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汽车悬架弹簧在汽车中起到什么作用?

时间:2022-02-15 14:59:14  来源:  阅读次数:387

在悬架被发明的时候,其实人们不过是希望让乘坐能够变得更加舒适一点。而在这个出发点下,弹簧可谓是悬架的精髓了。要知道,最初的悬架是板簧结构的,并没有独立的导向机构和阻尼器。那么,弹簧是怎么担当起“让人舒服”这一重任的呢?

从能量的角度说,弹簧属于是“储能元件”。它跟减振器不一样,减振器属于“吸能元件”,能过把振动的能量吸收一些,从而衰减了传递给人的振动能量。而弹簧,在振动的时候变形,只是把能量储存了起来,最终还是会释放出来。

既然迟早是要还的,那要它还有什么用?

这要从两个方面说起——首先,出来混确实是迟早都要还的,可是不一定要还给谁。路上有个鼓包,你开车轧过去它吧车轮顶起来了,车轮搞不过,又把能量传给了弹簧,所以弹簧就被压缩了。可弹簧也不是受气包啊,又把能量弹开,还给了车轮,车轮“啪”地一声拍在地上,给了广袤大地一个响亮的耳光。

这一出戏虽然热闹,可是基本上都是簧下的那部分在忙活,并没有把事情往更高层的地方捅,坐在最上面的驾驶员当然就不会很难受了。这就是弹簧的隔离作用,尤其是对较高频率振动的隔离。

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其次,人体舒适性敏感的并不是能量,而是加速度和加速度的变化。比方说,你坐在车上高速巡航的时候,时速120公里,你就具备了很多的机械能,但是你并没有因此而感觉到难受;反而是在堵车的时候,车速很慢,走走停停,你感觉头昏脑胀甚至晕车,因为这个时候不仅有加速度,而且加速度还是一直变化的。

大家都有这样的感受:有的时候你车开得很快,前面有个桥,桥面比路面稍稍高出了一些,当你冲上桥面的时候,除了轮胎撞击接缝的声音之外,感觉并不明显;反而是车已经都驶过接缝之后,整个车身有一个缓慢的、像呼吸一样的上下起伏——“呼~哧~~”的那么一下。因为很慢很缓和,所以你也不会很不舒服。

这就是弹簧虽然把储存的能量都释放出来了,但是它不是一下子全都给你,而是慢慢地释放、把这个过程拉长了。这样,车里的人感受到的加速度就变小了,所以才会舒服一些。这就好比是百公里加速,15秒加到100km/h肯定是比4秒加上去要舒服的。

那么弹簧和操稳又有什么关系呢?

舒适性大多考虑的是竖直方向的运动,操稳大多考虑的是横向的和纵向的运动,也跟弹簧有关系么?必须有。

喜欢阅读赛车科普文章或者是玩模拟器的车友可能听过一个词,叫“载荷转移”,这是一个讨论操稳问题的时候才会出现的词。“载荷转移”里的这个“载荷”,就是车轮上的竖直方向的载荷。

跟我们聊起舒适性的时候比较类似,弹簧的存在也让载荷转移的过程慢了下来。如果没有弹簧的话,这个载荷转移的过程就会变得很快很直接,类似于我们开卡丁车时候的那种感觉。是弹簧的存在,让这个过程变得更加柔和、对普通驾驶员更加友好、更加容易控制。

另外,你有可能听过这样一种说:载荷转移越多、极限附着的损失越大。也有的人说:前后轴哪个弹簧越硬,哪个就越容易滑。这些说法都是有道理的。弹簧的存在不仅仅延缓了载荷转移的过程,也对载荷转移的最终结果起着作用,而载荷转移更多的那个轴,在极限驾驶时往往更容易更早地突破附着极限。

弹簧的各种形状有什么区别?

我们见到的弹簧有各种各样的——螺旋弹簧、钢板弹簧、扭杆弹簧……即使是乘用车上最常用的螺旋弹簧,也有线性簧、渐进簧、直线簧、香蕉簧……他们都有什么区别呢?

线性簧和渐进簧的区别:

线性簧,顾名思义就是弹簧的刚度是线性的,在整个弹簧的工作长度区间里,刚度都是一个不变的值。渐进簧,又叫“非线性簧”,随着弹簧被压缩,一部分簧丝之间会发生“并圈”,起作用的簧丝圈数减少,刚度就会逐渐增大。

在越野车辆上,渐进簧被给予了广泛充分的应用。因为在使用线性簧的时候,如果刚度太大,那么车辆在应对较小幅度的颠簸的时候就显得不够“松弛”,隔离和过滤不够;而弹簧刚度太大的时候,又会使得在面对较大颠簸的时候保护不够,悬架行程很容易被用尽、压缩到极限,然后猛烈地撞击限位块。而渐进簧则妥善地兼容了这两点需求——小幅度的时候不会太“僵”;幅度变大的时候刚度也随之变大,避免频繁击穿悬架行程;当幅度更大、必须要冲击限位块的时候,缩小了弹簧刚度和限位块刚度的差距,使得过渡更加平和。

但是在铺装路面上行驶的车辆却极少使用这种渐进簧。简言之,这种簧因为刚度不线性,所以会表现地“比较容易被拉的很长、却很难被压缩得很短”。这样的话,在车辆转弯侧倾的时候,内侧抬起的比较多,外侧压缩的却比较少,总体上有一个抬高车身的趋势,对操稳不利。

在场地赛车上,多级刚度的弹簧更多地以另外一种形式出现——串联副簧。

这种结构一般用在赛用改装上。为了提高操稳,将弹簧的刚度提高到很大,但悬架的极限行程并没有相应地缩小很多,就出现了“行程长、弹簧短”的情况,在悬架的拉伸行程极限处时,弹簧短到不能顶紧上下托盘、甚至出现松脱。这时候,就串联一个刚度很小的副簧,在拉伸过多的时候这个副簧可以弥补主簧长度不足的问题。这个副簧一般刚度都很小,在车辆正常行驶的时候是被完全压并的,根本不起作用,哪怕是最极限的侧倾或者俯仰,都不能让副簧有一点拉伸。这也就是为什么副簧的簧丝上下表面都是平面的原因,为的就是能够压并妥实。而当车辆进站被千斤顶顶起、或是意外地车轮离地等过多拉伸悬架的情况发生时,副簧才会伸长,来弥补主簧的空缺。

直线簧和“香蕉簧”

对于麦弗逊悬架来说,如果弹簧的轴线位置设计的不好,作用在车轮上的载荷传递到减振器支柱上之后就会产生一个要把减振器“掰弯”的力量,这个力量被减振器的活塞和油封导向器处所抵挡。但是,如果这个力量比较大的话,就会让这些地方的摩擦力变大,使得悬架的表现变“僵”。

要抵消这个“掰弯”的力量有两种办法:一是把弹簧的轴线设计到一个合适的位置;二是让弹簧产生一个相反方向的“掰弯”的力量与之相抵。要产生这个相反的“掰弯”力,“香蕉簧”就应运而生了。