行驶系(一)

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底盘结构悬架车桥工程力学

行驶系(一)

看懂车轮、车桥、悬架、车架如何协作,握稳平顺性与操控性的底层逻辑

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底盘结构悬架车桥工程力学

行驶系(一)

看懂车轮、车桥、悬架、车架如何协作,握稳平顺性与操控性的底层逻辑

1第 1 页 · 行驶系(一)

行驶系的功能与组成

你走路跑步时,下肢负责把身体和地面连起来——骨头承重、膝盖缓冲、脚底接触地面。汽车的行驶系,做的就是这件事:把车身和路面接在一起。

承受载荷
把车身重量与载货重量从车架传到车轮
传递纵向力和侧向力
把驱动力、制动力、转向时的侧向力传到地面
缓冲减振
靠悬架吸收路面冲击,让乘员不颠
保证平顺与稳定
在各种路面下都能按驾驶意图走直线或转弯
人的下肢(骨+膝+脚)对应 →汽车行驶系

骨头=车架车桥(承重)、膝关节=悬架(缓冲)、脚=车轮(接触地面)

2第 2 页 · 行驶系的功能与组成

车架的定义与作用

上页说行驶系要承受路面传来的各种力——但这些力总得有个'接收者'。所有动静载荷的最终汇集点,就是车架。

结构基准
整车所有部件的安装与定位基准,决定整车尺寸与刚度特性
承受载荷
承受路面、悬架、动力系传入的所有动静载荷,是最基础的任务
传递路径
把纵向、侧向、垂向的力在车身、悬架、动力、转向之间可靠分配
车架≠车身
现代乘用车多为承载式车身,传统独立大梁已融入车身结构件本身
建筑的梁柱体系对应 →车架

梁柱承受各层楼板与外挂物的载荷并传给地基,车架承受各总成载荷并传给路面

3第 3 页 · 车架的定义与作用

车架的类型

车架从'鱼骨'长成'笼子'再到'复合骨架',每一步都在解上一代硬伤。

1
脊梁式
中央一根纵梁贯穿车体,像鱼脊骨,全车重量经它传到车轮
2
周边式
纵梁挪到车厢两侧形成封闭框架,腾出中央地板给乘员
3
中梁式
中央主梁承力,前后扩展出支梁连到车头车尾,刚度空间兼顾
4第 4 页 · 车架的类型

脊梁式 vs 周边式车架

两根'脊梁骨'看着像,实则一纵一周,刚度方向和空间利用率截然相反——选错就丢刚度或丢空间。

脊梁式车架
  • 结构:中央一根纵梁贯穿前后
  • 刚度:纵向强,横向弱、易扭
  • 空间:占中通道,座舱不敞开
  • 重量:轻,零件少、制造成本低
周边式车架
  • 结构:管件围成封闭环框包住座舱
  • 刚度:扭转刚度高、各向均匀
  • 空间:座舱全敞开、便于开门开窗
  • 重量:管件多、略重、焊接工艺复杂
要轻量低成本选脊梁式(摩托、Elise);要扭转刚度+座舱空间选周边式(赛车、改装车)。
5第 5 页 · 脊梁式 vs 周边式车架

承载式车身的定义

前面讲的脊梁式、周边式都是独立的钢骨架,再把车身挂上去。但现代乘用车几乎看不到独立骨架了——车身本身就是受力结构,这到底怎么做到的?

无独立车架
取消单独的车架,发动机、悬架、转向等总成都直接装在车身上
车身整体受力
地板、A/B/C 立柱、门槛、顶盖横梁、前后纵梁通过点焊连成一个空间壳体
承受所有载荷
静载荷、行驶中的动载荷、转向与制动产生的惯性力、碰撞冲击——全部由车身壳体承担
鸡蛋壳对应 →承载式车身的薄壳结构

壳很薄但靠曲面把集中力分散到整个壳面,没有内部骨架也能扛住大力

6第 6 页 · 承载式车身的定义

承载式车身结构

整车框架如鸟笼:地板纵横梁在底,立柱撑起顶部,两者交汇焊接成承载骨架。

图解渲染中…
B1沿车身长度方向的多根梁,承纵向力B2沿车宽方向,连接两侧纵梁C2B柱多在车身中部,前后门之间
7第 7 页 · 承载式车身结构

承载式 vs 车架式车身

为什么值得比——轿车多用承载式,越野车偏爱车架式,但本质差异到底在哪?

