调节装置外，还装有压气机、压缩空气容器及其管路等，其车身高度调节装置如图1-54所示。

①当车辆在平直良好的路面正常行驶时，高度调节阀和排气阀处于关闭状态，弹簧既不充气也不排气，车辆高度保持不变。

②当车辆载荷增加时，弹簧被压缩，车身整体下降，高度调节阀的连杆相对于高度调节阀向上运动，并转动摇臂逆时针运动，使充气阀门打开，压缩空气经高度调节阀向气囊充气；车身在气压的作用下开始回升；高度调节阀的连杆也随之向下回落，摇臂顺时针运动，充气阀门的开度逐渐减小，直至重新关闭。此时，车身恢复到原先设置的高度，即气囊回伸到原先的位置。

③当车辆载荷减少时，气囊在腔内压缩空气的作用下伸长，连杆向下运动，摇臂顺时针转动，排气阀门打开，囊中空气排入大气，车身逐渐恢复到设定高度。

空气弹簧由胶囊和充入其内的高压空气组成，囊壁内夹有帘线。空气弹簧分凸台包卷式（Rolling Lobe，也叫膜式）和涡旋式（Convoluted，也叫囊式），如图1-55所示。

凸台包卷式空气弹簧刚度小，在同等气压和尺寸下的承载能力较小，且动刚度较大，适用于轿车悬架；涡旋式空气弹簧结构简单，制造方便，寿命较长，按其囊数可分为单节式、双节式和三节式，按形状还可分为圆式和椭圆式，但刚度较高，为降低刚度常配有辅助装置，适合大客车及载货车使用。

2.与钢板弹簧悬架的比较

汽车的空载和满载必然带来车轴负荷的变化，特别是挂车和客车的车轴以及载货车的后轴，两种状况下的重量差是巨大的。正因如此，空载和满载的变形差也是巨大的，特别是低刚度的普通钢板弹簧悬架，必须给车桥和车身之间的相对运动留出一个巨大的空间。

如图1-56a所示，钢板弹簧悬架的总变形量 s _t 等于装载质量的静压缩量 s _s 加上空载动变形 s _ed 和满载动变形 s _fd ，即

s _t = s _s + s _ed + s _fd

当采用空气弹簧时，车辆用控制臂保持水平，与载荷无关，这就意味着装载质量的静压缩量 s _s =0。由图1-56b可知

s _t = s _ed + s _fd

因此，采用空气弹簧，轮罩空穴仅是动力振动量，也就可以采用低刚度簧来改善舒适性，或在公共汽车上获得低的整车高度（降低质心），或在载货车和挂车上增大载荷空间。

此外，频率尚有差别：空气弹簧内压随载荷改变，满载、空载频率基本不变；而线性的钢板弹簧悬架，频率随载荷变化，即空车跳动剧烈，满载跳动柔和。

图1-57所示为线性钢板弹簧与膜式空气弹簧的比较。钢板弹簧的频率随载荷降低而急剧增加，而空气弹簧的频率不仅低于钢板弹簧，而且在整个载荷范围内近似为常数。同时，钢板弹簧的刚度不随载荷变化，而空气弹簧则随载荷的变化而急剧变化。

3.空气弹簧悬架的结构形式

从结构形式上看，空气弹簧悬架可分为相关式、独立式以及浮动轴式三种。

①相关式空气弹簧悬架结构简单，便于车辆改装，可提高底盘的通用性。

②独立式空气弹簧悬架可增加弹簧中心距，提高横向角刚度。

③浮动轴式空气弹簧悬架是在轴荷较轻时，为减少轮胎磨损、消除错误导向等而进行整轴提升的机构。它由升降气囊、提升臂、导向机构、空气囊和相应的控制系统等组成。此外，当车辆行经冰雪和泥泞等坏路时，为增大驱动轴的附着，提升浮动轴以使载荷移入可用之处，如图1-58所示。

4.空气弹簧悬架的优缺点

开发空气弹簧悬架的目的，是实现低而变化不大的自然频率，使车身高度与载荷无关。实践证明，当今的空气弹簧悬架完全实现了这个愿望，成功取代了钢板弹簧在公共汽车上的独霸地位，提供了载货车空载和满载状况下的相同性能，并大大方便了货物的装卸；在小轿车上，也证明了它作为调平车辆辅助元件的价值，它还成功用于轨道式客车、公路和铁路车辆等。

空气弹簧悬架具有低频、等频、等高三大基本优点。

（1）一个柔软的低频悬架

由于消除了空载和满载之间的静压缩量，有足够的空间实现低频，因此提高了乘坐舒适性：绝大部分的路面冲击被吸收，从而保护了车辆、人员、物资及道路的安全。空气弹簧悬架能使钢板弹簧悬架的频率下降约40%。

