汽车底盘技术(华福林)

汽车底盘技术浙江汽车工程学院2007年6月23日华福林编写汽车行路系汽车悬架系2目录（总计授课19小时）1.概要0.5小时1.1汽车悬架系1.2要求2.汽车悬架技术2.1振动理论基础2.5小时2.1.1振动系统的描述2.1.2单质量系统的振动2.1.2.1无阻尼的自由振动32.1.2.2有阻尼的自由振动2.1.2.3有阻尼的强迫振动2.2汽车二自由度的自由振动分析目录42.2悬架理论基础4.5小时2.2.1概言2.2.2轿车悬架2.2.3四轮定位2.2.4簧上质量与簧下质量2.2.5垂直振动2.2.6纵向角振动2.2.7阻尼2.2.8悬架传递比2.2.9悬架刚度目录52.2.10悬架侧倾中心及侧倾轴2.2.11侧倾角刚度、侧倾力矩及侧倾角2.2.12车身的工作行程2.2.13悬架动行程2.2.14行程限位器2.2.15弹性元件2.2.16弹性元件的设计2.2.17横向稳定杆及计算2.2.18减振器目录62.2.19弹簧柱和减振器柱2.3悬架力学8小时2.3.1车轮与地面接触点的作用力2.3.2悬架导向臂上的力及力矩2.3.3麦弗逊悬架中的作用力2.3.4双横臂悬架中的作用力2.3.5单横臂悬架中的作用力2.3.6纵臂悬架中的作用力及力矩2.3.7斜臂悬架中的作用力及力矩2.3.8转弯时车轮上的作用力再分配目录72.3.9弹簧和铰接上的静载荷2.3.10不平路面上的作用力2.3.11过铁路道叉时的作用力2.3.12起步和制动时的作用力2.3.13转弯时的作用力2.3.14作用于悬架零件上的力2.3.15持续作用力2.3.16短时作用于力2.3.17静力计算2.3.18疲劳强度计算目录82.3.19轴头计算2.3.20轮毂轴计算2.3.21驱动轴计算2.3.22作用于悬架零件上的力2.4轮胎和车轮2小时2.4.1要求2.4.2轮胎规格2.4.3车轮2.4.4轮胎弹性目录92.4.5滚动阻力2.4.6附着系数2.4.7轮胎回正力矩和轮胎拖距2.5轿车的平顺性1小时2.5.1概要2.5.2平顺性的评价2.5.3悬架对平顺性的影响2.6轿车的操稳性1小时2.6.1概要2.5.2操稳性的评价2.5.3悬架对操稳性的影响目录10课件内容第一讲3小时内容：1.概要2.汽车悬架技术2.1振动理论基础11课件内容1.概要一辆性能优良的轿车，几乎所有的整车性能，譬如：动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性、舒适性、经济性、通过性及安全性，都与底盘设计的优劣息息相关。所谓汽车底盘，一般指除车身（含内外饰件及附件)及电器以外的所有零部件总成装配成的平台而言，而汽车设计业内人士则还需将发动机、车架及它们相匹配的零部件总成排除在外。因此，通常将《底盘》定义在两大系统之内，即：a.传动系:含离合器及其操纵机构、变速器（或前轮驱动箱及驱动轴）、传动轴、后桥及半轴。b.行路系:含前轴系（包括车轮及轮毂）、悬架系、转向系、制动系及其各自的操纵机构。12课件内容1.1汽车悬架系经验丰富的驾驶员在对一辆新车试车后，除对其动力性、经济性评价外，该车的操纵稳定性、平顺性也是他们津津乐道的话题。诸如车辆高速行驶下“发不发飘”、“摆不摆头”、“跑不跑偏”等等。而汽车的行驶平顺性及操稳性的优劣,则取决于汽车的悬架系及轮胎的性能.前悬架的弹性元件性能决定了平顺性,后悬架的弹性元件性能决定了操稳性,有关这方面的详细内容将在后文内详述.13课件内容1.2要求车辆悬架的弹性元件及阻尼元件的参数及结构选择应保证车辆行驶的舒适性(平顺性),行驶的安全性及转向的稳定性.弹性元件、稳定杆、摆臂铰接、减震器及其连结的形式与刚度；桥质量；发动机悬置形式；轴距与轮距；特别是轮胎性能，都直接对车辆的上述性能起着决定作用,因此,汽车悬架系应满足下述要求:14课件内容1.2.1缓解由于路面不平引起的振动和冲击，保证良好的平顺性。