[原理篇]行驶系

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行驶系概述
行驶系——车桥
行驶系——车轮及车轮定位(一)
行驶系——车轮及车轮定位(二)
行驶系——悬架系统
行驶系——弹簧和减振器 (一)
行驶系——弹簧和减振器(二)
行驶系——轮胎

行驶系概述

　　从发动机发出的功率辗转经过飞轮、离合器、变速箱、传动轴、差速器、半轴， 传到了车轮，车终于能动了。本教程也进入了一个有点复杂的内容——行驶系。还是让我们由简到繁，慢慢道来。

　　先想象一个只有两根横梁的梯子，让我们把横梁换成两根车轴，再安上四个轱辘，于是，一个最简单的能被称为“车”的东西产生了，这就是行驶系。那两根横梁就是车桥（装着驱动轮的车桥就是驱动桥），两根纵梁就是车架（或就叫纵梁也成）。车桥的两端装着轮子，而车架上则安放着几乎所有其他东西——发动机、 变速箱、转向机构（方向盘和转向机）、人、行李以及把这一切包裹起来的活动房子——车身。车桥和轮子在颠簸的路面上欢快地跳跃着，我们当然不希望车身也如此活跃，因此车桥和车架之间要用一种弹性结构连接在一起，这就是悬架系统，它包括能让车身不停颤动的弹簧和让这种颤动能尽快停下来的阻尼装置——减震器。

　　好啦，我们已经知道行驶系的四大主要部分了：车轮、车桥、车架和悬架。下面就让我们分别探讨一下它们各自功能和结构。

车桥

　　前面讲过，车桥通过悬架和车架（或车身）相连，两端连接车轮。车桥可以是整体式的，有如一个巨大的杠铃，两端通过悬架系统支撑着车身，因此整体式车桥通常与非独立悬架配合；车桥也可以是断开式的，象两把雨伞插在车身两侧，再各自通过悬架系统支撑车身，所以断开式车桥与独立悬架配用。

　　根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。其中转向桥和支持桥都属于从动桥。大多数汽车采用前置后驱动（FR），因此前桥作为转向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动（FF）汽车则前桥成为转向驱动桥，后桥充当支持桥。

　　转向桥的结构基本相同，由两个转向节和一根横梁组成。如果把横梁比做身体，转向节就是他左右摇晃的脑袋，脖子就是我们常说的主销，车轮就装在转向节上，仿佛脑袋上带了个草帽。不过，行驶的时候草帽转，脑袋却不转，中间用轴承分隔开，脑袋只管左右晃动。脖子——主销是车轮转动的轴心，这个轴的轴线并非垂直于地面，车轮本身也不是垂直的，我们将在车轮定位一节具体论述。

　　转向驱动桥与转向桥的区别就是一切都是空心的，横梁变成了桥壳，转向节变成了转向节壳体，因为里面多了根驱动轴。这根驱动轴因被位于桥壳中间的差速器一分为二，而变成了两根半轴。两个草帽也不是简单地套在脑袋上，还要与里面的两根半轴直接相连。半轴在“脖子”的位置也多了一个关节——万向节，因此半轴也变成了两部分，内半轴和外半轴。

车轮及车轮定位（一）

　　上一节讲到转向轮的转向轴心——主销并非垂直于地面，而是朝两个方向产生倾角，即主销内倾角和主销后倾角。车轮本身也有一个外倾角和前束。先说主销后倾角。站在车身左侧，观察车的左前轮，我们会发现主销是向后倾倒的。这样做的主要目的是为了让主销的延长线与地面交会于车轮触地点之前。
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　　这种设计是为了使车轮在滚动的过程中保持稳定，不致左右摇摆。我们不作过多的理论解释，只举一个例子：也许有的读者小时候玩过推铁环的游戏，我们用一个头部带圈的长铁杆从后面推一个大铁环使其滚动，由于铁环很容易翻倒而使得这个游戏具有一定的挑战性。但如果我们换一种推法，让铁杆与铁环的接触点在铁环与地面接触点的前面，我们会发现这样做使得这个游戏的挑战性大大降低了，铁环不再那么容易晃动甚至翻倒了。这就是主销后倾角的妙用。

　　下面再看看主销内倾角。站在车的后部，观察车的右前轮，我们发现主销向左倾倒，也即向内侧倾倒。
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　　这样做的目的是为了在转弯的时候让车轮产生倾斜。还是举一个生活中的例子： 我们在骑自行车拐弯的时候，会自然地将车子向所转的方向倾斜，让车轮与地面有一个夹角，学过物理的人知道，这样做是为了产生足够的向心力。汽车也是一样，右侧车轮在右转弯的时候在主销内倾角和后倾角的共同作用下会向右侧倾倒，而左侧车轮虽也有主销内倾角，却不会向左侧倾倒，因为还有主销后倾角，把它又拉了回来，甚至也能向右微微倾斜。不仅如此，两侧车轮的转动还使右侧车身降低，左侧车身抬高，整个车身也向右倾斜，于是产生了足够的向心力。

