底盘结构.docx
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底盘结构.docx
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底盘结构
▲▲〈1〉半轴
半轴也叫驱动桥。
半轴是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴,其内端一般通过花键与半轴齿轮连接,外端与轮毂连接。
现代汽车常用的半轴,根据其支承型式不同,有全浮式和半浮式两种。
全浮式半轴只传递转矩,不承受任何反力和弯矩,因而广泛应用于各类汽车上。
全浮式半轴易于拆装,只需拧下半轴突缘上的螺栓即可抽出半轴,而车轮与桥壳照样能支持汽车,从而给汽车维护带来方便。
半浮式半轴既传递扭矩又承受全部反力和弯矩。
它的支承结构简单、成本低,因而被广泛用于反力弯矩较小的各类轿车上。
但这种半轴支承拆取麻烦,且汽车行驶中若半轴折断则易造成车轮飞脱的危险。
▲▲〈2〉差速器
要解释差速器原理,我们首先引用XX百科中的解释:
“……汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧,如果汽车向左转弯,圆弧的中心点在左侧,在相同的时间里,右侧轮子走的弧线比左侧轮子长,为了平衡这个差异,就要左边轮子慢一点,右边轮子快一点,用不同的转速来弥补距离的差异。
”
“……普通差速器由行星齿轮、行星轮架(差速器壳)、半轴齿轮等零件组成。
发动机的动力经传动轴进入差速器,直接驱动行星轮架,再由行星轮带动左、右两条半轴,分别驱动左、右车轮。
差速器的设计要求满足:
(左半轴转速)+(右半轴转速)=2(行星轮架转速)。
当汽车直行时,左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态,而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏,导致内侧轮转速减小,外侧轮转速增加。
……”
“这种调整是自动的,这里涉及到‘最小能耗原理’,也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。
例如把一粒豆子放进一个碗内,豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁,因为碗底是能量最低的位置(位能),它自动选择静止(动能最小)而不会不断运动。
同样的道理,车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态,自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。
当转弯时,由于外侧轮有滑拖的现象,内侧轮有滑转的现象,两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力,由于‘最小能耗原理’,必然导致两边车轮的转速不同,从而破坏了三者的平衡关系,并通过半轴反映到半轴齿轮上,迫使行星齿轮产生自转,使外侧半轴转速加快,内侧半轴转速减慢,从而实现两边车轮转速的差异。
”
如果你对上面的长篇大论不感兴趣,直接看下面这个视频吧:
为什么要装差速器?
首先要说的是差速器这个装置装在哪里,它的位置应该处于传动轴与左右半轴的交汇点,从变速箱输出的动力在这里被分配到左右两个半轴。
至于为什么要装差速器这个问题就不需多做解释了,XX百科里写得非常清楚。
我们都知道汽车在直线行驶时左右两个驱动轮的转速是相同的,但在转弯过时两边车轮行驶的距离不是等长的,因此车轮的转速肯定也会不同。
差速器的作用就在于允许左右两边的驱动轮以不同的转速运行。
差速器的构造:
其实说白了,整个差速器系统的核心是四个齿轮:
两个行星齿轮和两个与传动轴相连的半轴齿轮。
这四个齿轮都在差速器壳内,这个壳体连接着传动轴(图中①),本身也要转动,在行驶时它的转动方向与车轮转动方向相同。
我们可以用一个球体来解释差速器问题!
我们假设这个球体和地球一样有两个极点,并且以两极的连线为轴进行自传,这个球体可以理解为差速器壳体,这个壳体的两极连接的就是汽车的左右半轴。
这里安装着两个半轴齿轮,两齿轮中心的连线就是差速器壳体转动的轴线(图中②、④)。
除了两个半轴齿轮外还有两个行星齿轮(图中③)。
理解两个行星齿轮的状态是理解差速原理的关键。
还拿刚才所说的球体来举例,两个齿轮是对向安装并且与半轴齿轮垂直,相当于6点钟和12点钟位置。
这两个齿轮经常要朝相反方向转动,从而实现差速作用。
壳体在自传过程中会带着两个齿轮做公转。
这四个齿轮虽然安装在壳体内部但都是可以独立于差速器壳体转动的,只不过它们相互咬合在一起,每个齿轮的两边都咬合着另外两个齿轮(每个半轴齿轮都咬合着两个行星齿轮,每个行星齿轮都咬合着两个半轴齿轮),只要其中一个齿轮转动都会牵扯到其他三个齿轮一起转动,而且其中一个齿轮朝某个方向转动,与它相对的另一边齿轮必定朝反方向转动!