（2）一个恒定而与载荷无关的自然频率和舒适性

水平阀按载荷大小调节空气簧中的空气压力，这意味着弹簧刚度与载荷成比例地改变。这种容积不随载荷改变的“等容积空气弹簧”基本实现了“等频悬架”的要求。

（3）一个恒定的车辆高度

调平系统按设计位置保证了一个与载荷无关的不变的车辆静态高度。车辆总高、装载高度、离地间隙以及前照灯位置等均保持不变。相对于地面来说，车辆总是处于相同的高度，并与载荷无关。即使车辆装载不平，它也能保持水平。车辆在满载状态下，也不压至缓冲块。

此外，空气弹簧悬架还有如下辅助优点：

（1）可手动调整高度

在载货车和牵挂系统中采用空气弹簧悬架，车身能手动地升高或降低，不要求装备诸如千斤顶之类的附件。借助空气弹簧悬架，可设置一个合适的高度与装卸平台对齐，半挂车和挂车容易挂钩和卸钩，可拆式车身也易于更换。

在轿车日益轻便的设计要求下，更加需要空气弹簧悬架式的可调系统。通过集成电子控制仪器，能够提供适合于运行情况的车辆高度：

①市区运行的标准高度。

②高速公路高速运行时的低阻力高度。

③越野运行时的举升高度。

借助调平系统，车辆能随时与地面保持平行，因此能在各种道路条件下保持较低的阻力系数。

（2）寿命长，节约材料

空气弹簧的寿命为钢板弹簧的3～4倍，采用空气弹簧还可节约钢材。

空气弹簧的缺点：结构复杂，可能漏气，不能承受侧向载荷，需要装置专用导向机构；由于气囊尺寸较大，弹簧中心距较小，因此必须装设大尺寸的横向稳定装置。

（五）油气弹簧悬架

1.油气弹簧悬架的工作原理

有了空气弹簧悬架，设计者还总想设计出一个体积小、重量轻、承载能力强且又具有类似于空气弹簧特性的悬架。油气弹簧悬架正是这样一个悬架！因此可以说，油气弹簧悬架是空气弹簧悬架的一个发展，也是空气弹簧悬架的一个特例。

油气弹簧实质上是以密封在工作室内的惰性气体（一般为氮）作为弹性介质，在气体与活塞之间用油液作为传力介质的气体弹簧。油气弹簧的工作缸由气室、油液和起减振作用的阻尼阀组成。它利用本身的油液，再内置一个减振阀，同时起着液力减振器的作用。其工作原理和结构如图1-59和图1-60所示。

气体与油液用橡胶膜隔开，故称为油气分隔式油气弹簧。即使在高温和高压条件下，气体也不会溶化在油液内，保证了性能的稳定。

因为气体密封在工作室内，在不同载荷下其质量不变，所以又称为定质量空气弹簧。与此相比较，膜式和囊式空气弹簧在给定的工作温度下，其工作容积不受载荷影响，维持基本不变，因而称为定容积空气弹簧。

油气弹簧适装于重型汽车上，特别适装于重型自卸车上，也可装于导弹运载车和其他车型上。

2.油气弹簧悬架的优缺点

①油气弹簧体积小，质量轻，便于布置。它装于重型车上，比钢板弹簧悬架约轻50%。

②气体工作压力高，因为油气弹簧的气室是钢制而成的，所以工作压力通常为5～7MPa，最高可达20MPa，一般是空气弹簧的10～20倍。

③油气弹簧用油液作为介质，不仅能起润滑作用，而且可以通过内置的节流孔阻尼油液流动，使油气弹簧兼起液力减振器的作用。

④如果油气弹簧配置一套车身高度调节阀，则和空气弹簧一样，可自如地调节车身高度。

⑤油气弹簧和空气弹簧一样，能获得较低的自然振动频率，能使汽车在空载和满载情况下都具有良好的行驶平顺性；改变充气压力和油液体积，均能改变其弹性特性。因此，同一型号的油气弹簧可以通用于不同型号的载货车。

油气弹簧的缺点是结构复杂，维修保养麻烦；工作介质为高压气体和油液，因而对相对运动部件的表面粗糙度、耐磨性、装配精度和密封环节的设计都提出了较高的要求，以确保其密封性。尽管如此，工作中气体仍会有缓慢泄漏，故需要装设专门的充气设备以及时补氮。 J6lO7zJLCaT1ucSeuYRNf8iPoDiqSvQhzzlFsXNqFv3ol7FU6sMidLR+Dadcc17c