悬架设计理论

1郭孔辉雷雨成2004年6月汽车悬架设计理论与相关技术21、车轮定位2、悬架的运动学、车身的侧倾与纵倾3、轮荷转移4、侧倾转向5、侧向力转向6、纵向力转向7、轮胎特性与稳态转向特性8、汽车操纵的瞬态响应目录3kdkx(外张）gyF(外向)ggzMkxD1.1.车轮定位参数车轮前束toe车轮外倾主销后倾主销内倾主销纵偏距主销侧偏距主销拖距轴距l轮距B主销地面侧偏距kbg1、车轮定位kxDxyDkkyDryFkbgkxr41.2、车轮外倾与轮胎侧倾特性外倾因载荷、制动与跳动而改变轮胎侧倾特性：侧向力与反回正力矩外倾原因:“传统”,间隙，弹性，路拱1.3、前束与轮胎侧偏特性前束原因:平衡外倾载荷变化与车轮跳动时前束的变化干涉转向干涉转向的合理值滚动阻力要求适当增大前束，制动时车轮前张()0r5主销拖距高速回正原理载荷变化（制动）与车轮跳动的变化主销拖距与撒手稳定性与前轮摆振xkktanRD+=x1.5、主销内倾与侧偏距低速回正性作用的消失重力弹簧回正力距与还是成比例？计算方法121yyGRgVGgaF==kkxkxrxyDk1.4、主销后倾与纵偏距kyDryFkbg6高速回正原理定位参数必须足以克服干摩擦(残余横摆角速度与转向盘转角）转向逆效率要低吗？NO减小转向系干磨擦，减小定位角，加转向阻尼器是近代趋势减小（地面主销侧偏距）的意义和“负偏距”的优点盘式制动的必要性-地面负偏移距趋势小的主销后倾角，大的内倾角r1.6、主销定位参数的选择与近代趋势72.1车身稳态位移的一般分析•车身受有三种力（达朗贝尔概念）1.重心处的重力与惯性力2.导向杆系的导向力3.弹性元件的弹簧力gMMg3NP2P11N2NMgMgNyeN1N22、悬架的运动学8•等效系统,将弹簧力简化到车轮接地点(杠杆比为1)处,目的:━便于确定有效导向力的方向与大小━初始弹簧力与重力抵消━便于由弹簧变形和轮距(轴距)来确定车身位移MgMgNye9•弹簧力的确定三种力相平衡弹簧力必等于惯性力与导向力的总和对于等效系统确定了导向力就等于确定了弹簧力确定了弹簧力就等于确定了车身倾角（如果有横向稳定杆要考虑之）•导向力的分解与“力矩中心”导向力合力未必水平在“中性面”处分解的意义：车身的垂向平动与转动S2S2MgMgNyeS1S1N2N110•“纵倾中性面”的确定•车身位移其中：Lkkka2121+==CMki/NZz=e.mge.MgM+=222111bKaKC+=中性面MgMghNZNN1K2K1a2a112.2、车身侧倾通常对称面就是中性面由单侧导向力方向可确定(整车)外加轮胎变形若有横向稳定杆要考虑之或设计之1Mge/CMgeCeyM0yey0yy0yy==0yeMgMgNyeS1S1N2N1S2S2c悬上质心0yeh2h1ab1c2c12大侧倾角下力矩中心的变化Z2N2S2Z1S1N1NN2cyeMgN1132.3、侧倾性能小结yy0yy0yyMgeCeyM=yC=）(B.2k）（B.2ky2e2eeC独立悬架非独立悬架ye降低的途径：降低重心，提高侧倾力矩中心提高侧倾力矩中心的限制ye取决于与sBeBsBeB142.4、其它导向机构(侧倾)━等效单横臂概念“郭孔辉刚化定理”cYZP对称面双横臂15对称面cYZP麦弗逊悬架侧倾中心16斜置单臂俯视（等效）YZr俯视yUxU侧视（等效）YZrXZr后视xUYZrXZryU17复