承载式车身
  • 没有独立车架,车身本身就是骨架
  • 载荷由车身各部分(梁、柱、板)共同承担
  • 整车重量较轻,燃油经济性更好
  • 主要用于轿车、城市SUV
车架式车身
  • 有独立的梯形车架,车身安装在车架上
  • 载荷主要由车架承担,车身相对被动
  • 整车重量较大,结构笨重
  • 主要用于货车、硬派越野车
追求轻量、舒适、公路性能选承载式;追求承载能力、越野耐久性、改装潜力选车架式。
8第 8 页 · 承载式 vs 车架式车身

车桥的功能

前几页我们聊了车架——汽车的'骨架'。骨架要把车撑起来,必须有部件把地面的力'接进来'再传上去。这个'接进来'的角色,就是今天的主角——车桥。

垂直承载
承受车身与载荷的垂向重力,并把重量传给车轮
纵向传力
传递驱动力矩和制动力矩;驱动桥还承接传动系扭矩
横向传力
承受汽车转弯时的侧向力,防止车身被甩出
力的中转站
三个方向的反作用力都在车桥汇合,再统一传给车架
人体髋关节+骨盆对应 →汽车车桥

脚踩地的力经腿→髋→脊柱→躯干;车桥正是车轮与车架之间的'中转关节'

9第 9 页 · 车桥的功能

断开式车桥

从中央向两侧读:壳体刚性吊在车架上,两侧用万向节把动力递给独立跳动的车轮。

图解渲染中…
a2中央壳体:螺栓刚性吊装在车架上,不随车轮跳动a6左/右万向节:允许半轴角度变化,是「断开」二字的结构基础a8车轮:因万向节存在,可独立上下跳动
10第 10 页 · 断开式车桥

整体式车桥

从左到右读:动力经半轴传入刚性梁再传出到两侧车轮;弹簧座把梁壳吊装在车身上。

图解渲染中…
a3整体铸/焊的刚性梁,两侧车轮被强制同步运动a6悬架在此处把桥壳弹性吊在车架下方
11第 11 页 · 整体式车桥

车轮的作用与组成

上页讲完车桥传扭矩、悬挂定车身。扭矩到了车轮这一步怎么落到地面?整车重量怎么稳稳压住、转向时又不甩?这就是车轮的四个作用。

支承
通过轮胎接地面积承载整车垂直载荷,每轮约承担车重的 1/4
减振
轮胎橡胶与轮辋形变共同吸收路面冲击,与悬挂协同工作
导向
前轮按转向机指令偏转,决定车辆行驶方向
动力传递
通过轮胎与地面摩擦,把车桥扭矩转为驱动力或制动力
人的脚对应 →车轮四个作用

踝=轮毂、骨=轮辐+轮辋、鞋=轮胎;承重、缓冲、变向、蹬地一一对应

12第 12 页 · 车轮的作用与组成

轮胎的结构

胎面、胎侧、帘布层、钢丝圈

轮胎的结构
胎面、胎侧、帘布层、钢丝圈
13第 13 页 · 轮胎的结构

轮胎的分类

轮胎从斜交、子午线到 RunFlat,每一次升级都在补前一代的短板。

1
斜交轮胎
胎体帘线斜向交叉叠放,结构简单成本低,但高速易升温、侧向稳定差
2
子午线轮胎
帘线径向排列+钢丝带束层,抓地强、寿命长、滚阻小,目前主流
3
RunFlat 胎
加强胎壁,零气压下也能行驶数十公里,应对突发爆胎场景
14第 14 页 · 轮胎的分类