这个现象可以通过实验来证实:
如果把一辆车的两个驱动轮都悬空,转动一边的车轮,另一侧车轮会朝相反方向转动。
差速器的运作原理:
『车辆直行时差速器状态』
直线行驶时的特点是左右两边驱动轮的阻力大致相同。
从发动机输出的动力首先传递到差速器壳体上使差速器壳体开始转动。
接下来要把动力从壳体传递到左右半轴上,我们可以理解为两边的半轴齿轮互相在“较劲”,由于两边车轮阻力相同,因此二者谁也掰不过对方,因此差速器壳体内的行星齿轮跟着壳体公转同时不会产生自转,两个行星齿轮咬合着两个半轴齿轮以相同的速度转动,这样汽车就可以直线行驶了!
『一侧车轮遇到阻力』
假设车辆现在向左转,左侧驱动轮行驶的距离短,相对来说会产生更大的阻力。
差速器壳体通过齿轮和输出轴相连,在传动轴转速不变情况下差速器壳体的转速也不变,因此左侧半轴齿轮会比差速器壳体转得慢,这就相当于行星齿轮带动左侧半轴会更费力,这时行星齿轮就会产生自传,把更多的扭矩传递到右侧半轴齿轮上,由于行星齿轮的公转外加自身的自传,导致右侧半轴齿轮会在差速器壳体转速的基础上增速,这样以来右车轮就比左车轮转得快,从而使车辆实现顺滑的转弯。
差速器对越野性能的影响:
由于差速器允许车轮以不同转速转动,所以在泥泞等路面,当一个车轮打滑时,动力全部消耗在飞快转动的打滑车轮上了,其他车轮会失去动力。
通俗的话说,差速器是让车辆转弯时候内外轮有轮速差用的,否则车辆转弯就会困难,但是差速器在越野道路上就是帮倒忙的。
因此,在四驱车上,还需配有限制和防止打滑的装置,如差速锁、限滑差速器、牵引力控制系统等。
▲▲〈3〉传动轴
传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成。
伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。
万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化,并实现两轴的等角速传动。
万向节是汽车传动轴上的关键部件。
在前置发动机后轮驱动的车辆上,万向节传动轴安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间;而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴,万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。
汽车是一个运动的物体。
在后驱动汽车上,发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上,而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接,两者之间有一个距离,需要进行连接。
汽车运行中路面不平产生跳动,负荷变化或者两个总成安装位置差异,都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化,因此要用一个“以变应变”的装置来解决这一个问题,因此就有了万向节。
▲▲〈4〉副车架
汽车的底盘性能无外乎舒适性、操控性两大主题,而这两大功能又是一对相互制约的矛盾。
传统悬挂系统通常只能偏向一方调校。
也就是说注重操控性的悬挂系统势必会损失一些舒适性能,而注重舒适性的悬挂势必也会影响一些操控性能。
所以在悬挂系统的设计和匹配上设计师们都尽可能的用一些复杂结构来实现舒适性和操控性的平衡。
而一些对舒适性和操控性影响较大的装备和设计也应运而生。
副车架就是一个典型的代表。
追溯副车架的发展历史,我们不难发现。
与其他任何复杂技术一样,副车架最早也是从D级豪华车的标准配备,发展到如今A级家用车上也能找到的装备。
那么副车架到底是什么东西?
它的装配与否对汽车的底盘性能到底有哪样的影响呢?
简单的说,副车架可以看成是前后车桥的骨架。
是前后车桥的组成部分。
我们知道,传统的没有副车架的承载式车身,其悬挂是直接与车身钢板相连的。
因此前后车桥的悬挂摇臂机构都为散件,并非总成。
在副车架诞生以后,前后悬挂可以先组装在副车架上,构成一个车桥总成,然后再将这个总成一同安装到车身上。
对于平台化的今天,这样的设计当然是大有好处的。
复杂的悬挂系统由散件变成了总成。
同样的悬挂总成可以安装在不同的车身上。
也就是说,如今的悬挂设计已经不像过去,需要针对车身来开发与其匹配的悬挂,而是可以直接装上总成,只需稍作调校就能实现良好匹配。
这种总成式的车桥能够很好的降低成本,提高技术利用率。
