汽车工程系教案
200 /200  学年      第  学期
课程名称：汽车构造（二）  授课教师：
班级：
第 13 讲
题目：  第十章 悬 架
第13讲 减振器和弹性元件
第  周  星期
本讲教学目标：
知识点
·减震器的类型及结构
·气体弹簧的工作原理
·钢板弹簧、螺旋弹簧的结构及特点
能力点
·能分析不同类型的弹性元件和减震器的特点
本讲主要内容：
·减震器的类型及结构
·气体弹簧的工作原理
·钢板弹簧、螺旋弹簧的结构及特点
本讲教学要求及适合专业：
·汽车检测与维修专业（2课时）
·汽车维修与营销专业（2课时）
·汽车制造与维修专业（2课时）
·汽车电子技术专业 （2课时）
·简介·气体弹簧的工作原理
·重点讲解·减震器的类型及结构
·钢板弹簧、螺旋弹簧结构特点
教学重点：·减震器的类型及结构
·钢板弹簧、螺旋弹簧结构特点
教学难点：·减震器的类型及结构
教学方法及手段：导入、重点介绍、简介、对比介绍、归纳小结、多媒体、引用实例
作业或课外阅读资料：
汽车弹簧1．悬架的功用是什么?
2．悬架由哪几部分构成?各部分的功用是什么?
3．简述液力减振器的工作原理。
4．为什么汽车上广泛采用钢板弹簧作为弹性元件?
5．螺旋弹簧有什么优缺点?
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不同专业本章内容比较：
·汽车检测与维修专业（2课时）
简介·气体弹簧的工作原理
重点讲解·减震器的类型及结构
·钢板弹簧、螺旋弹簧结构特点
·汽车制造与维修专业（2课时）
·汽车维修与营销专业（2课时）
·汽车电子技术专业 （2课时）
本讲教学内容：
由复习提问汽车行使系的组成结构导入本讲内容：
·导入：悬架是保证汽车正常、平稳地行使的必要装置。
所有专业要求一致：
重点介绍：
·要求学生理解掌握悬架的结构组成
一、悬架的概说
1、悬架的功用：
·连接车桥和车架；
·传递二者之间的各种作用力和力矩；
·抑制并减小由于路面不平而引起的振动，保持车身和车轮之间正确的运动关系，保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性(缓冲、减振、导向及稳定)
2、悬架的结构组成
·悬架一般由弹性元件、导向装置和减振器等组成
1）弹性元件的作用是承受和传递垂直载荷，缓冲并抑制不平路面所引起的冲击
2）减振器用以加快振动的衰减，使车身和车轮的振动得以控制
3）导向装置是用来传递纵向力、侧向力及其力矩，并保证车轮有正确的运动关系
4）横向稳定器 是一种辅助弹性元 件，以防止车身在 不平路面上行驶或转向时发生过大的 横向倾斜
所有专业要求一致：
引用实例简单介绍：
·要求学生了解悬架的性能指标
3、悬架的性能指标
·车身自然振动频率(亦称振动系统的固有频率)是影响汽车行驶平顺性的悬架重要性能指标之一
·g—重力加速度；f—悬架垂直变形(挠度)；M—悬架簧载质量； c(Mg／f )—悬架刚度：指使车轮中心相对于车架和车 身向上移动的单位距离(即使悬架产生单位垂直压缩变形)所需加于悬架上的垂直载荷。
1)在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度愈小，则自然振动频率愈低。但悬架刚度愈小，在一定载荷下悬架垂直变形就愈大，即车轮上下跳动所需要的空间愈大，如簧载质量大的货车
2)当悬架刚度一定时，簧载质量愈大，则悬架垂直变形愈大，而频率愈低。故空车行驶时的车身自然振动频率要比满载行驶时的高。簧载质量变化范围愈大，则频率变化范围也愈大。
·为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时或变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架刚度随之增加
所有专业要求一致：
重点介绍：
·要求学生理解掌握悬架的类型
4、悬架的分类
·悬架按导向装置的型式(汽车两侧车轮运动的相互关系)可分为两大类：非独立悬架和独立悬架
1）非独立悬架
·车轮安装在一根整体式车桥两端，车桥通过弹性元件与车架相连。当一侧车轮跳动时，要影响另一侧车轮，也叫相关悬架
·非独立悬架的特点：结构简单，成本低，车轮上下跳动时定位参数变化小，在货车和一些大客车上普遍采用，部分轿车后悬架也有采用
2)独立悬架
·独立悬架是每一侧车轮单独通过悬架与车桥相连，每个车轮能独立上下运动而无相互影响。
·车桥是断开式
·独立悬架车轮接地性好，行驶平顺性和操纵稳定性都优于非独立悬架，前轮定位角可以调节，在轿车上得到广泛应用
所有专业要求一致：
简单介绍：
·要求学生了解减振器的功用、类型和对其的要求。
二、减振器
1、减振器的功用
·为加速车架与车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内都装有减振器。
·减振器和弹性元件是并联安装的
2、对减振器的要求
·减振器的阻尼力愈大，振动消除得愈快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求：
1)在悬架压缩行程(车桥与车架相互移近的行程)内，减振器阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击；
2)在悬架伸张行程(车桥与车架相对远离的行程)内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振；
3)当车桥(或车轮)与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷
3、减振器的类型
·悬架广泛采用液力减振器，原理是利用液体流动的阻力来消耗振动的能量
·在压缩和伸张两行程内均能起减振作用的减振器称为双向作用式减振器
·另有一种减振器仅在伸张行程内起作用，称为单向作用式减振器。目前汽车上广泛采用双向作用筒式减振器。
所有专业要求一致：
重点介绍：
·要求学生理解掌握双向作用筒式减震器的结构组成及其工作原理
4、双向作用筒式减振器
·利用图示、多媒体动画来重点讲解双向作用筒式减震器的结构组成及其工作原理
（1）结构：一般具有四个阀 ，即压缩阀、伸张阀、流通阀和补偿阀。
1）流通阀和补偿阀是一般的单向阀，其弹簧很弱，当阀上的油压作用力与弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不通液流；而当油压作用力与弹簧力反向时，只要有很小的油压，阀便能开启。
2）压缩阀和伸张阀是卸载阀，其弹簧较强，预紧力较大，只有当油压增高到一定程度时，阀才能开启：而当油压减低到一定程度时，阀即自行关闭
（2）工作原理
     
