懸吊系統

懸吊系統就是指由車身與輪胎間的彈簧與避震器組成整個支持系統，懸吊系統應有的功能是支持車身，改善乘坐的感覺。

不過因為不同的懸吊設定會造成前後輪幾何學的變化，使駕駛人有不同的駕駛感受，所以不同的駕駛者就會去要求懸吊的改進，一般我們能夠改裝的地方只有彈簧與避震器，而汽車原廠所設計出來的懸吊幾何機構，因為牽涉過於複雜，所以關於這個部份的改裝留給原廠設計師去研究。

基本介紹

• 中文名：懸吊系統
• 外文名：suspension system
• 系統類型：獨立懸吊系統、非獨立式懸吊系統
• 系統套用：汽車底盤
• 學科：機械

系統類型

獨立懸吊

獨立懸吊系統(亦稱獨立懸掛系統)，包含了以下幾種懸掛系統：Swing axle 搖軸式、Sliding pillar 滑動支柱式、MacPherson strut/Chapman strut 麥佛遜(麥花臣)支柱懸掛/查普曼支柱式懸吊、Upper and lower A-arm (double wishbone)雙A臂式、multi-link suspension 多連桿式、semi-trailing arm suspension 半拖曳臂式、swinging arm 搖臂式、leaf springs 葉片彈簧式。

非獨立式

非獨立式懸吊系統包含Satchell link、Panhard rod、Watt's linkage(澳大利亞福特汽車所發明，可改善活軸懸吊的操控性)、WOBLink、Mumford linkage、Live axle(活軸懸吊，有傳動功能的Beam axle)、Twist beam(亦稱Torsion beam axle扭力梁式懸吊，搭配拖曳臂，可算半獨立式懸吊系統，中小型車常使用)、Beam axle(無傳動功能稱Solid axle，有傳動功能稱Live axle，通稱Beam axle)、leaf springs used for location (transverse or longitudinal) 。

系統套用

汽車底盤采獨立懸掛系統可使左右兩邊車輪輪胎獨立跳動起伏，不會互相拉扯影響車輛行駛平衡，增加操控性與舒適性，只是成本較非獨立懸吊(如固定軸懸吊Solid Axle)高。獨立懸吊除了使用在汽車上以外，使用在坦克車上也很有用，二十世紀初期美國人John Walter Christie 發明坦克獨立懸掛系統後沒多久就被共產蘇聯買去技術專利，讓蘇聯發展出行駛惡劣路面如履平地的優良T34坦克，越野能力遠勝納粹坦克，成為擊敗納粹主力軍隊改寫歷史的發明。

振動特性研究

高速客車車體輕量化設計是高速鐵路發展的基本設計準則之一，輕量化的設計有效減小了輪軌間的相互作用，降低生產製造成本，但是會造成車體結構剛度的降低，從而導致乘客乘坐舒適度的下降，因此，考慮車體彈性作用的車輛振動問題已成為國內外研究者研究的重點。高速動車組大多採用動力分散的形式，為了安裝牽引變壓器、牽引變流器和水箱等附屬設備，在車體底部設計有設備艙，附屬設備的質量從幾十千克到幾噸不等，並且有的設備如風機等本身具有激擾源，這種設計方式必將會對車體的垂向彎曲頻率產生重要影響，一種非常有效的方法就是引入車下設備彈性懸吊系統，將車下懸吊設備考慮成動力吸振器，通過選取合理的懸掛參數達到降低車體彈性振動的目的。