当然,这种带副车架的悬挂总成,除了在设计,安装上能带来各种方便和优越性以外,最重要的还是其舒适性和悬挂刚度的提高。
我们知道,汽车发动机并非直接与车身刚性连接。
而是通过悬置与车身连接。
悬置就是我们经常能看到的,发动机与车身连接处的橡胶软垫。
随着技术的发展,悬置的种类也越来越多,高档车多采用液压悬置。
悬置的作用是用来隔绝发动机震动。
也就是说在悬置的作用下,发动机震动能够尽可能少的被传至驾驶舱。
由于发动机在各个转速范围段都有不同的震动特性,所以好的悬置机构能够有效屏蔽各个转速范围段的震动。
这就是为什么我们在开一些匹配较好的高档车时,无论发动机处于2000转还是处于5000转,在驾驶时都感觉不到太多发动机震动的原因。
副车架与车身的连接点就如同发动机悬置一样。
通常一个车桥总成需要由四个悬置点与车身连接,这样既能保证其连接刚度,又能有很好的震动隔绝效果。
这种带有副车架的悬挂总能分5级减小震动的传入。
第一级震动由轮胎台面的软橡胶变形来吸收,这一级变形能吸收大量的高频震动,第二级为轮胎的整体变形吸收震动,这一级主要吸收比第一级稍高的路面震动,比如石子之类引起的震动。
第三级为悬挂摇臂各个连接点内的橡胶衬套进行震动的隔绝,这一环节主要是减小悬挂系统的总成冲击。
第四级为悬挂系统的上下运动,这一运动主要吸收长波震动,也就是过沟过槛时引起的震动。
第5级为副车架悬置对震动的吸收,这里主要吸收的是前4级没有完全屏蔽的震动。
所以对于副车架来说,在性能上主要目的是减小路面震动的传入,以及提高悬挂系统的连接刚度,因此装有副车架的车驾驶起来会感觉底盘非常扎实,非常紧凑。
而副车架悬置软硬度的设定也面临着像悬挂调校一样的一个不可规避的矛盾。
副车架悬置如果设计较软,那么能够很好的隔绝汽车行驶时产生的震动,但是过软的副车架悬置设计会在高速转弯时带来较大的运动形变,这样会导致轮胎定位的不准确,从而降低了汽车的操纵稳定性。
较硬的副车架悬置,能够带来很高的连接刚度,但是对震动噪音的隔绝却十分有限。
所以工程师们在设计和匹配副车架时通常会针对车型的定位和用途选择合适刚度的橡胶衬垫。
▲▲〈5〉簧下质量
●簧下质量的定义
簧下质量其实是一个相对簧上质量而言的概念,对于一辆车,我们可以将其分成簧下质量和簧上质量两个部分。
如果给簧下质量下个定义,它是指不由悬挂系统中的弹性元件所支撑的质量,一般包括有车轮、弹簧、减震器以及其它相关部件等,而簧上质量自然就是车辆剩余部分的质量,一般包括车架、动力系统、传动装置、乘员等。
●簧下质量的界定
对于簧下质量的界定其实并不是一件容易的事情,严格意义上来说,相对车身运动或者说随着车轮跳动的部件都应归为簧下质量。
像与车身完全没有接触的车轮自然好理解,但是像弹簧、减震器、独立悬挂系统中的连杆、非独立悬挂系统中的扭力梁以及四驱车型中的传动轴,它们的特点都是一端与车身相连或者通过副车架间接的与车身相连接,而另一端则随着车轮上下跳动。
这在实际的计算中,一般可以取这些部件质量的二分之一作为簧下质量。
●簧下质量的意义
在车辆动态行驶理论中,有一个簧上质量与簧下质量之比的数据。
对于一辆车来说,我们在不考虑其悬挂设定的因素下,单纯从簧上质量与簧下质量之比的角度出发,这个比值越大,也就意味着该车拥有更好的乘坐舒适性,而更小的簧下质量同时意味着悬挂系统拥有更好的动态响应能力以及车辆的操控性,接下来我们分别从这两方面来进行解读。
--对乘坐舒适性的影响
车辆在路面行驶时,悬挂系统会不断接受来自路面的冲击,乘员在车内最理想的舒适状态,则是车体始终相对路面保持静止,车轮随着路面情况不断起伏,不过想通过机械的结构做到这一点几乎是不可能的,但是通过增大簧上与簧下质量之比,车辆可以更接近这种行驶状态。
如果车体(簧上质量)在车的整备质量中占有较大的比重,那么这个较大的质量自然会增加车轮对地面的压力,使车轮紧密的贴合路面。
当车轮遇到来自路面的凸起或凹陷时,如果簧下质量较大,那么它自然也会有更大的运动惯性,在随着路面起伏时也需要相对更长的时间。
如果在车速一定的情况下,还来不及改变运动轨迹的悬挂系统会将这种路面的起伏直接传递给车身,而悬挂系统并没有完成自身应该过滤震动、吸收冲击的工作。
车速越快,对车身造成的冲击也就越明显,这也就很好的解释了当遇到一个较大的障碍物时,慢速通行和快速通行对乘坐舒适性所产生的不同影响,较低速度通过是给悬挂系统留有更多的起伏运动时间以减小对乘员舒适性的影响。
同时,更小的簧下质量必然会使悬挂系统拥有更好的动态响应,以达到车身平稳,而车轮快速的随路面起伏来缓和冲击的状态。