1）压缩行程
·车身下降，减振器受压缩，活塞下移，工作缸下腔减小，上腔增大。下腔油压高于上腔，油液压开流通阀进入上腔
·活塞杆占去上腔部分容积，导致下腔油液不能全部流入上腔，多余的油液从压缩阀进入贮油缸筒
·这些阀的流通面积不大，造成一定阻尼力
2）伸张行程
·车身上升，活塞上移，使上腔容积减小，下腔容积增大，上腔油压高于下腔，油液推开伸张阀流入下腔
·由于活塞杆的存在，使下腔产生一定的真空度，贮油筒内的油液在真空吸力的作用下打开补偿阀流入下腔。
·油液流经这些阀时，产生了阻尼力
·伸张阀弹簧刚度和预紧力比压缩阀的大，伸张行程油液的流通面积也比压缩行程小，减振器在伸张行程所产生的最大阻尼力远远大于压缩行程的最大阻尼力
·压缩行程是弹性元件起主要作用；伸张行程是减振器起主要作用
所有专业要求一致：
简单介绍：
·利用与双向作用筒式减震器的结构组成及其工作原理之间的对比分析
·要求学生了解新型减振器（以充气式减振器为例）的结构特点及其工作原理
5、新型减振器（以充气式减振器为例）
1）结构：
·结构特点是在缸筒的下部装有一个浮动活塞，在浮动活塞与缸筒一端形成的密闭气室中，充有高压的氮气。在浮动活塞的上面是减振器油液。
·工作活塞上装有随其运动速度大小而改变通道截面积的压缩阀和伸张阀。此二阀均由一组厚度相同，直径不等，由大到小而排列的弹簧钢片组成。
2）工作原理
·当车轮上下跳动时，减振器的工作活塞在油液中作往复运动。使工作活塞的上腔和下腔之间产生油压差，压力油便推开压缩阀或伸张阀而来回流动。由于阀对压力油产生较大的阻尼力，使振动衰减。
·由于活塞杆的进出而引起的缸筒容积的变化，则由浮动活塞的上下运动来补偿。因此这种减振器不需储液缸筒，所以亦称单筒式减振器。而前述的双向作用筒式减振器又称双筒式减振器。
3）充气式减振器的特点
·由于采用浮动活塞而减少了一套阀门系统，使结构大为减化，零件数约减少15％。
·由于减振器内充有高压气体，能有效地减少车轮受到突然冲击时产生的高频振动，并有助于消除噪声。
·在防尘罩直径相同的情况下，充气式减振器的工作缸和活塞直径比双筒式减振器大，所以在每厘米行程中流经阀的流量较双筒式减振器大几倍，故在同样泄流的不利工作条件下，它比双筒式能更可靠地保证产生足够的阻尼力。
·充气式减振器由于内部具有高压气体和油气被浮动活塞隔开，消除了油的乳化现象。
·缺点是对油封要求高；充气工艺复杂，不能修理；以及当缸筒受到外界物体的冲击而产生变形时，减振器就不能工作。
所有专业要求一致：
重点介绍：钢板弹簧
·要求学生理解掌握钢板弹簧的结构特点。
三、弹性元件
·汽车悬架所用的弹性元件可分为钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧等。
·一般载货汽车的非独立悬架广泛采用钢板弹簧
·大多数轿车的独立悬架应用螺旋弹簧和扭杆弹簧；
·而在重型载货汽车上气体弹簧得到广泛的应用
·橡胶弹簧多用在悬架的副簧和缓冲块。
1、钢板弹簧
·钢板弹簧是汽车悬架中应用量广泛的一种弹性元件。它由若干片长度不等、曲率半径不同、厚度相等或不等的弹簧钢片叠合在一起组成一根近似等强度的弹性梁。
（1）钢板弹簧的结构
1） 钢板弹簧的中部一般由u形螺栓与车桥刚性固定，其两端用钢板弹簧销铰接在车架的支架上。
2）为加强第一片卷耳，常将第二片末端也弯成卷耳，把第一片卷耳包住。弹簧受压变形时为防止它们之间产生相对滑动，在第一片与第二片卷耳之间留有较大的空隙。
3） 在车架加载弹簧变形时，钢板弹簧各片之间产生相对滑动进而产生摩擦，此时钢板弹簧本身具有一定的减振作用。如果钢板弹簧各片之间产生干摩擦时，轮胎所受到的冲击要直接传给车架，并直接使钢板弹簧各片磨损，故安装钢板弹簧时，应在各片之间涂上适量的石墨润滑剂。
（2）钢板弹簧的断面型式
简单介绍：
·要求学生了解钢板弹簧端部的结构型式
·为了进一步改善钢板弹簧的受力状况，可采用不同形状的断面。
1）矩形断面钢板弹簧（图a）结构简单，但受拉应力一面的棱角处易产生疲劳裂纹。
2）（图b、c）采用上下不对称的横断面，由于断面抗弯的中性轴线上移，不但可减小拉应力，而且节省了材料。
（3）钢板弹簧端部的结构型式：钢板弹簧端部有三种结构型式。
1）端部为矩形的钢板，其制造简单，广泛应用在载货汽车上。
2）端部为梯形的钢板，其质量小、节省钢材，较多的用在载货汽车上。
3）端部为椭圆形的钢板，这种结构改善了应力分布状况，片端弹性好，片间摩擦小，重量也较轻，但制造工艺复杂，成本较高，一般在轿车上应用较多
所有专业要求一致：
重点介绍：螺旋弹簧
·要求学生理解掌握螺旋弹簧的结构特点
2、螺旋弹簧
·螺旋弹簧广泛地应用于前独立悬架。螺旋弹簧与钢板弹簧相比滑，不忌泥污，所占纵向空间不大，弹簧质量小等优点。
·螺旋弹簧本身没有减振作用，因此在螺旋弹簧悬架中必须另装减振器。
·此外，螺旋弹簧只能承受垂直载荷，故必须装设导向机构以传递垂直力以外的各种力和力矩。螺旋弹簧常用弹簧钢棒料卷制而成，可做成等螺距或变螺距的，前者刚度不变，后者刚度是可变的。
所有专业要求一致：
简单介绍：扭杆弹簧
·要求学生理解掌握扭杆弹簧的结构特点
3、扭杆弹簧
·扭杆弹簧是一根具有扭转弹性的直线金属杆件。其断面一般为圆形．少数为矩形或管形。它的两端可以做成花键、方形、六角形或带干面的圆柱形等，以便将一端固定在车架上，另一端通过摆臂 固定在车轮上。当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线而摆动使扭杆产生扭转弹性变形，借以保证车轮与车架的弹性联系。有的扭杆由一些矩形断面的薄扭片组合而成，更为柔软。
·扭杆弹簧的特点
1） 扭杆是用铬钒合金弹簧钢制成，表面 通常涂以沥青和防锈油漆或者包裹一层玻璃纤维布，以防碰撞，刮伤和腐蚀。
2)扭杆具有预扭应力，安装时左右扭杆预加扭转的方向都与扭杆安装在车上后承受工作载荷时扭转的方向相同，不能互换，为此，在左右扭杆上刻有不同标记。
3)扭杆本身的扭转刚度虽然是常数，但采用扭杆的悬架刚度却是可变的。
4)扭杆弹簧与钢板弹簧相比较，具有质量小，不需润滑的优点
所有专业要求一致：
·利用与其他形式的弹簧元件之间的对比简单介绍：气体弹簧
·要求学生了解气体弹簧的结构特点
4、气体弹簧
·原理：气体弹簧是在一个密封的容器中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧的刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故它具有较理想的弹性特性。
·类型：气体弹簧有空气弹簧和油气弹簧两种。
·结构特点：空气弹簧和油气弹簧都同螺旋弹簧一样，只能承受轴向载荷，因此气体弹簧悬架中必须设置纵向和横向推力杆等导向机构，同时还必须设有减振器。气体弹簧可以通过专门的高度控制阀自动调节气室中的原始充气压力面的高度
（1）空气弹簧
·空气弹簧是利用压缩空气作弹簧的。
·根据压缩空气所用容器的不同，又有囊式和膜式两种型式。
     