车轮与车轮定位（二）

　　除了前文所述的主销后倾和内倾两个角度以保证汽车稳定直线行驶外，车轮中心平面也不是垂直于地面的，而是向外倾斜一个角度，称为车轮外倾角。因为假如空车时车轮正好垂直于地面，则满载时，车桥因受压产生变形，中间下沉，两端上翘，车轮便随之变为内倾，这样将加速轮胎的磨损。另外，内倾的车轮从两端向内挤压轮毂上的轴承，加重了它的负荷，也会降低其使用寿命。因此在安装车轮时要预先使车轮有一定的外倾，同时，这也能保证其与拱行路面相适应。
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　　车轮有了外倾以后，在滚动时就会导致两侧车轮产生向外滚的趋势。然而，由于转向横拉杆和车桥的约束，车轮不可能真的向外滚开，于是车轮在无法按照自己的预想轨迹滚动的情况下，势必产生横向滑动，从而加重了轮胎的磨损。为了消除这种不良影响，在安装车轮时，使汽车两前轮并不平行，俯视车轮，会发现两前轮就象人的内八字脚一样。这称为车轮前束。
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　　在外倾角和前束的共同作用下车轮基本上可以沿直线滚动而没有什么横向影响了。以上就是车轮定位的四个要素：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束。

悬架系统

前悬架系统

　　前悬架目前基本上都采用独立悬架系统，即左右两个车轮各自独立地通过悬挂装置与车体相连，也就意味着可以各自独立地上下跳动。悬架系统由连杆机构、弹簧和减震器组成三角形、四边形或其它形状的连接方式以固定车轮与车身的相对位置。在弹簧的作用下，车轮可以相对车身上下运动。最常见的有双横臂式和麦弗逊式（又称滑柱摆臂式）。

　　双横臂式悬架由上短下长两根横臂连接车轮与车身，两根横臂都非真正的杆状，而是大体上类似英文字母Y或C，这样的设计既是为了增加强度，提高定位精度，也为减震器和弹簧的安装留出了空间和安装位置。同时，下横臂的长度较长，且与车轮中心大致处于同一水平线上，这样做的目的是为了在车轮跳动导致下横臂摆动时，不致产生太大的摆动角，也就保证了车轮的倾角不会产生太大变化。这种结构比较复杂，但经久耐用，同时减震器的负荷小，寿命长。

　　滑柱摆臂式悬架结构相对比较简单，只有下横臂和减震器-弹簧组两个机构连接车轮与车身，它的优点是结构简单，重量轻，占用空间小，上下行程长等。缺点是由于减震器——弹簧组充当了主销的角色，使它同时也承受了地面作用于车轮上的横向力，因此在上下运动时阻力较大，磨损也就增加了。且当急转弯时，由于车身侧倾，左右两车轮也随之向外侧倾斜，以致可能出现不足转向。弹簧越软这种倾向越大。

后悬架系统

　　后悬架系统的种类比前悬架要多，原因之一是驱动方式的不同决定着后车轴的有无，也与车身重量有关。主要有连杆式和摆臂式两种。

　　连杆式主要是在FR驱动方式，并且后车轴左右一体化(与中间的差速器刚性连接)的情况下使用的，过去多采用钢板弹簧支撑车身，现在从提高行车平顺性考虑，多使用连杆式和后面要说的摆臂式，并且使用平顺性好的螺旋弹簧。连杆在左右两侧各有一对，分为上拉杆和下拉杆，作为传递横向力（汽车驱动力）的机构，通常再与一根横向推力杆一起组成五连杆式构成。横向推力杆一端连接车身，一端连接车轴，其目的是为了防止车轴（或车身）横向窜动。当车轴因颠簸而上下运动时，横向推力杆会以与车身连接的接点为轴做画圆弧的运动，如果摆动角度过大会使车轴与车身之间产生明显的横向相对运动，与下摆臂的原理类似，横向推力杆也要设计得比较长，以减小摆动角。

　　连杆式悬架与车轴形成一体，弹簧下方质量大，且左右车轮不能独立运动，所以颠簸路面对车身产生的冲击能量比较大，平顺性差。因此采用了摆臂方式，这种方式仅将车轴中间的差速器固定，左右半轴在差速器与车轮之间设万向节，并以其为中心摆动，车轮与车架之间用Y型下摆臂连接。“Y”的单独一端与车轮刚性连接，另外两个端点与车架连接并形成转动轴。根据这个转动轴是否与车轴平行，摆臂式悬架又分为全拖动式摆臂和半拖动式摆臂，平行的是全拖动式，不平行的叫半拖动式。