轮辋的类型

上一页我们认识了轮胎的结构与分类。但轮胎要稳稳装到车上,还得靠一个「基座」——轮辋。不同类型的轮辋,决定了它能装什么规格的胎、拆装是否方便。

深槽轮辋(DC)
中间凹槽最深,乘用车与轻卡最常见的形式
平底轮辋(FB)
底面平整无凹槽,宽度大,便于拆装与承载宽胎
可拆式轮辋
分多瓣用螺栓拼装,适配超大尺寸工程胎与越野胎
安全凸峰
深槽一侧的环形凸起,防止转弯低气压时胎圈脱出
相框装画对应 →轮辋装胎

深槽凹框装薄画易嵌入,平底框装宽画稳妥,可拆框拼起来能装超大画

15第 15 页 · 轮辋的类型

轮胎规格识别

215/60 R16的数值含义

轮胎规格识别
215/60 R16的数值含义
16第 16 页 · 轮胎规格识别

车轮定位的定义

上一页我们看清了轮胎本身的结构与规格,但轮胎装上车之后,它相对车身、相对地面的「站姿」才是决定车辆直不直、稳不稳的关键。这就是四轮定位要管的事。

主销后倾 Castor
转向轴向后倾斜,让车轮有自动回正的趋势
主销内倾 KPI
转向轴向内侧倾斜,减小转向力并帮助回正
车轮外倾 Camber
车轮相对垂直面的倾斜,影响胎面磨损均衡
车轮前束 Toe
从正上方看车轮向前收束或外张的程度
人穿鞋走路对应 →车轮定位四参数

鞋=轮胎,脚的站姿与脚趾朝向=四参数,一起决定走得稳不稳、直不直

17第 17 页 · 车轮定位的定义

主销后倾角

沿箭头读:后倾角如何一步步'生成'回正力矩,最终让车轮自动回正。

图解渲染中…
A1转向轴上端向后倾斜的角度,常见3°~10°A3主销轴线与地面交点,到轮胎接地点的纵向距离
18第 18 页 · 主销后倾角

主销内倾角

从主销内倾角的几何倾斜开始,看它如何通过'抬起车轮→车身重力下压→回正力矩',最终实现自动回正与转向轻便。

图解渲染中…
a1主销向车身内侧倾斜的角度βb2车身重量向下施压,是力矩来源c1由两侧不等力臂产生的扭矩
19第 19 页 · 主销内倾角

前轮外倾角

防止轮毂外端磨损的作用

前轮外倾角
防止轮毂外端磨损的作用
20第 20 页 · 前轮外倾角

前轮前束

从外倾角的副作用出发,看前束如何反向补偿,让车轮保持直行。

图解渲染中…
B外倾轮类似圆锥,着地时有向外绕圈的倾向G前束与外倾方向相反,效应相互抵消
21第 21 页 · 前轮前束

定位参数检测与调整

上一页我们认识了四个定位参数的定义和作用,但你车现在的角度正不正,老师傅能光凭眼睛看出来吗?不行,得靠专用仪器——四轮定位仪上场了。

四轮定位仪
通过传感器/激光测量四个车轮所有定位参数的专用设备,3D 影像式最常见
检测前准备
车辆水平、空载、轮胎气压正常、悬挂自由,传感器装到四个轮毂上
测量与读取
推动车辆滚动+转向补偿误差,屏幕直接显示各参数实测值与标准值偏差
调整方法与顺序
外倾调上摆臂,主销后倾调减震器,前束调横拉杆;先主销→外倾→前束逐项逼近
去医院体检调身体对应 →四轮定位检测与调整

仪器=体检设备,测量=血压心电图,调部件=医生对症开药方

22第 22 页 · 定位参数检测与调整

悬架的功能

上一页我们讲了车轮定位——但车轮其实不是硬焊在车身上的。试想:你跑步时脚和腿之间有关节,地面再颠你也能稳稳落地。车轮和车身之间也有这样一套「缓冲关节」,就是悬架。