·对比各类气体弹簧分析其结构特点
1）囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中压缩空气所组成。气囊内层用气密性好的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊一般做成两节，节与节之间围有钢质的腰环，使中间部分不致有径向扩张，并防止两节之间相互摩擦。气囊的上下盖板将气囊密封。
2）膜式空气弹簧的密闭气囊由橡胶膜片和金属压制件组成。
（2）油气弹簧
·原理： 油气弹簧 在密闭的容器中充入压缩气体和油液，利用气体的可压缩性实现弹簧作用的装置称油气弹簧。油气弹簧以惰性气体(氮气)作为弹性介质，用油液作为传力介质，一般是由气体弹簧和相当于液力减振器的液压缸所组成的。
·特点：由于氮气贮存在密闭的球形气室内，其压力随外载荷的大小而变化，故油气弹簧具有变刚度的特性，同时又起液力减振器的作用。
·类型：根据结构的不同，油气弹簧分为单气室、双气室以及两级压力式 。单气室油气弹簧又分为油气分隔式和油气不分隔式两种。
所有专业要求一致：
·利用与其他形式的弹簧元件之间的对比简单介绍：橡胶弹簧
·要求学生了解橡胶弹簧的结构特点
归纳小结：
·概括基本内容，归纳重点内容，布置下一讲的主要教学内容
5、橡胶弹簧
·橡胶弹簧是利用橡胶本身的弹性来缓和冲击、减小振动的。
·它可以承受压缩载荷与扭转载荷。
·橡胶弹簧的优点是：单位质量的储能量较金属弹簧多，隔音性能好，多用在悬架的副簧和缓冲块。
第二节　弹性元件
  2．油气弹簧

