悬架系统与底盘平台的匹配

1悬架系统与底盘平台的匹配1．概言众所周知，汽车设计的过程实际上是“匹配”而非“拼装”的过程。如果选用世界上最美丽的面部器官，安装在同一个人的脸部后，她不一定是最美丽的。同理，用同样的原材料，由不同的厨师配菜，必然得到不同口味的佳肴，这就是“匹配”的奥秘所在。大自然中的和谐，是造物者神奇“匹配”的杰作。因此，一个优良的汽车底盘平台，必然是由各大总成零部件与整车合理“匹配”的结果，它必然会使汽车各大性能得到最大限度地发挥。一句话，“匹配”是汽车设计的灵魂！以下是一张《悬架与底盘匹配关系》网络图，它大致说明系统各部件之间的匹配关系，可供参考。2．乘用车操纵稳定性的核心是悬架系统上个世纪中叶，随着汽车行驶速度日益提高，高速公路的飞快发展，乘用车的设计车速已突破200km/h大关。研究汽车理论的科技工作者面临一个全新的复杂课题：如何在汽车高速行驶状态下，抵抗来自路面的不平、坡度、侧风等外界因素的干扰，汽车又能遵循驾驶员的操纵、自动摆脱力图改变其行驶方向的各种干扰、并保持稳定的行驶能力，而不过分地降低车速或造成驾驶员紧张和疲劳，这种能力总称汽车的操纵稳定性。研究汽车操纵稳定性的方法借助于飞机的操纵稳定性的理论，早在上世纪60年代，我国就已开展汽车操纵稳定性的研究。汽车操纵稳定性的好坏，与整车参数、转向系统、特别是“悬架—轮胎”系统密切相关。对于底盘设计师而言，我们的任务是如何利用其研究成果，正确地确定各结构参数，并体现在各具体结构上而不是“运气设计”，以避免新车型产生先天性的缺陷。既然“悬架—轮胎”系统如此重要，下面将分别对轮胎及悬架的一些有关基础知识做一介绍以备匹配需要。3.乘用车的悬架系统乘用车是现代高速运动的复杂机器，其悬架系统是底盘平台的基础，在汽车结构中，它算不上是复杂的，然而，它对汽车的很多性能，例如操纵性、稳定性、平顺性、舒适性、制动性等等起着决定性的作用。虽然看起来它由几个摆臂、拉杆、弹簧简单零部件组成，但是，其中蕴藏着许多深奥的静力学、动力学、运动学理论，匹配不当，将会导致乘用车设计的失败，设计师决不可掉以轻心！尽管大家对悬架系统已很了解，但是为了便于讲解，在此我还要对悬架结构唠叨几句。现代乘用车的悬架结构一般分为三大类：独立悬架、非独立悬架和复合式悬架。3-1独立悬架分为3个类型1)麦克菲尔逊支柱型：亦称滑柱式或简称柱式，如图1所示。结构简单，质量轻，占有空间小，适合发动机前置前轮驱动的布置。2图12)双摆臂型，如图2所示。为了获取最佳的前轮定位及其运动几何学，通常上、下摆臂具有不同的长度和安装角。该结构经常被中型以上的轿车、皮卡及轻型越野车的前悬架上采用。图23）三角单摆臂（A型斜摆臂）如图3所示。长适用于乘用车后独立悬架，例如在丰田、奔驰轿车系列后悬架上采用。A型斜摆臂可以获取较理想的外倾及轮距变化，并可通过改变摆臂斜置角，及其在正视图上的倾角，来获得较为理想的侧倾中心位置及侧倾中心高度。3图3此外，独立悬架还有许多种结构型式，如图4所示图4独立悬架的特点：1)左右车轮在不平路面作上下跳动时，是互相独立的，它们彼此之间不产生耦合关系。因此提高了乘坐舒适性、轮胎抓地性、操纵4稳定性和平顺性。2)降低了非悬架质量，使非悬架质量的固有频率提高，远离悬架质量的低固有频率，从而减少它们之间的耦合关系，有利于降噪及舒适性。3-2非独立悬架非独立悬架亦称整体桥式悬架。结构简单、可靠，坚固耐用，适合较大的乘用车车后悬架上采用。左右车轮在不平路面作上下跳动时，会产生互相牵连的，它们彼此之间将产生振动耦合，如果不采取相应措施，这将会降低乘坐的舒适性如图5所示。图5非独立悬架的型式具有钢板弹簧式、带横向拉臂、螺旋弹簧的纵向拖臂式（简称纵向拖臂式）见图6，7。3-3复合式悬架这是一种介于独立悬架及非独立悬架之间的、近代出现流行于乘用车后悬架的紧凑悬架结构，常被人称之为“半独立悬架”。在普通非独立悬架中，车桥需在整个弹簧行程范围内运动。为此，必需提供车桥上方的空间，这样一来，就要减小行李箱空间，并使备胎布置困难。