汽车设计讲稿-第六章悬架设计

--65第六章悬架设计§6-1概述：一、功用：传力、缓冲、减振：保证平顺性、操纵稳定性二、组成：弹性元件：传递垂直力，评价指标为单位质量储能等导向装置：车轮运动导向，并传递垂直力以外的力和力矩减振器：减振缓冲块：减轻车轴对车架的撞击，防止弹性元件变形过大横向稳定器：减少转弯时车身侧倾太大和横向角振动三、设计要求：1）良好的行驶平顺性：簧上质量+弹性元件的固有频率低；前、后悬架固有频率匹配：乘：前悬架固有频率要低于后悬架尽量避免悬架撞击车架；簧上质量变化时，车身高度变化小。2）减振性好：衰减振动、抑制共振、减小振幅。3）操纵稳定性好：车轮跳动时，主销定位参数变化不大；前轮不摆振；稍有不足转向（δ1δ2）4）制动不点头，加速不后仰，转弯时侧倾角合适5）隔声好6）空间尺寸小。7）传力可靠、质量小、强度和寿命足够。§6-2悬架结构形式分析：一、非独立悬架和独立悬架：二、独立悬架结构形式分析：1、评价指标：1）侧倾中心高度：A、侧倾中心：车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心，叫侧倾中心。B、侧倾中心高度：侧倾中心到地面的距离。C、侧倾中心位置影响：位置高：侧倾中心到质心的距离缩短，侧向力臂和侧倾力矩↓，车身侧倾角↓；过高：车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎车轮外倾角α磨损。2）车轮定位参数：车轮外倾角α，主销内倾角β，主销后倾角γ，车轮前束等会发生变化。主销后倾角γ变化大→转向轮摆振车轮外倾角α化大→直线行驶稳定性；轮距变化，轮胎磨损3）悬架侧倾角刚度A、车厢侧倾角：车厢绕侧倾轴线转动的角度B、影响：车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度有关，影响操纵稳定性和平顺性4）横向刚度：影响操纵稳定性转向轴上悬架横向刚度小，转向轮易摆振，--665）空间尺寸：占用横向尺寸→影响发动机布置和拆装；占用高度尺寸→影响行李箱大小和油箱布置。2、不同形式悬架比较（表6-1）问：A、车轮跳动时，为什么α、β、γ如此变化？B、轮距为什么如此变化？C、应用？1）双横臂式：A、α、β均变，∵非平移，选择四杆结构，可小；B、四杆；C、应用：中高轿前悬，不用于微轿（空间）。2）单横臂：A、α、β变化大，∵绕一点横向转动；B、绕一点横向转动；C、应用：后悬，少用于前悬。3）单纵臂：A、r变化大，∵绕一点纵向转向；B、横向不变；C、应用：用于后轮，不用于前转向轮。4）单斜臂：A、变化小，受限制；B、同上；C、应用：适当选择夹角可满足不同性能要求。5）麦弗逊：A、变化小，受限；B、变化小，受限；C、应用：轿车，但滑柱受侧向力大。6）扭转梁随动臂A、通过弯扭变形来满足的梁；B、同上；C、应用：RR.轿后悬。三、前、后悬架方案选择：1、前、后均为非独立悬架：特点：（纵置钢板弹簧）转向时，内侧减载外侧加载→内侧受拉纵向缩短，外侧受压纵向伸长→车轴相对汽车纵向中心线偏转α角→对前轴：不足转向↑；对后桥：↑过多转向。如图6-3a改进方法：乘用车将后悬架前吊耳布置得比后吊耳低→悬架瞬时运动中心↓→后桥轴线的偏离不再过多转向。图6-3b另，前悬架采用纵置钢板非独立悬架时，前轮易摆振，乘用车多独立悬架。2、前、后均为独立悬架（FF的乘常用麦费逊前悬和扭转梁随动臂后悬）1）麦费逊前悬：螺旋弹簧套装在减振器外部，下摆臂球头伸到轮辋空间—结构紧凑，具有负的主销偏移距→对制动稳定性有利；2）扭转梁随动臂后悬：除表6-1中的特点外，由于采用各向异性橡胶衬套，既能隔振，又能防止后轴轴转向而产生过多转向。A、图6-5a，传统橡胶衬套，橡胶肥大，能隔振、隔声，但由于橡胶的弹性变形，在侧向力作用--67下，后轴会产生轴转向效应→不利于操纵稳定性。