汽车设计_第6卷_悬架设计

第六章悬架设计第六章悬架设计§6-1概述§6-2悬架结构形式分析§6-3悬架主要参数的确定§6-4弹性元件的计算§6-5独立悬架导向机构的设计§6-6减振器§6-7主动与半主动悬架系统§6-1概述一、主要作用¾传递车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩;¾缓和、抑制路面对车身的冲击和振动；¾保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性。保证汽车的操纵稳定性。二、对悬架提出的设计要求1）保证汽车有良好的行驶平顺性。2）具有合适的衰减振动能力。3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。5）有良好的隔声能力。6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。§6-2悬架结构形式分析一、非独立悬架和独立悬架悬架非独立悬架独立悬架两类左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接非独立悬架独立悬架1、非独立悬架优点纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置¾结构简单¾制造容易¾维修方便¾工作可靠缺点¾汽车平顺性较差¾高速行驶时操稳性差¾轿车不利于发动机、行李舱的布置应用：货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架2、独立悬架优点¾簧下质量小；¾悬架占用的空间小；¾可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性；¾由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性；¾左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。缺点¾结构复杂¾成本较高¾维修困难应用：轿车和部分轻型货车、客车及越野车二、独立悬架结构形式分析分类¾双横臂式¾单横臂式¾双纵臂式¾单纵臂式¾单斜臂式¾麦弗逊式和扭转梁随动臂式双横臂式（双叉式）独立悬架•侧倾中心高度比较低；•车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角均有变化；•轮距变化小，轮胎磨损速度慢；•悬架侧倾角刚度较小，需用横向稳定器；•横向刚度大；•空间尺寸占用较多；•结构复杂，前悬架用得较多。单横臂式独立悬架•侧倾中心高度比较高；•车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角变化大；•轮距变化大，轮胎磨损速度快；•悬架侧倾角刚度较大，可不需横向稳定器；•横向刚度大；•空间尺寸占用较少；•结构简单，成本低，前悬架用得较少。单纵臂式独立悬架•侧倾中心高度比较低；•主销后倾角变化大；•轮距不变；•悬架侧倾角刚度较小，需横向稳定器；•横向刚度小；•几乎不占用高度空间；•结构简单，成本低；斜置单臂式独立悬架•侧倾中心高度介于单横臂与单纵臂之间；•主销定位参数有变化；•轮距变化不大；•悬架侧倾角刚度介于单横臂与单纵臂之间；•横向刚度较小；•几乎不占用高度空间；•结构简单，成本低；多杆式独立悬架•侧倾中心高度比较低；•车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角均有变化；•轮距变化小，轮胎磨损速度慢；•悬架侧倾角刚度较小，需用横向稳定器；•横向刚度大；•空间尺寸占用较多；•结构复杂，前悬架用得较多。滑柱摆臂式独立悬架（麦弗逊式或支柱式）•侧倾中心高度比较高；•车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角变化小；•轮距变化很小；•悬架侧倾角刚度较大，可不需横向稳定器；•横向刚度大；•空间尺寸占用较少；•结构简单，紧凑，轿车用得较多。扭转梁随动臂式独立悬架（随动转向臂式）•侧倾中心高度比较低；•车轮定位参数在左右轮同时跳动时不变；•轮距不变；•悬架侧倾角刚度较大，不需横向稳定器；•横向刚度大；•占用空间小；•结构简单，用于FF乘用车的后悬架；悬架评价指标：1）侧倾中心高度侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。2）车轮定位参数的变化若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。5）悬架占用的空间尺寸3）悬架侧倾角刚度4）横向刚度1）侧倾中心高度2）车轮定位参数的变化5）悬架占用的空间尺寸占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度；占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部平整，布置油箱容易。3）悬架侧倾角刚度车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。4）横向刚度悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。结构简单，用于发动机前置前轮驱动轿车后悬架结构简单、紧凑，轿车上用得较多结构简单、成本低结构简单、成本低，前悬架上用得少结构复杂前悬架用得较多其它占用的空间小几乎不占用高度空间占用较少占用较多占用空间尺寸横向刚度大横向刚度较小横向刚度小横向刚度大横向刚度较大，可不装横向稳定器居单横臂式和单纵臂式之间较小，需用横向稳定器较大，可不装横向稳定器较小，需用横向稳定器悬架侧倾角刚度不变变化很小变化不大不变变化大，轮胎磨损速度快变化小，轮胎磨损速度慢轮距左、右轮同时跳动时不变变化小有变化主销后倾角变化大车轮外倾角与主销内倾角变化大车轮外倾角与主销内倾角均有变化车轮定位参数的变化比较低比较高居单横臂和单纵臂之间比较低比较高比较低侧倾中心高扭转梁随动臂式麦弗逊式单斜臂式单纵臂式单横臂式双横臂式悬架各种独立悬架的比较三、前、后悬架方案的选择采用的方案¾前轮和后轮均采用非独立悬架；¾前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；¾前轮与后轮均采用独立悬架。1、前轮和后轮均采用非独立悬架前、后悬架均采用纵置钢板弹簧非独立悬架的汽车转向行驶时，内侧悬架处于减载而外侧悬架处于加载状态，于是内侧悬架受拉抻，外侧悬架受压缩，结果与悬架固定连接的车轴（桥）的轴线相对汽车纵向中心线偏转一角度α。如图a。¾对前轴，这种偏转使汽车不足转向趋势增加¾对后桥，则增加了汽车过多转向趋势轿车将后悬架纵置钢板弹簧的前部吊耳位置布置得比后边吊耳低，于是悬架的瞬时运动中心位置降低，与悬架连接的车桥位置处的运动轨迹如b所示，即处于外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹是oa段，结果后桥轴线的偏离不再使汽车具有过多转向的趋势。