对于采用独立悬挂系统的车辆而言,单纯从簧下质量的角度分析,其在先天机构上相比采用扭力梁结构的车型拥有更好的响应,当然弹簧以及减震器的调教与设定同样对车辆的舒适性有着不可忽视的作用。
在实际驾驶中,人们通常会感觉到一辆满载的车辆会比空载时拥有更好的行驶平稳性,这种在其它参数不变,只增加簧上质量或者说减小簧下质量所占比重的情况确实可以使车辆更加舒适。
对于现在的汽车而言,车身轻量化是一个趋势,车身重量的减轻,也应该伴随着簧下质量的减小,但是降低簧下质量相比减小车身重量要困难得多,在保证合理的几何悬挂设置和强度的要求下,通过使用更轻的材质来减小簧下质量不失为一记良策。
对于中大型车或者豪华型车而言,由于车身安装有众多电子设备,同时较大的车架,再加上发动机、传动系统等,通常会导致其整备质量较大。
然而复杂的悬挂结构也导致其相比普通车辆有着更大的簧下质量。
为了获得更好的乘坐舒适性,对于一些部件采用铝合金材质可以有效减小簧下质量在整车重量中的比重。
--对车辆加速性和操控性的影响
对于喜爱改装的朋友而言,轮圈往往是他们最先改造的项目,换一个造型更炫、直径更大的轮圈,同时通过搭配低扁平比的轮胎可以带来不错的视觉效果,但是很多人却忽视了改造背后所带来的簧下质量的增加。
发动机的扭矩通过半轴带动车轮旋转,更重的轮圈意味着更大的转动惯量,车辆的动力如果不进行相匹配的提升,在驱动拥有更大转动惯量的车轮时必然会导致车辆加速性能的下降。
悬挂系统的改造还包括升级刹车系统,比如换用大尺寸的刹车盘,由单活塞升级为多活塞式卡钳,如果在升级改造时没有考虑到使用轻量化的套件,那么无意中都会增加簧下质量,而影响车辆的性能。
更轻的簧下质量其实就相当于百米运动员穿着一双超轻的跑鞋,更小的运动惯量带来的是更好的加速性能。
『兰博基尼LP700的前悬挂结构』
对于一套理想化的悬挂系统,在保证其拥有出色的几个悬挂结构的条件下,尽量降低簧下质量可以减小该质量对悬挂性能的影响。
这也为弹簧、减震器、防倾杆等部件的设定与调校留下了更多的可操作空间。
『普遍应用于方程式赛车的推杆式水平悬挂结构』
可以看到兰博基尼LP700的悬挂系统采用了F1赛车的推杆式水平悬挂系统,每个车轮只依靠一根推杆匹配较硬的弹簧设定来支撑车身重量。
这种设计的巧妙在于将原本属于簧下质量的弹簧和减震器划归到簧上质量的范畴里,减轻的簧下质量为车辆提供了更广阔的调教空间,使车辆拥有更好的操控性。
『轮毂电机』
目前有一种采用轮毂电机驱动车辆的新能源汽车,它将动力系统置于轮毂的位置上,这样大大增加了车辆的簧下质量。
由于没有体验过该类车型,所以具体的乘坐表现还无法判断,或许厂商会通过对悬挂系统其它部件的调教来弥补这种先天结构上的劣势。
有关轮毂电机技术的详细信息,请点击《未来电驱动主力轮毂电机驱动技术解析》。
全文总结:
当我们单纯的从簧下质量的角度去分析其对车辆动态行驶特性所产生的影响时,会发现减小簧下质量不论对于讲求舒适平稳的豪华轿车,还是讲求运动与极限操控的超级跑车而言都具有不可忽视的作用。
对于热衷改装的朋友而言,对涉及到簧下质量部件的改造和升级同样需要考虑质量的改变所带来动力性能的变化。
应该说车辆的底盘是一套极其复杂但又关乎车辆基本行驶性能的系统,对于其中任意部件的调整,都会使车辆表现出不同的行驶特性。
而簧下质量只是复杂的底盘系统中的一方面,在减小簧下质量的同时只有与其它相关部件进行更好的匹配和调教,才能打造出一幅适合自身车型特点的底盘系统。
▲▲〈6〉万向节
▲▲〈7〉主减速器
主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件。
对发动机纵置的汽车来说,主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向。
汽车正常行驶时,发动机的转速通常在2000至3000r/min左右,如果将这么高的转速只靠变速箱来降低下来,那么变速箱内齿轮的传动比则需很大,而齿轮的传动比越大,两齿轮的半径比也越大,换句话说,也就是变速箱的尺寸会越大。
另外,转速下降,而扭矩必然增加,也就加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷。
所以,在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器,可使主减速器前面的传动部件如变速箱、分动器、万向传动装置等传递的扭矩减小,也可以使变速箱的尺寸、质量减小,操纵省力。
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