第1章 绪论

第1章绪论第1章绪论1.1课题背景悬架是车架与车桥之间一切传力连接装置的总称。它的作用是把路面作用在车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些力所造成的力矩传递到车架上，保证汽车的正常行驶。悬架系统的运动学和动力学特性分析是研究整车操纵稳定性的基础。近年来，随着控制理论和汽车设计技术的发展，国内外学者就主动悬架技术开展了大量研究，旨在提高车辆的行驶平顺性，并取得了可喜成果。由于种种原因，我国汽车绝大部分采用被动悬架，在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外差距大。在西方发达国家，半主动悬架在20世纪80年代后趋于成熟。福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果。主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并牵涉到许多学科，一直很难有很大的突破。进入20世纪90年代，仅用于排气量大的豪华轿车，未见国内汽车产品采用此技术的报道。被动悬架理论成熟，结构简单，性能可靠，成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段仍有较高的研究价值。被动悬架是传统的的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的。依照随即震动理论，它只能保证在特定路况达到较好效果。但它理论成熟，结构简单，性能可靠，成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。双横臂独立悬架是汽车上常用的悬架结构形式，其运动特性的优劣关系到汽车操纵稳定性，行驶平顺行和轮胎使用寿命等方面。由于汽车悬架是比较复杂的空间机构，特别是前悬架设计成主销内倾和后倾，并且控制臂轴也大都倾斜布置，这些都给悬架的运动学分析带来很多困难。对此，许多学者利用多体动力学，矢量法等不同的数学方法进行大量的研究1.2发展趋势汽车已成为人们日常生活中不能离开的代步和运输工具。汽车工业在当代世界经济中成为人类生活和生产的需要。1886年第一辆汽车诞生，随着科学技术的进步和经济的发展，汽车在经济生活领域中发挥了巨大的作用，是当今世界最大、最重要的工业部门之一，成为大多数国家的支柱产业。现代汽车悬架的发展十分快，不断出现崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，如下图所示也就是汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。20世纪80年代以来主动悬架开始在一部分汽车上应用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼。随着高速公路网的发展，促使汽车速度不断提高，使得非独立悬架已不能满足行驶平顺性和操纵稳定性等方面提出的要求。因此，独立悬架获得了很大的发第1章绪论展空间。舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。1.3双横臂螺旋弹簧独立悬架概述独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转梁随动臂式等几种。根据其臂长又分为等臂式和不等臂式。不等臂双横臂上臂比下臂短。当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。双横臂式（双叉式）独立悬架上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。一汽生产的CA7560型轿车的前轮就是采用这种不等长的双横臂式螺旋弹簧独立悬架。一般悬架由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成。弹性元件用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。第1章绪论独立悬架的左右车轮不是用整体车桥相连接，而是通过悬架分别与车架（或车身）相连，每侧车轮可独立下下运动。轿车和载重量1t以下的货车前悬架广为采用，轿车后悬架上采用也在增加。越野车、矿用车和大客车的前轮也有一些采用独立悬架。根据导向机构不同的结构特点，独立悬架可分为：双横臂，单横臂，纵臂式，单斜臂，多杆式及滑柱（杆）连杆（摆臂）式等等。按目前采用较多的有以下三种形式：(1)双横臂式，(2)滑柱连杆式，(3)斜置单臂式。按弹性元件采用不同分为：螺旋弹簧式，钢板弹簧式，扭杆弹簧式，气体弹簧式。采用更多的是螺旋弹簧。不等长双横臂式独立悬架。上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成A字形或V字形，如图1-1所示。V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。一汽新款Mazda6就采用了双横比独立前悬架。图1-1双横臂式独立悬架不等臂双横臂上臂比下臂短，如图1-2。当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。图1-2不等臂式悬架独立悬架中多采用螺旋弹簧，因而对于侧向力，垂直力以及纵向力需加设导向装置即采用杆件来承受和传递这些力。因而一些轿车上为减轻车重和简化结构采用多杆式悬架。上连杆用支架与车身(或车架)相连，上连杆外端与第三连杆相第1章绪论连。上杆的两端都装有橡胶隔振套。第三连杆的下端通过止推轴承与转向节连接。下连杆与普通的下摆臂相同，下连杆的内端通过橡胶隔振套与前横梁相连接。球铰将下连杆的外端与转向节相连。多杆纱前悬架系统的主销轴线从下球铰延伸到上面的轴承，它与上连杆和第三连杆无关。多杆悬架系统具有良好操纵稳定性，可减小轮胎摩损。这种悬架减振器和螺旋弹簧不像麦弗逊悬架那样沿转向节动。1.4设计任务悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。现代轿车悬架很软，即固有频率很低，为提高悬架的侧倾角刚度，减小横向倾斜，常在悬架中添设横向稳定器（杆），保证良好操纵稳定性。当两则悬架变形相同时，横向稳定器不起作用。当两侧悬架变形不等时，车身相对路面横向倾斜时，车架一侧移近弹簧支座，稳定杆的同侧末端就随车架向上移动，而另一侧车架远离弹簧座，相应横向稳定杆的末端相对车架下移，横向稳定杆中部对于车架没有相对运动，而稳定杆两边的纵向部分向不同方向偏转，于是稳定杆被扭转。弹性的稳定杆产生扭转内力矩就阻碍悬架弹簧的变形，减少了车身的横向倾斜和横向角振动。图1-3是某车型横向稳定器的安装图1-3某车型横向稳定器的安装独立悬架的优点是：簧下质量小；悬架占用空间小；弹性元件只受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车的行驶平顺性；由于可能降低发动机的位置高度，使整车的质心位置下降，有改善了汽车的行驶稳定性；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够获得良好的地面附着能力。为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。前后悬架固有频率的匹配应合第1章绪论理，对轿车，要求前悬架固有频率应略低于后悬架的固有频率，还应尽量避免悬架撞击车架。簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。汽车在不平路面行驶，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用，使汽车的振动振幅迅速减小，直至振动停止。要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应是指具有不足转向特性。表1-1为本田雅阁乘用车FF型双横臂螺旋弹簧独立前悬架设计参数。表1-1FF型双横臂螺旋弹簧独立前悬架设计参数项目参数长宽高轴距轮距最大总质量整备质量最小离地间隙轮胎型号4675mm1760mm1410mm2715mm1500mm1565kg1290kg160mm195/60R1588H1.5设计内容在两摆臂等长的悬架中，当车轮上、下跳动时，车轮平面没有倾斜，但论据却发生了较大变化，这将增加车轮侧向滑移的可能性。在两摆臂不等长的悬架中，如两臂长度选取适当，可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不大。不大的轮距变化在轮胎较软时可以由轮胎变形来适应，目前轿车的轮胎可容许轮距的改变在每个车轮上达4-5mm而不致沿路面滑移。因此，不等长的双横臂式独立悬架在轿车上的应用较为广泛。本次设计要合理选取两横臂的长度，布置横臂在各个平面的角度，计算侧倾中心等。1.6本章小结本章首先阐述了本次设计的任务为FF型双横臂螺旋弹簧独立前悬架的设计。然后阐述了悬架的发展趋势，即广泛采用新技术外，在结构设计中日益朝着“零件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产组织的专业化目标前进。本章还对设计内容进行了详细地说明，并对设计方案进行了初步的选择。第1章绪论如图1所示为双横臂式独立悬架。上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成A字形或V字形，如图2所示。V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。图1：双横臂式独立悬