复合式悬架的最大优点就是：它非常节省空间（扭梁运动行程小）而且能使车身振动柔和，抗侧倾刚度大，大大减少汽车在曲线行驶时的车身侧倾角度。例如花冠、宝来、等乘用车的后悬架即是。图8，9是FC-1的后悬架。5图8图9复合式悬架的其它优点还有：构造简单，整个车桥易于装拆；弹簧减震器易安装、省去许多导向铰链和导向杆；车轮至弹簧减震器的传动比合理；非悬架质量轻、运动学性能好；当车轮等幅同向跳动或交叉跳动时几乎不产生前束和轮距变化；侧向力作用下外倾角变化小；由于轴转向效应，整个车桥呈不足转向趋势，而且随载荷而变化；具有制动时车尾不抬高（抗点头）的效应。其仅有的缺点是在侧向力作用下有过度转向的趋势，横梁上存在扭转应力和剪切应力，使焊缝处应力大，限制了车桥负载能力。4．乘用车轮胎4-1轮胎分类：1）斜交胎5.60-132)子午胎170/65R1464-2偏离刚度:汽车正常行驶下，侧向加速度一般不会超过0.3-0.4g,侧偏角不超过4-5°,故可视为线性关系,当侧偏角到达10°时,侧偏力将达最大值.开始打滑。影响侧偏刚度K’值的的下列因素对汽车操纵稳定性而言至关重要.1)垂直载荷：侧偏刚度随垂直载荷的增加而增大K0=Y/αN/弧度Y侧偏力N72）结构及参数：尺寸相同的子午线轮胎要比斜交胎的侧偏刚度大。同一型号、同一尺寸的轮胎，帘布层愈多、帘线与车轮平面的夹角愈小、气压愈高则侧偏刚度愈大。3）轮辋型式：宽轮辋的轮胎，侧偏刚度大4）地面切向反作用力（如制动力、驱动力）：试验表明：随着制动力的增加，侧偏力稍稍增加，随后就变小。驱动力增加时，侧偏力总是下降的。5）外倾角的影响：地面反作用力的作用方向与轮胎外倾角倾斜方向一致时，侧偏刚度降低，反之，则增大。4-3稳态响应和瞬态响应：稳态响应：即稳态转向特性（定圆转向）：不足转向、中性转向、过度转向。稳定性因素Kα1-α2=μKgL8瞬态响应：角阶跃输入试验的瞬态响应。有4个阶段：1）反应滞后段：猛打方向后，汽车横摆角速度不能立刻达到定值，需要t=τ时才能达到。称为反应时间。2）执行误差阶段：横摆角速度达到最大值，超过定值称为超调量。3）过渡阶段：横摆角速度波动阶段4）稳定阶段：横摆角速度达到稳定值5.四轮定位角度理论轿车的转向车轮、转向节（羊角）和前轴三者之间的安装具有一定的相对位置，叫做转向车轮定位，亦称前轮定位。前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角、前轮前束4项内9容。对后轮而言，同样存在安装的相对位置，称后轮定位。这样一来，前后轮定位总称四轮定位。四轮定位的作用是使汽车保持稳定的直线行驶能力和转向轻便，并减少汽车在行驶中轮胎和转向机构零件的磨损。当驾驶员感到转向沉重、发抖、跑偏、不正、无自动回正、轮胎单边磨损、波状磨损、块状磨损、偏磨以及驾驶感到发飘、颠颤、摆头；这时候就需要进行四轮定位了。设计上汽车有两个重要的旋转轴：转向车轮摆转时的假想的转向轴线和车轮滚动时的滚动轴，它们都是三度空间的轴。主销后倾角和主销内倾角都是转向轴线的两度空间角度，外倾角和前束都是车轮滚动轴线的两度空间角度。调整定位角中的任何一个角度都会改变其他定位角，譬如改变前束角会变动外倾角；改变后轮的前束角回导致前轮单轮的前束角改变等等。5-1外倾角从汽车正前方看轮胎的几何中心线与地面的铅垂线的夹角，称为外倾角。向内为负，向外为正。如图10所示。外倾角的作用：零外倾角：无论正外倾角拟或负外倾角，由于车轮内、外侧转动半径不一样，而车轮转速相同，势必造成车轮内外磨损不均匀。零外倾即可解决内外磨损不均匀。如图11所示。正外倾角：1）减低作用于转向节上的负载。图1110图122）防止车轮滑脱：路面反作用力F可以分解为垂直于轴径轴线的力F1，及平行于轴径轴线的力F2。F2迫使车轮向内，有助于防止车轮从轴径滑脱。如图13所示。3）减小转向操纵力：汽车转向是以转向轴线为中心，以偏置距为半径，向左右转动。