承载
把车身重量和载荷传给车轮,撑住整车不下塌
减振
吸收路面不平造成的冲击与振动,让车内不颠
导向
约束车轮相对车身的运动轨迹,让转向、制动时车轮按预期运动
人跑步时的鞋垫和膝关节对应 →悬架的三大功能

鞋垫缓冲地面冲击像减振;腿骨撑住体重像承载;膝关节引导步伐方向像导向

23第 23 页 · 悬架的功能

悬架的组成

从悬架总称向下展开:三大核心部件各司其职,再看每类的常见形式。

图解渲染中…
a弹性元件:承受冲击并储能,决定悬架软硬b减振器:把振动能量转化为热能耗散掉c导向机构:传递各向力,保证车轮定位准确
24第 24 页 · 悬架的组成

独立 vs 非独立悬架

悬架结构不同,运动表现天差地别——舒适与操控都受影响。

独立悬架
  • 两侧车轮各自连车架,互不干扰
  • 一侧跳动,另一侧几乎不受影响
  • 冲击隔离在单侧,舒适性更好
  • 多用于轿车四轮或前悬架
非独立悬架
  • 整体车桥串起左右车轮
  • 一侧跳动会带动另一侧
  • 冲击易传到对侧,舒适性一般
  • 多用于货车或轿车后桥
追求舒适与操控选独立;看重载重与成本可选非独立。
25第 25 页 · 独立 vs 非独立悬架

钢板弹簧

上一页我们讲了非独立悬架,最常见的弹性元件就是钢板弹簧——卡车后桥几乎都能看到它的身影。

多片叠加结构
由若干片弧形合金钢板叠合而成,最长最厚的一片称主片,承担主要弯矩
长度递减规律
从主片到末片长度依次缩短、厚度递减,受力时各片同步弯曲共同储能
中心螺栓对中
贯穿所有叶片中央,保证装配对中,并借助紧固产生片间预压应力
U 形螺栓固定
将整组钢板弹簧压紧在车桥上,是车桥载荷传递给叶片的关键连接件
片间摩擦阻尼
叶片间允许微量滑移产生摩擦,兼具减振功能,但也是舒适性下降的根源
扇子展开的扇骨对应 →钢板弹簧的多片结构

根部对齐(中心螺栓定位)、末端长短递减,受力时各扇骨同步弯曲

26第 26 页 · 钢板弹簧

螺旋弹簧

上一页的钢板弹簧靠一摞钢片弯曲变形储能。可不可以只保留一根钢条,卷成更紧凑的螺旋——这就是螺旋弹簧。

结构
一根钢丝绕成圆柱螺旋,轴向承受载荷
本质是扭转
轴向力让每段钢丝发生扭转,靠扭转刚度储能
弹簧刚度
F=k·x;k 由线径 d、圈径 D、圈数 n、切变模量 G 决定
变节距弹簧
节距从密到疏,压缩越深接触圈越多、刚度越大
发条/钟表弹簧对应 →螺旋弹簧扭转储能

上发条就是扭紧钢丝;松开发条,能量驱动齿轮

k=Gd48D3nk = \dfrac{G \cdot d^4}{8 \cdot D^3 \cdot n}
27第 27 页 · 螺旋弹簧

扭杆弹簧

钢板弹簧用一摞钢片弯曲储能,螺旋弹簧用螺旋线圈压缩储能。那如果既不弯也不压呢?能不能让一根直杆「扭一扭」就弹回来?这就是扭杆弹簧的思路。

结构与连接
一端固定在车架,另一端通过控制臂与车轮相连,杆身只承受扭矩
变形方式
车轮跳动→控制臂摆动→扭杆被扭转,杆身不弯也不压
弹性来源
钢杆扭转时内部产生剪切形变,松开后靠剪切应变恢复原位
突出优势
横向布置占空间小;旋转控制臂改变预紧角即可调节车高
拧湿毛巾对应 →扭杆弹簧扭转储能

反向拧毛巾时纤维被扭转储存能量,松手就回弹——扭杆是同一原理的金属实现

K=GIpL, Ip=πd432K = \dfrac{G \cdot I_p}{L},\ I_p = \dfrac{\pi d^4}{32}
28第 28 页 · 扭杆弹簧