合式悬架侧倾中心如果扭杆梁靠近前铰点独立性好，但侧倾中心低18非独立悬架侧倾中心192.5、车身纵倾中性面N1N1N2X2X2Z2N2N1Z1X2xe212kkk+xxxxMgeCe.xM=N202.6、其它导向机构━郭孔辉等效纵臂理论xUxZPxUxZP212.7、钣簧的导向作用侧向反力作用线取决于吊耳、卷耳的刚性与弧高一般在卷耳平均高度点与第一片中点之间，更靠近卷耳高度，作为横向侧倾中心纵向等效单臂，由车轮接地点运动学确定。Nye2rh=L43=r22侧倾轴的倾角━前低后高是因为前面是双横臂后面非独立━尽可能提高侧倾中心232.8、结构比较与案例分析独立悬架与非独立悬架的特点━侧倾力矩中心的高度:多数非独立悬架和横单臂独立悬架都较高,其它独立悬架(双横臂,纵单臂,纵双臂等）较低━有效弹簧距,独立悬架的有效弹簧距等于轮距,非独立悬架通常较小,特殊布置可以不同eBeBsBeB24Benz─600前悬架━上下跳动时主肖后倾角都会增大━具有明显的“抗点头角”━可安排所需要的侧倾力矩中心高度（前轮与车身纵向的相对瞬心）2XZp1XZp2XZpk1YZp2YZp1YZp1XZp1r2r1XZp22YZp2YZP1YZP1225“半独立”纵单臂后悬架━侧倾时横梁中点是一个“不动点”,因此可看成一种“斜置单臂”却只有一个铰点━横梁前移“臂长”增大,移至铰点处独纵单臂。移至轮轴线臂长为半轮距（非独立悬架）从1/1独立悬架~0.5/1~0/1悬架（非独立悬架）26三杆式前悬架27空间四杆式后悬架28━虚擬主肖:上两杆与下两杆交点尽量接近车轮中心面━纵向瞬心与横向瞬心位置可以任意选择━可以满足,引起的弹性转向要求多杆悬架━满足多种要求xFyFxZPYZPYZP1Y2Y虚擬主肖29菱帅汽车后四杆悬架30菱帅汽车四杆式后悬架—高不足转向的随动转向性能2YZP1YZP122YZP1YZP12hw中性面纵倾中心侧倾中心虚拟主销后拖距虚拟主销313、轮荷转移分析3.1、纵向轴荷转移高速时要考虑空气阻力PZ2PX1PX2PZ1Mg在坡道上的轴荷转移在驱动与制动时的轴荷转移Mg32侧向轮荷转移的主要组成（时）━弹簧力转移（静不定问题弹簧力转移取决于弹簧刚度分配,由弹簧变形计算）━导向力转移（由作用在力矩中心处的侧向力计算）在同时存在与时，轮荷应叠加当增大时大的轴,轮荷转移加剧,会导致侧偏角急剧增大0X=XYyeY3.2、侧向轮荷转移334、侧倾转向4.1、非独立悬架的侧倾转向钣簧的侧倾转向非独立悬架纵向单臂非独立四连杆悬架━求轮心轨迹和三杆机构需求三点座标CA，Bd2r43x34独立纵单臂━水平轴前后移动不产生转角━非水平轴“八”字轴的不足转向性横向单臂和斜单臂独立悬架━侧倾转向性、等效臂长━铰轴的垂直分量前独立悬架与转向杆系的干涉转向多杆机构的杆涉转向等效简化原理4.2、独立悬架的侧倾转向等效系统xZ35转向系弹性引起的附加转角导向系弹性引起的附加转向独立纵臂与斜单臂后悬架的侧向力转向倾向侧向力导致轮胎侧倾yFsykxaC/)FD(x+=dyFzF5、侧向力转向xDkxanddd+=Fy2Fy136随动转向后悬架—逆向弹性转向桑塔那的后悬架富康的随动转向后悬架yFyF37刹车转舵问题:r太大盘式制动的优点纵向力引起车轮侧倾ABS引起的转向扰动DYC引起的转向扰动多杆悬架制动时的板簧卷曲6、纵向力转向ρ0ρ38制动时的板簧卷曲造成制