弹簧和减振器 (一)

弹簧

　　螺旋弹簧：是现代汽车上用得最多的弹簧。它的吸收冲击能力强，乘坐舒适性好；缺点是长度较大，占用空间多，安装位置的接触面也较大，使得悬架系统的布置难以做到很紧凑。由于螺旋弹簧本身不能承受横向力，所以在独立悬架中不得不采用四连杆螺旋弹簧等复杂的组合机构。
　　出于乘坐舒适性的考虑，我们常常希望对于频率高且振幅小的地面冲击，弹簧能表现得柔软一点，而当冲击力大时，又能表现出较大的刚性，减小冲击行程。因此就需要弹簧同时具有两种甚至两种以上的刚度。具体的解决方法是，可采用钢丝直径不等的弹簧或螺距不等的弹簧，它们的刚度会随着负载的增加而增加。

　　钢板弹簧：多用于厢式车及卡车，由若干片长度不同的细长弹簧片组合而成。相比于螺旋弹簧，它结构简单，成本低，可紧凑地装配于车身底部，工作时各片间能够产生摩擦，因此本身就具有衰减效果。但如果产生严重的干摩擦，就会影响吸收冲击的能力。因此重视乘坐舒适性的现代轿车很少使用这种弹簧。

　　扭杆弹簧：是利用具有扭曲刚性的弹簧钢制成的长杆。一端固定于车身，一端与悬架上臂相连，车轮上下运动时，扭杆发生扭转变形，起到弹簧的作用。

　　气体弹簧：利用气体的可压缩性代替金属弹簧。它最大的优点就是具有可变的刚度，随气体的不断压缩渐渐增加刚度，且这种增加是一个连续的渐变过程，不象金属弹簧是分级变化的。它的另一个优点是具有可调整性，即弹簧的刚度和车身的高度是可以主动调节的。
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　　通过主副气室的配合使用，使弹簧可以处在两种刚度的工作状态下：主副气室同时使用，气体容量变大，刚度变小，反之(只使用主气室)则刚度变大。气体弹簧刚度由计算机控制，在汽车高速、低速、制动、加速以及转弯等状态下，根据所需刚度进行调节。
　　然而气体弹簧也有弱点，靠压力变化控制车高必须装备气泵，还有各种控制附件，如空气干燥器，如保养不善会使系统内部生锈发生故障。另外如果不同时采用金属弹簧，一旦发生漏气，汽车将无法行驶。

弹簧和减振器（二）

　　弹簧虽然可以减轻道路对车身的冲击，但如果不让它的振动尽快停下来，我们乘坐的将是一辆跳个不停的汽车。因此，要在弹簧运动的过程中加上一定的阻力(学名叫做阻尼)，使弹簧的振动迅速衰减。减振器就是这个阻尼设备。

　　减振器的结构是将带有活塞的活塞杆插入筒内，同时在筒中注满油。活塞上有节流孔，使得被活塞分隔出来的两部分空间中的油可以互相补充。阻尼就是在具有粘性的油通过节流孔时产生的，节流孔越小，阻尼力越大，油的黏度越大，阻尼力越大。如果节流孔大小不变，当减振器工作速度快时，阻尼过大会影响对冲击的吸收。因此，在节流孔的出口处设置一个圆盘状的板簧阀门，当压力变大时，阀门被顶开，节流孔开度变大，阻尼变小。由于活塞是双向运动的，所以在活塞的两侧都装有板簧阀门，分别叫做压缩阀和伸张阀。
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　　减振器按其结构可分为双筒式和单筒式。双筒式是指减振器有内外两个筒，活塞在内筒中运动，由于活塞杆的进入与抽出，内筒中油的体积随之增大与收缩，因此要通过与外筒进行交换来维持内筒中油的平衡。所以双筒减振器中要有四个阀，即除了上面提到的活塞上的两个节流阀外，还有装在内外筒之间的完成交换作用的流通阀和补偿阀。

　　与双筒式相比，单筒式减振器结构简单，减少了一套阀门系统。它在缸筒的下部装有一个浮动活塞，(所谓浮动即指没有活塞杆控制其运动)，在浮动活塞的下面形成一个密闭的气室，充有高压氮气。上面提到的由于活塞杆进出油液而造成的液面高度变化就通过浮动活塞的浮动来自动适应之。除了上面所述两种减振器外，还有阻力可调式减振器。它可通过外部操作来改变节流孔的大小。最近的汽车将电子控制式减振器作为标准装备，通过传感器检测行驶状态，由计算机计算出最佳阻尼力，使减振器上的阻尼力调整机构自动工作。