气体弹簧

上一页讲过螺旋弹簧、扭杆弹簧——它们的刚度出厂就定死。但轿车每天面对空车、满载两种极端工况,一根固定刚度的弹簧怎么做到两种工况都舒服?这就需要刚度可调的气体弹簧。

两大类型
空气弹簧(纯气体)与油气弹簧(气腔+油腔组合),后者工程上更主流
刚度可调
改变气体初始压力,刚度随之连续变化,一套弹簧覆盖空车到满载
非线性刚度
压缩越深气体越密,刚度越大——小颠簸柔和、大冲击变硬
工程应用
中高端轿车主动悬架主力,兼顾舒适性与操控稳定性
自行车打气筒对应 →气体弹簧的非线性刚度

活塞下压越深越费力,正是气体被压缩后刚度上升的真实体验

k=γP0A2V0k = \dfrac{\gamma \, P_0 \, A^2}{V_0}
29第 29 页 · 气体弹簧

减振器的工作原理

弹簧把冲击存起来却不会停手——你推一下秋千,没人接手它能荡很久。减振器就是来「消停」它的,而它的脾气跟弹簧完全相反:弹簧看压了多少,它看压得多快。

任务:消能
把弹簧来回释放的机械能转成热能耗散掉,让振动在几次循环内停住
看速度不看位移
弹簧管压了多少(位移),减振器管压得多快(速度),两者刚好相反
F = c·v
阻尼力正比于活塞相对缸筒的速度;速度越大,阻力越大
频率选择性
高频颠簸被强力抑制,低速动作(刹车点头、转向侧倾)几乎不受影响
堵住针孔推注射器对应 →减振器活塞挤油

慢慢推轻松,猛一推立刻感到阻力——油只能从小孔挤走,流得越急越费力

Fd=cvF_d = c \cdot v
30第 30 页 · 减振器的工作原理

筒式减振器结构

从中心向外辐射:筒式减振器由工作缸、活塞、底阀、贮液缸四大总成构成,活塞与底阀上各焊有两个单向阀。

图解渲染中…
伸张阀活塞上行(拉伸行程)时打开,油从下腔→上腔压缩阀活塞下行(压缩行程)时打开,油从上腔→下腔流通阀压缩行程时多余油液经此推入贮液缸补偿阀伸张行程时贮液缸油液经此补充回工作缸
31第 31 页 · 筒式减振器结构

减振器类型

上页我们看了筒式减振器的基本结构:活塞、油液、阀系。但「筒」本身可以做成不同形态——单筒、双筒,再加上现代CDC可变阻尼——这就是三种主流类型。

单筒减振器
浮动活塞隔开油腔与气腔,活塞→油→浮塞→气依次传压;行程长、抗气穴,但长度大
双筒减振器
内外双筒结构,内筒活塞只压工作油,被挤油经底阀流入外筒储油腔;便宜但易气穴
CDC可变阻尼
加电磁旁通阀,ECU按车速/转向/加速度信号连续调节油液通流截面,实现阻尼无级可变
不同结构的杯子对应 →三种减振器

单筒=带气塞的密封杯(油+气一体),双筒=双层保温杯(内外分工),CDC=智能控温水杯

32第 32 页 · 减振器类型

导向机构的类型

从中心向外读:先看四大类型分支,再点开看每类下的关键部件(摆臂/连杆)。

图解渲染中…
a1导向机构总根节点,是悬架中传力与定位的核心件b1双横臂式:独立的上下两个摆臂,可调参数最多c1上摆臂:抑制车身侧倾、并决定主销几何c3麦弗逊标志性件:滑柱同时兼做转向主销
33第 33 页 · 导向机构的类型