动转向6、纵向力转向39━加大前拉杆的柔性,使后轮在侧向力作用下产生向内转向角━通过弹性转角来抵消侧偏角,以提高后轮有效侧偏刚度━可以设计虚擬主肖位置,引起适当的弹性转向以增进制动稳定性多杆随动转向后悬架xFyFxZPV虚擬主肖.407、轮胎特性与稳态转向特性*ya1da)(d.LvGy2120dd=kVy212cda)(d/Lvdd=L121dd2VR1ded21ddya中性转向点1d2d'1d临界车速开环增益时不稳定:-yayaU.Sy21add2V过度转向区41影响稳态转向特性的因素轮胎特性与稳态转向特性稳态转向特性转折的原因1r1c112r2c22dddddd++=++=–侧倾刚度比–侧倾力矩中心高度–随的而–轮胎侧偏特性的饱和–驱动力对饱和的影响–制动力分配x2121De/eC/C1cd1yF2yF1ZF1d12d2d2211d1rdy2r2cdd+2ZF42改善稳态转向特性的措施轮胎特性与稳态转向特性–前置横向稳定器–后非独立悬架Bs2–后非独立悬架板簧下置–后板簧前低后高–后非独立中心弹簧–老Benz的后悬架：h2,中心弹簧43–“随动转向”–后悬架的反稳定杆轮胎特性与稳态转向特性44v8、汽车操纵动态响应的基本分析二自由度角输入运动（线性模型）运动模型与座标dtdvYb+=XYZ固定于汽车重心)r(+b侧偏角：rvbrva21b=dd+b=d2vv2yPb绝对座标d1y1yP2dLba1dYXvxv45二自由度角输入运动微分方程、传递函数其中拉氏变换得传递函数1y2yZaPbPrI+=)rv(KKP1111yd+b=d=221rrSTST1S1G)s(r+++=d221STST1S1G)s(+++=dbbb)Kv1(CCC)b(C)b(LvT221211++++=)Kv1(CCvT22122+=22vbCvb=b2rC/v=)Kv1(LC/vbG222+=b)Kv1(LvG2r+=222111m/KC,m/KC==)C1C1(L1K21=)PP()r(mv1y2y+=+b)vb(KKP2222yb=d=461)(Rew)(w相位s/m10=s/m10=rG/)j(rwdd/r)RI(tem1g=)(Imww2m2erIRG+=20406080s/m40=vs/m40=)s/rad(w频率特性：传递函数中令S＝jω,其实部与虚部均为的函数，二自由度角输入运动即实频特性与虚频特性：幅频特性：宽平为优相频特性：以小为优频率特性：—低速：增益平坦相位滞后—高速：增益高峰低度频超前高频滞后246810121416vvvv47A0T,0T21K1c=n\05.oeTT与ee05.0T320ln.TT==eTtAe二自由度角输入运动角输入运动特征稳定条件：传递函数分母为特征函数，根的实部不大于0的条件为：名义自然频率过渡时间,即)Kv1(ccT122122+==w1STST)s(D122++=21212eccv2)/ba(c)/ab(cvL2TT2T++++==0Kv12+48反应速度与反应时间相对阻尼系数t当二自由度角输入运动n++++==/cc)K1(2)/ba(c)/ab(cT2T21221211)c1c1(L1K,)K1(1212=n+2121cc2cc+得r2sr0tsfssrr0s0tT)0(rG)t(rrTTGs)s(r.lim)t(r=d==d=ddd===时，sg)t(gfT49