1.2.2衰减车身和车桥（或车轮）的振动。1.2.3传递车轮和车身（含车架）之间的各种力（垂直力、纵向力和横力）和力矩（制动力矩和反作用力矩）。1.2.4保证汽车行驶时的操稳性稳定性。譬如软的弹性元件会导致车身侧倾度加大；低刚度和大行程的弹簧是获得优良行驶平顺，降低车身纵向振动和增大车轮与地面附着力及提高行驶安全性的前提。例如，承受Gw=3000N载荷车轮落入深f=80mm的坑中(图1）,假若采用刚度为Cs=10N/mm的软弹簧时，车轮与坑底相接触的一瞬间剩余载荷为：Gw’=Gw-f×Cs=3000-80×10=2200N15课件内容图1-1而当悬架较硬(例如賽车)且Cs=20N/mm时,其剩余载荷仅为1400N。有较高的剩余载荷意味着轮胎与路面之间有良好的附着性。16课件内容同理，当汽车驶过高度为f=40mm路面台阶（图1-2），在不考虑阻尼时采用硬弹簧时，路面通过悬架传给车身的冲击力剧增：△GW=Cs×f=20×40=800N，而采用软弹簧时，该力增加值△GW=Cs×f=10×40=400N，因此车轮载荷变化较小。图1-217课件内容2.汽车悬架技术2.1振动理论基础在深入研究悬架系之前，重温一下机械振动理论是非常必要的（本文不作进一步的振动理论探讨）。振动的三要素是：质量（惯量）、弹簧刚度（角刚度）、阻尼。三者可组成一个动力学系统，了解并掌握它们之间的相互关系后，可事半功倍地去有效地解决产品中的大量质量问题2.1.1振动系统的描述机械振动及噪声现象在人类所从事的各项活动和大自然中无处不在。例如当一辆卡车在你窗前驶过时，玻璃会产生振动并发出声响，汽车运行过程中所产生的各种振动和噪声等等。不是所有的振动和噪声都是有害的，人们可以利用某些振动以改善其生活质量，例如理疗按摩器、音响、汽车的平顺性等。18课件内容在人类科技活动中，往往振动和噪声会作为一种信息传递给人们，以便发现设备故障并予以解决。机械振动的分类有：2.1.1.1．按产生振动的原因来分：◎自由振动：在外力取消后，系统靠弹簧力、惯性力和阻尼力来维持的振动。这种振动靠弹性力、惯性力、阻尼力来维持。振动因阻尼力而衰减，阻尼愈大，衰减愈快。无阻尼自由振动是一种恒幅简谐振动，例如蹦极运动，见图2-1。◎强迫振动：在激振力持续作用下，系统被迫产生振动。该系统与外部激振力的大小、方向和频率有关。在简谐激振力作用下，同时会引起以固有频率为振动频率的自由振动和以干扰频率为振动频率的强迫振动，自由振动部分会很快衰减或消失，只剩下强迫振动部分，即稳态振动响应。例如发动机汽门的强迫振动，见图2-219课件内容图2-1图2-220课件内容◎自激振动：外部能量与系统运动产生耦合后形成震荡激励所产生的振动。当外部能量停止输入时，振动也随之停止,见图2-3。图2-321课件内容某款轿车在紧急制动时，由于后轮采用了非对称式钢板弹簧悬架，轮胎与路面摩擦力的变化促成了自激振动，见图2-4。图2-422课件内容2.1.1.2按振动随时间（时间域）的变化规律来分：◎简谐振动：物体随时间按正弦或余弦函数规律变化的振动。如蒸气火车的曲柄连杆机构,前例所提的蹦极运动。◎非简谐振动：物体随时间按周期性函数规律变化的振动。◎可用谐波分析方法将周期性函数分解成若干个正弦或余弦函数振动之和。例如具有周期性的矩形波（或三角波、锯齿波等）可用富里哀级数展开成许多正弦（或余弦）波叠加起来表示。如汽门凸轮输入的周期性运动。23课件内容◎随机振动：物体的运动规律不具备周期性，而是随机的振动。例如：汽车行驶在不平的路面上，路面给汽车所造成的振动。这种振动只能用数理统计方法来描述系统的运动规律。2.1.1.3按振动系统结构参数来分：◎线性振动：系统的惯性力、阻尼力和弹性恢复力分别与加速度、速度和位移的一次方成正比。