相關研究將車體考慮為均質歐拉梁，建立了考慮動力吸振器的剛柔耦合垂向動力學模型，分析了動力吸振器對車體彈性振動的抑制作用。為了降低車體的彈性振動問題，同樣將車體考慮為彈性的均質歐拉梁，建立了彈性車體和車下設備的垂向耦合振動數學模型，並且基於動力吸振器原理進行了多個車下懸掛設備的最優懸掛頻率設計。建立了高速動車組的剛柔耦合動力學模型，仿真分析了懸吊設備質量、剛度、阻尼和安裝位置等對車體振動的影響，並分析了不同懸掛參數下車體和懸吊設備之間的耦合振動特性，將仿真結果與台架試驗結果進行比較，發現仿真結果是可信的。基於車體模態測試結果對車體有限元模型進行了修正，隨後建立了剛柔耦合動力學模型，對懸掛參數與車體振動模態的匹配關係進行了分析。以上研究表明，車下懸吊設備對乘客乘坐舒適度有很
大的影響，合理的懸掛參數和懸吊設備安裝位置均可以抑制車體的彈性振動。

但是，鐵道車輛以其獨特的輪軌接觸關係服務於國家經濟建設，隨著車輛速度和載重量的不斷加大，勢必會加快車輪和軌道的磨損，而國內外的研究成果也表明了車輪磨耗會導致車輛動力學性能惡化，分析得到隨著車輛磨耗的增加，車輛曲線通過運行安全性將顯著增加，輪軸橫向力增大了 100%，並且直線下的平穩性指標增幅達到了54%。國內外研究者對車輪磨耗下車輛動力學性能的演變過程進行了大量的研究，而車下懸吊設備與車體耦合振動問題的研究也剛起步，對於車輛磨耗下車下懸吊設備振動方面的研究未見述及。本文基於國內某高速動車組建立考慮車體彈性的剛柔耦合動力學模型， 研究在一個镟輪周期內(20萬km)車體和懸吊設備振動的演變規律，並根據分析結果提出合理的懸掛參數選擇範圍。

特性分析

重點分析了高速動車組的車下懸吊系統在一個镟輪周期內(即不同運營里程下)車體和懸吊設備耦合振動的演變規律。在仿真分析過程中，採用武廣線實測軌道激擾譜，如表1所示，懸吊設備的質量達到了3.107 t，故將其布置在車體縱向中部，車體和懸吊設備之間採用彈性的聯接方式。

表 1 車輛的部分參數

參數選擇

車輛磨耗會惡化車體和設備的橫向振動，而合理地選擇車下懸吊系統的參數會降低車體和設備間的耦合振動，為此，分析了不同懸吊參數對減小車體振動的影響。

圖1 懸吊參數對平穩性的影響

如圖1所示，從分析結果上可以看出，隨著運營里程的增加，車輛的橫向平穩性指標明顯變差了，但是，通過合理地選擇懸吊參數可以有效抑制車輛磨耗帶來的影響。從新輪到磨耗 19.1 萬 km，對應的懸吊設備橫向剛度分別為： 0.3 MN/m、0.5 MN/m、0.7 MN/m、 0.9 MN/m 和 1.1 MN/m，說明了在不同的磨耗下，合理的懸吊參數選取存在一定的差異。綜合來說，在整個镟輪周期內，懸吊系統橫向剛度的選擇範圍在 0.7～1.5 MN/m 內比較合理。

研究結論

(1) 在運營的前 5 萬 km 內，車輪磨耗明顯，之後磨耗速率降低，並且從實測踏面外形來看，輪緣磨耗要比踏面磨耗嚴重。

(2) 車輪磨耗對車下懸吊系統的橫向振動影響較大，對垂向振動影響相對較小；前 5 萬 km 下，車體和設備的振動基本保持不變，隨著運營里程的增加，車體和懸掛設備的振動不斷惡化；當運營里程為 19.1 萬 km 時，車體和設備的振動加速度幅值達到了新輪下的 2 倍。

(3) 車輛運行速度不高於 140 km/h 時，車輪磨耗對車體和設備的振動沒有影響，隨著速度的增加，其影響也隨之增加。

(4) 通過合理選取懸吊參數可以有效抑制車輪磨耗對懸吊系統的影響，合理的橫向剛度取值範圍是 0.7～1.5 MN/m。