横向稳定杆原理

前页讲到减振器吃振动、弹簧缓冲冲击。但转弯时车身还会向一侧'歪'——这种侧倾靠谁挡?这就是横向稳定杆的活儿。

本质是一根扭杆弹簧
U 型或直杆钢条,靠自身沿轴线扭转产生弹性反力
只抵抗差速位移
左右悬挂不同步压缩或拉伸时,杆身被强制扭转并产生反力矩
不影响单轮跳动
两侧同步上下时杆只整体摆动,不产生额外阻力
只对付侧倾
对纵向俯仰、垂直冲击都不起作用,是悬架中的专用件
双手握住一根粗铁丝两端对应 →横向稳定杆

两手反向用力'拧'铁丝,扭转抗力就等于侧倾时的抗倾覆力

M=kθ(扭矩=扭转刚度×扭转角)M = k \cdot \theta \quad (\text{扭矩}=\text{扭转刚度}\times\text{扭转角})
34第 34 页 · 横向稳定杆原理

非独立悬架的结构

前页看到独立悬架允许左右轮各自起伏;卡车后桥若把两边轮子用一根刚性桥壳连起来,一侧过坑,另一侧也会被带动。再用纵向、横向推力杆把这根桥固定在车身上。

整体桥
左右轮通过同一根刚性桥壳连接;一侧上下运动,会牵动另一侧。
刚性桥联动
整体桥俯仰时,两侧车轮不能像独立悬架那样各自自由跳动。
纵向推力杆
承受加速、制动产生的纵向力,限制整体桥前后位移。
横向推力杆
承受转弯等侧向力,限制整体桥左右位移,保持桥的横向定位。
结构权衡
连接刚、承载能力强,但非簧载质量较大,冲击与振动更容易相互传递。
两人合抬一根扁担对应 →非独立悬架

中间横梁对应整体桥;一人起伏会带动另一端,导向杆则像固定横梁的拉索。

35第 35 页 · 非独立悬架的结构

纵置钢板弹簧悬架

纵置钢板弹簧「一身兼二职」——既是弹性元件又是导向机构,跟着箭头读图。

图解渲染中…
D钢板弯曲储能,把冲击化为车身缓慢起伏E纵向刚度大、横向不易变形,限制车桥前后窜动C同一根零件同时干两件事——这就是「一体化」
36第 36 页 · 纵置钢板弹簧悬架

扭杆弹簧悬架

上排是装配顺序:车身→扭杆→摆臂→车轮;下排箭头是路面冲击时的力传递路径。

图解渲染中…
B死死卡在纵梁上的不动端D通过花键与摆臂咬合,可调预紧C杆身中段,靠被扭转产生弹力E把车轮上跳转化为扭杆转动
37第 37 页 · 扭杆弹簧悬架

独立 vs 非独立悬架特性

非独立与独立悬架的核心分水岭是「是否刚性相连」,直接决定了舒适与承载的天平倾向。

非独立悬架
  • 整体桥刚性连接,一体跳动
  • 单侧颠簸必传至另一侧
  • 桥壳粗壮,承载能力强
  • 货车后桥、客车桥常用
独立悬架
  • 断开式结构,左右独立跳动
  • 冲击被导向机构隔绝
  • 结构件较细,承载力有限
  • 乘用车前/后桥广泛采用
重载选非独立,舒适选独立。但扭梁式半独立是边界,乘用车后桥为兼顾承载与成本仍大量采用。
38第 38 页 · 独立 vs 非独立悬架特性

行驶系知识框架

  • 车架车身定骨架,车桥车轮管接地,悬架连二者并缓冲
  • 承载式轻但刚性受限,车架式强但偏重——选型看车型定位
  • 四轮定位四参数相互约束,调整时必须联动考虑
  • 弹性元件储能加减振器耗能,悬架减振缺一不可
  • 独立偏舒适操控,非独立偏载重可靠,导向机构决定特性
延伸主题:行驶系(二):转向系统电控悬架与主动悬架车轮动平衡与异常磨损
39第 39 页 · 行驶系知识框架

核心概念自测

检验关键参数的掌握程度

核心概念自测
检验关键参数的掌握程度
40第 40 页 · 核心概念自测

课后思考

带着开放性问题继续探索

课后思考
带着开放性问题继续探索
41第 41 页 · 课后思考