系统的惯性力Fa=ma=mdv/dtm质量v=dx/dt速度Fr=Cv系统的阻尼力C阻尼系数Fk=kx系统的弹性恢复力k弹簧刚度x位移24课件内容◎非线性振动：系统的惯性力、阻尼力和弹性恢复力分别与加速度、速度和位移的n次方成正比，系统的固有频率与振幅有关。例如弹簧的刚度曲线A是线性的，B是非线性的（见图2-5）。图2-525课件内容2.1.1.4按振动系统的自由度来分：◎单自由度系统的振动：用一个广义坐标就能确定系统在任意瞬时位置的振动。◎多自由度系统的振动：用两个或两个以上的广义坐标才能确定系统在任意瞬时位置的振动。例如汽车多自由度振动模型见图2-6及图2-7。图2-626课件内容图2-7◎连续系统的振动：需用无穷个广义坐标才能确定系统在任意瞬时位置的振动。例如车身的钣金件结构振动◎28课件内容2.1.2单质量系统的振动线性单自由度系统是最简单、也是最基础的有限自由度集中参数系统。系统的最基本物理参数是：质量m（N），弹簧刚度k（N/m），阻尼c（N.s/m)。系统中的阻尼c是线性粘性阻尼系数，即假设阻尼力与运动速度v成正比，c也称之为粘性阻尼系数。建立系统的运动微分方程按下列步骤进行：1）取隔离体2）受力分析3）运用牛顿第二定律建立运动方程该系统的隔离体和受力分析如图2-9所示，按牛顿第二定律建立运动方程为：Xst为质量m的初始静位移，将坐标原点置于质量块的静平衡位置上，因kxst=mg整理上述方程后得：xcxxkmgxmst)(0kxxcxm29课件内容图2-930课件内容2.1.2.1无阻尼的单质量（单自由度）自由振动m物体质量k弹簧刚度令上述方程中的粘性阻尼系数c=0，系统就变成无阻尼的自由振动（见图10）：其运动微分方程是:可改写为：其中被称为固有圆频率静挠度f该微分方程的解为:x=Asinω0t式中最大振幅A0kxxm0xmkxfgmk2000xx31课件内容图2-10通常用赫兹（Hz）或次/秒来表示振动频率的单位c/s或Hz（赫兹）mkf2120032课件内容当系统参数不变的条件下，固有频率是常数。然而当增加或减小质量m时，固有频率将相应减小或增加；当增加或减小弹簧刚度k时，固有频率将相应增加或减小。2.1.2.2线性单自由度有阻尼系统的振动无阻尼的自由振动是理想状态下的振动模式，在现实生活中，阻尼力无处不在，譬如质量m与空气之间的摩擦阻尼力、与周围环境接触的滑动摩擦力等。因此，研究有阻尼的自由振动更具有现实意义。有阻尼自由振动：可用如下运动微分方程来描述（图11）:将上式改写为;(1)令ω2=k/m；2n=C/m，n=c/2m；定义为相对阻尼系数，它代表系统阻尼大小的一个无量纲的量。0kxxcxm0xmkxmcx0220xxnxccckmcn233课件内容ωd有阻尼自由振动的固有频率ω0无阻尼自由振动的固有频率设线性齐次微分方程（1）的解为：代入（1）式得其特征方程为：由此得方程的解为：……………(2)已知相对阻尼系数当ψ＜1时为小阻尼状态，这时n＜ω0特征方程的根为复数。steAx00)2(0202steAnss02202nss2022,1nnstStSeAeAx2211ccckmcn22202,1njns34课件内容将此复数根代入(2)式中,方程的解则为:由欧拉公式可知:整理后得出:这个解说明：有阻尼自由振动时，质量m以圆频率ωd振动，其振幅按衰减,如图2-11所示。ωd=√（ω02-n2）=ω0√(1-n2/ω02)=ω0√(1-ψ2)…………………………..(3)tnjnttnjnteAeAx22022201ttnjtnetnj220220220sincos）tn（Aet）nbtn（bexntnt22022022201sinsincosnte35课件内容图2-1136课件内容固有圆频率rad/s固有频率c/s或Hz相对阻尼系数ψ值对有阻尼系统的衰减振动有两方面的影响:1)与有阻尼固有频率ωd有关,ψ值增大则ωd减小,换句话说，有阻尼的振动令系统的固有频率降低。当相对阻尼系数等于1时,有阻尼固有频率ωd=0