由于轮胎的滚动阻力，大偏置距会产生较大的转向力矩，也就是说增加所需的操纵力。所谓零转向是指偏置距等于零。现代轿车的偏置距已成负值，可达-13左右。如图14所示。11图13图14负外倾角的作用：在现代汽车中，由于悬架和车桥比过去坚固，加上路面平坦，所以，采用正外倾角的轿车越来越少。而采用零或负外倾角的车越来越多，借以改善转弯时的稳定性和行驶的平顺性。在负外倾角的轿车转弯时外倾角减小。当轿车高速转弯时，离心力增大，车身向外倾斜加大，产生更大的正外倾角，从而使外侧悬架超负载，加剧了外侧轮胎变形。外侧轮胎与地面接触处的内外滚动半径不同，外侧小于内侧，这不仅加剧了轮胎磨损，也会使转向性能降低。采用零或负外倾角，可使内外侧滚动半径相近，使轮胎内外侧磨损均匀。独立悬架的缺点在于汽车做曲线行驶时，车轮随车身一起倾斜，即外轮向正外倾角方向变化，而外轮的法向负载也随之增加，根据弹性轮胎的力学理论及试验证明，轮胎的侧偏刚度将会降低，如图15所示。为了尽量降低其影响，以便做到转向特性的可控性，当代乘用车的前悬架常常设计成车轮上跳时，外倾角朝负值方向变化，而在下落时朝正值方向变化。12图155-2前束：如图16所示从顶视图来看，A=B零前束A＜B正前束A＞B负前束前束的作用：消除由于外倾角所产生的轮胎侧滑。因为车轮外倾角的作用使车轮滚动时产生“滚锥”效应，产生侧滑，会造成轮胎磨损。所以前束作用是消除由于外倾角所产生的轮胎侧滑。如图17所示。图1613图175-3主销后倾角：后倾角的作用和影响：后倾角的作用是使转向车轮转向后能自动复位，保持直线行驶能力。如图18所示。图18145-4．主销内倾角：如图19所示。主销内倾角的作用：1）减少转向操纵力2）减少路面对方向盘的“反冲”力。3）减轻跑偏现象，改善直线行驶的稳定性。偏置距（摩擦半径）的变化见图20。图19图20155-5．推进角后轮总前束的平分线称为推进线，合格的车辆其推进线应与车体中心线重合。如果后轮前束不标准，其推进线和车体中心线不重合形成夹角，则必然造成偏行。此夹角叫做推进角。如图21所示。图216．乘用车的行驶平顺性汽车行驶中，不平路面的冲击传给车身后引起三维振动；加、减速、制动、转向等操作都将会引起车身的垂直、纵向及横向振动。有时这种强烈的车身振动将迫使司机降低车速，同时也会加大动载荷，进一步引起零部件的磨损。因此，轿车在一般使用速度范围内行驶时，保证乘客不会因振动而导致不舒适感觉的性能，称之为轿车行驶平顺性。轿车行驶平顺性的评价方法，通常根据振动对人体的生理反应来确定的。轿车是一个多质量的复杂的振动系统，车身通过悬架的弹性元件与车桥相连接，又通过具有弹性的轮胎与地面相接触，而发动机也通过橡16胶悬置与车身相连。当它们承受外激力作用时，轿车将产生极为复杂的振动。为便于了解及分析轿车的基本振动规律，人们常将此复杂振动系统简化为两个质量的振动系统，即悬架质量（簧上质量）M与非悬架质量（簧下质量）m两部分组成。如图22所示。图22悬架质量（簧上质量）M是指由弹性元件所支撑的质量。例如车身及其内外饰件质量、乘员、燃料及辅料质量、动力总成及其附件质量、安装在车身上的底盘件质量等。非悬架质量（簧下质量）m是指不通过弹性元件所传递的那些质量。例如车轮及轮胎的质量、制动器总成质量、后轴质量等。然而，相连于M及m之间的元件质量，如弹性元件、导向机构杆件、减震器、转向横拉杆及传动轴等。通常要将它们重量的一半计入悬架质量，另一半计入非悬架质量中去。就悬架质量M而言，其振动具有六个自由度；即沿X、Y、Z轴作线性振动及绕此三个轴作角振动。如图23所示。17图23根据经验，影响平顺性最大的振动是悬架质量M沿Z轴向的垂直振动和绕Y轴的纵向角振动。为了便于分析，进一步将系统简化为如图24所示4个自由度的平面模型。在此模型中，忽略轮胎的阻尼，同时将悬架质量M分解为在前、后轴上的悬架质量M1及M2以及重心C上的联系质量M3，这3个集中质量由无质量的刚性杆连接，它们之间应满足3个条件：1）总质量保持不变M1+M2+M3=M2）重