  油气弹簧一般以惰性气体氮为弹性介质，用油液作为传力介质，由气体弹簧和相当于减振器的液压缸组成。

  1）单气室油气弹簧

  单气室油气弹簧分油气分隔式和油气不分隔式两种，前者可防止油液乳化，且便于充气。
  （1）单气室油气分隔式油气弹簧

  上半球室、下半球室和橡胶油气隔膜构成了油气分隔式弹簧，工作缸、活塞和阻尼阀等构成了减振器。



  （2）单气室油气不分隔式油气弹簧

  工作缸固定在车架上，管形活塞的下端与转向节相连。该油气弹簧不仅是前悬架的弹性元件和减振元件，而且还兼作转向主销。管形活塞内腔以及活塞与工作缸壁间形成的环形腔内都充满着工作油液。在管形活塞头的上面有一油层，既可以润滑活塞又可以作为气室的密封。油层上方的空间即为高压气室，其中充满高压氮气，气体和油液之间没有任何隔离装置。


2）双气室油气弹簧

  双气室油气弹簧比单气室油气弹簧多一个作用力方向相反的反压气室和一个浮动活塞。

  当弹簧处于压缩行程时，主气室中的活塞上移，使主气室内的气压增高，弹簧的刚度增大。此时浮动活塞下面的油液，在反压气室的气体压力作用下经通道流入主气室的活塞下面，补充活塞上移后空出的容积，而反压气室内的气压下降。当弹簧处于伸张行程时，主活塞下移，主气室内的气压降低，主活塞下面的油液受挤压，经通道流回浮动活塞的下面，推动活塞上移，而使反压气室内的气压增高，从而提高了伸张行程的弹簧刚度。这种油气弹簧消除了在伸张行程中活塞与缸体底部发生撞击的可能性。

　　3）两级压力式油气弹簧

  两级压力式油气弹簧的特点是，在工作活塞的上方设有两个并列的气室，但两个气室的工作压力不同。主气室内的气压与单气室油气弹簧的气压相近，而补偿气室内的气压则较高，从而具有了变刚度特性。