2、前轮和后轮均采用独立悬架（1）前悬架：麦佛逊式；螺旋弹簧套装在减桭器外部下摆臂球头伸到轮辋空间内结构紧凑制动稳定性好负主销偏移距发动机前置前轮驱动的乘用车的一般布置：麦佛逊前悬架＋扭转随动后悬架随动转向原理（2）后悬架：扭转随动式2.缓冲块橡胶制造，通过硫化将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用多孔聚氨指制成，它兼有辅助弹性元件的作用。这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。四、辅助元件1.横向稳定器通过减小悬架垂直刚度，能降低车身振动固有频率n,达到改善汽车平顺性的目的。()π2//smcn=§6-3悬架主要参数的确定一、前后悬架的静挠度、动挠度的选择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。1、概念1)静挠度指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。2)动挠度1）使悬架系统有较低的固有频率式中，c1、c2为前、后悬架的刚度；m1、m2为前、后悬架的簧上质量。ππ2//2//222111mcnmcn==汽车前、后部分的固有频率n1和n2（亦称偏频）2、选择要求及方法2）n1与n2的匹配要合适3）fd要合适,根据不同的车和不同路面条件选择1）、悬架系统的固有频率当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式表示fc1=m1g/c1fc2=m2g/c2将fc1、fc2代入2211/5/5ccfnfn==ππ2//2//222111mcnmcn==希望fc1与fc2要接近，但不能相等（防止共振）希望fc1fc2(从加速性考虑，若fc2大，车身的振动大）2）、n1与n2的匹配¾若汽车以较高车速驶过单个路障，n1/n2＜1时的车身纵向角振动要比n1/n2＞1时小，故推荐取fc2=（0.8~0.9）fc1。¾考虑到货车前、后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐fc2=（0.6~0.8）fc1。¾为了改善微型轿车后排乘客的乘坐舒适性，有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频。™要求：™方法：3）、fd要合适，根据不同的车和不同路面条件选择¾要求悬架有足够的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。¾乘用车：fd=7-9cm;客车：5-8cm;货车：6-9cm二、悬架的弹性特征悬架受到垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于在车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线。1)线性弹性特性定义:当悬架变形f与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，此时悬架刚度为常数。悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种1、定义2、分类特点：随载荷的变化，平顺性变化2)非线性弹性特性定义：当悬架变形f与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时1—缓冲块复原点2—复原行程缓冲块脱离支架3—主弹簧弹性特性曲线4—复原行程5—压缩行程6—缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线7—缓冲块压缩时开始接触弹性支架8—额定载荷特点¾在满载位置（图中点8）附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好¾距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大作用¾在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量¾悬架的运容量系指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（悬架的运容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小）◎空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。◎乘用车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。三、货车后悬的主、副簧的刚度匹配¾车身从空载到满载时的振动频率变化要小，以保证汽车有良好的平顺性¾副簧参加工作前、后的悬架振动频率变化不大确定方法¾使副簧开始起作用时的悬架挠度fa等于汽车空载时悬架的挠度f0，而使副簧开始起作用前一瞬间的挠度fK等于满载时悬架的挠度fc。副簧、主簧的刚度比为¾使副簧开始起作用时的载荷等于空载与满载时悬架载荷的平均值，即FK=0.5（F0+FW），并使F0和FK间平均载荷对应的频率与FK和FW间平均载荷对应的频率相等，此时副簧与主簧的刚度比为ca/cm=（2λ-2）/（λ+3）。四、悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配侧倾角刚度的大小影响到侧倾角，侧倾角过大过小都不好：过小会感知不到侧翻的潜在危险；过大则感觉太不安全，不舒适。前后悬架的角刚度匹配要考虑汽车的转向特性：为满足汽车的不足转向特性，一般使前悬架的角刚度为后悬架角刚度的1.4～2.6倍，使得前轮的侧偏角大于后轮的侧偏角。§6-4弹性元件的计算一、钢板弹簧的计算(一）钢板弹簧的布置¾纵置或横置¾横置：没办法传递纵向力，需设置附设的导向机构，很少采用。¾纵置分为：对称式与非对称式一般为对称式，在需要改变轴距而又不想改变弹簧位置的情况下采用非对称式。（二）钢板弹簧主要参数的确定¾满载静止时前后轴负荷G1,G2簧下质量Gu1,Gu2单个钢板弹簧的载荷为：Fw1=(G1-Gu1)/2Fw2=(G2-Gu2)/2¾悬架的静挠度，动挠度，U型螺栓中心距¾汽车轴距La计算所需的已知条件¾满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳半径）连线间的最大高度差。¾fa用来保证汽车具有给定的高度。¾当fa=0时，钢板弹簧在对称位置上工作，为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取f