B、图6-6a，橡胶衬套，横截面上对角线方向有楔型孔，不同方向刚度不同a)衬套沿汽车纵轴线方向刚度较小一缓冲和减振b)车轮受侧向力时，衬套内侧相对外侧移动，同时与锥形凸肩想副相互压紧，使扭转刚度增大，减轻了轴转向效应c)∴操纵稳定性好d）注意：安装方向3、前悬架用双横臂独立悬架，后悬架用钢板弹簧有利于减少制动“点头”（祥见§6-5）四、辅助元件1、横向稳定器1）作用：在不↑悬架垂直刚度C条件下，↑悬架侧倾角刚度C→↓不舒适，↑行车安全感2）在前悬架设横向稳定器：A、能↑前悬架侧倾角刚度B、当前悬侧倾角刚度C1后悬侧倾角刚度C2时→a)前轴内、外侧车轮负荷转移后轴b)前轮侧偏角21后轮，以保证汽车有不足转向趋势2、缓冲块：橡胶、多孔聚氨脂§6-3悬架主要参教确定一、悬架静挠度fc1、定义：指汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即fc=Fw/c。对刚度不变的悬架，指汽车满载时静载荷下悬架的变形值对变刚度的悬架，指汽车满载时悬架的静载荷与此相应的瞬时刚度之比值2、偏频n1、n21）振动系统模型：根据振动理论，汽车系统振动可简化为两自由度振动的简单模型：质心的向上下运动和绕质心的转动（纵向角振动）。并可用一根刚性杆和两个弹簧（弹性系数C1、C2）来建模。刚性杆质心在C，其总质量绕C的回转半径为ρ，则其转动惯量可写成总质量与回转半径（当量长度）的平方的乘积Jz=Mρz2。2）偏频n1、n2：如果使车体质量分布满足ρ2=ab，（a、b为前后轴与质心距离），即质量分配系数12ab则：前后车轮振动独立，或前后轴上方车身两点的振动不存在联系，或：前后轮振动的固有频率是独立的，可理解为两个单自由度振动当前轮按ω1上下振动时，后轮可不振动；后轮按ω2上下振动时，前轮可不振动。这两个独立振动的固有频率叫偏频n1、n2，其公式：11121mcn，22221mcn（6-1）--68式中：c1、c2为前、后悬架刚度，m1、m2为前、后悬架的簧上质量比较：mk，mkf213）偏频应用：行车时一轮的振动不传到另一轮3、静挠度与偏频：采用线弹性悬架时，fc1=m1g/c1，fc2=m2g/c2式中：g=981cm/s2两式代入（6-1）式,511cfn225cfn(6-2)可见，悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频，n与f的开方成反比。设计时，根据行驶平顺性选定n1、n2，再按下式定fc1、fc2。211/25nfc,222/25nfc（6-2a）4、前、后悬架偏频n及静挠度fc的选取1）前、后悬架偏频的匹配A、取n1与n2不等，且相差不大，原因：a)n1与n2相等，容易共振b)n1与n2差别较大，则有纵向角振动B、哪个大？n1n2∵当车以较高速度越过单个路障时，n1/n21时的车身角振动比n1/n21时小C、有时小排量乘用车：n1n2，∵为改善乘用车后排乘坐舒适性2）前、后悬架静挠度fc的匹配A、∵21nfc∴fc1应与fc2接近，且fc1fc2B、推荐：乘fc2=(0.8～0.9)fc1货fc2=(0.6～0.8)fc13）偏频的选取和静挠度的确定：A、偏频的选取原则：按用途，选偏频n一乘低，客次，货更次B、偏频n值选取：前悬架后悬架乘（V1.6）1.00～1.45Hz1.17～1.58Hz乘（V1.6）0.80～1.15Hz0.98～1.30Hz货1.50～2.10Hz1.70～2.17HzC、静挠度的确定：选定n1、n2后，再按（6-2a）式算出fc1、fc2。5、悬架静挠度与弹性元件静挠度非独立悬架：一样不一定--69独立悬架：不一样（方向）6、fc的影响1）↑fc，由cfn5知，平顺性↑；而悬架刚度c=F/fc↓，汽车在坏路上行驶会经常碰撞缓冲块2）↑fc,由c=mg/fc知，c↓；汽车易出现“点头”、“后仰”现象，转弯时车身侧倾角↑3）↑fc，对板簧，需增长板簧长度，结果布置困难。二、悬架的动挠度fd1、定义：由满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形，（通常指缓冲块压到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。2、要求：fd足够大，避免经常撞击缓冲块3、取值：乘：7-9cm大客：5-8cm货：6-9cm三、悬架的弹性特性：1、定义：悬架所受垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身的位移f(即悬架的变形)的关系曲线2、概念：1）悬架刚度c：F－f曲线的斜率。斜率越大，刚度越大。2）动容量：悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。悬架动容量越大→缓冲块击穿的可能性越小。3、分类：悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种4、线性弹性特性：悬架变形f与所受垂直外力F成定比（fF）。1）特点：此时悬架刚度c为常数2）缺：由mcn21可知：m↓，n↑，平顺性↓。即：空载比满载时平顺性↓3）例：钢板弹簧非独立悬架5、非线性弹性特性：悬架变形f与所受垂直外力F不成定比，曲线如图6-91）特点：悬架刚度是变化的A、在满载（图中点8）附近刚度c小且曲线变化平缓，平顺性好B、离满载较远的两端曲线变陡，刚度c增大（单位变形所需载荷大）2）优：在有限的动挠度范围内，得到比线性悬架更多的动容量3）悬架：带副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧4）选用刚度可变的非线性悬架理由：货和客：空、满载时簧上质量变化大，如用线性，空、满载时车身振动频率分别为3.2Hz与1.6Hz，空车太高。乘：为减少对车身的撞击，减少转弯侧倾、制动“点头”和加速“后仰”，四、后悬架主、副簧刚度的分配货车多用主、付弹簧。弹性特性如图6-101、工作过程：付簧在主簧上面，载荷较小时，只有主簧工作。载荷增至一定值（图6-10中的Fk），付簧与托架和接触，主、副簧共同工作。2、刚度分配的任务1）付簧开始工作时的载荷--702）主付簧的刚度分配3、刚度分配原则：1）空载→满载，频率变化小→保证良好的平顺性2）付簧接触托架前、后的频率变化不大两项不能同时满足4、刚度确定方法1）付簧开始起作用时的悬架（主副簧）挠度fa，等于主簧空载时的悬架挠度fo，即：fa=f0；付簧开始起作用前一瞬间悬架（主簧）挠度fk，等于主副簧满载时的悬架挠度fc，即：fk=fc结果：A、载荷:wkFFF0B、副、主簧的刚度比:1/macc式中：F0、Fw分别为空、满载时的悬架载荷；cm、ca分别为主、副簧刚度比；wFF/02）让副簧在空载Fo与满载负荷Fc之和的一半时起作用，即：Fk=(Fo+Fc)/2同时让(Fo+Fk)/2和(Fk+Fc)/2时的悬架频率相等，即：n1=n2结果：A、载荷:Fk=(Fo+Fc)/2B、副、主簧的刚度比:）（）（3/22/macc3)比较：第一种方法：空、满载范围内振动频率变化不大，付簧)接触托架前后频率变化大，用于运输部门货车。第二种方法：付簧接触托架前后频率变化小，空、满载范围内振动频率变化大，用于经常处于半载状态运输的车辆。五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配1、悬架侧倾角刚度：簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩2、侧倾角刚度的影响：过大过小都不好3、乘：前悬侧倾角刚度/后悬=1.4-2.6§6-4弹性元件计算一、钢板弹簧（一）布置方案1、广泛采用纵置2、对称：中部固定中心到两卷耳中心之间距离相等多数采用对称。但有时采用不对称：1）整车布置需要；2）安装位置不动但要改变轴距（二）主要参数确定：应已知：前后轴静载G1、G2Fw1=(G1-Gu1)/2簧下荷重Gu1、Gu2单钢板弹簧载荷Fw2=(G2-Gu2)/2静、动挠度fc、fd轴距1、满载弧高fa：汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差（图6-11）1）影响：车身高度2）取值：如fa=0，弹簧在对称位置工作。考虑到弹簧在使用中会产生塑性变形，及高度已限定--71时能得到足够的动挠度值，fa常取10~20mm2、长度L确定：L指伸直后两卷耳中心距1）纵向角刚度：弹簧产生单位纵向转角时，所需的纵向力矩2）L影响：↑L：→↓σc→↑寿命→↓刚度c→改善平顺性→↑纵向角刚度（垂直刚度一定时），同时↓车轮扭转力矩引起的变形3）原则：总布置可能条件下，L尽可能取长4）推荐：乘L=0.40~0.55轴距货前L=0.26~0.