汽车设计和维修人员培训课件悬架导向机构

第十七章悬架导向机构引言设计量产车或赛车的悬架系统需要各方面的科学知识。这个章节只涵盖这些方面中的一个---悬架运动和几何。这个章节不涉及平顺性和部件在载荷下的弯曲变现。这些东西会在第23章中讨论我们讨论的悬架几何指的是广义上的如何把非簧载质量连接在簧载质量。这些连接不仅仅决定它们之间的相对运动还控制它们之间力的传递。任何特定的几何设计都必须是为了配合特定的车型而设计的。不存在最好的几何结构。17.1自由度和运动轨迹对于一个非独立悬架，作为前或后悬架，这个控制臂总成是被用来控制某个车轮相对于车身的运动路径。这个轨迹包括轮胎倾角的增加，主销内倾和束角的变化，这些都按照设计者的要求。但他任然按照一个轨迹上下运动。在工程界，我们可以说车轮有一个固定的相对车身运动的路径。车轮不被不允许在这个轨迹的前后和侧面运动。转向节除了确定的路径不被允许旋转。（当然轮胎被允许绕着轴旋转）悬架连杆被要求在各个方向上将转向节非常准确的定位而允许他上下运动。前悬架只有当转向系统要求时才需要留出转向角度空间对任何相对于别的物体运动的物体，它的运动可以用三个直线自由度和三个旋转自由度完全定义。一个在三维空间的单个的物体可以说有六个自由度。我们在之前说过：任何独立悬架只允许有一个转向节相对车架运动的路径。另一个相同的说法是悬架提供五个方向的自由度限制。它严格控制了在五个方向上的运动。在现实世界中，这种机械装置就限制特定的自由度反面而言是不完美的。所以学习独立悬架几何就是确定如何限制转向节在五个方向上的运动。如果你唯一可以用来设计悬架几何的部件是两头都带球头销的直杆，这个要求的限制可以用五个连杆来完成。换句话说要限制五个自由度需要用正好五根拉压杆来完成。为了理解这个观点要先了解相关部件，我们应该了解什么类型的悬架部件可以提供什么样的约束。通过17.2你可以看到A臂相当于两个直杆外端连在一个球头销上。一个麦克弗森支柱是一个滑竿运动机构，相当于一个无限长的直角滑块的A臂现在，有了这个概念，我们可以看到大多数独立悬架是由5根这样的连杆组成的。这是一个典型的双A臂悬架，有两个A臂和一个拉杆。因此，每个A臂是两个拉杆和一个横拉杆总共五个。一个麦弗逊悬支柱有两个连杆约束，下A臂有两个，横拉杆一个共五个。有些悬架因为杆比较少而不这么明显。不过它们通常的做法是引入一个弯曲要求来达要求的运动约束。一个这方面的例子是前置斜定位臂后悬架。在这种悬架中就有一个臂，他的作用相当于五个直杆，不过为了做到这点，他必须在三个旋转方向上扭转和弯曲比较硬。对于一体式后轴（有时用在前轴），两个车轮是被绑在一起的，所以一个车轮的运动会影响到另一个。当两个车轮连在一起，他们相对于车身有两种不同的运动关系，它们可以一起上下运动（平行运动）或者它可以在相反的方向上运动一个向上一个向下（滚动）。在运动学中这个轴就有两个相对车身运动的自由度。在空间运动运动中有六个自由度，但我们设计一体式悬架时我们要约束其中四个。这可以通过只使用四个拉压杆件来实现。17.2瞬心的定义贯穿这个章节余下内容的瞬心被用来描述和决定一般悬架的参数。为了能够更清楚地讨论关于瞬心的问题。这个“瞬间”的意思是杆系的某个特殊位置。中心指的是假设一个虚拟的点替代这个杆系在这个瞬间的旋转中心。图17.5展示了如两根短杆如何被一根较长的杆代替。当这个杆系运动时，这个中点也在运动。所以合适的几何结构设计不仅仅要让所有瞬心都在所要求的位置上（相对车身高度的方向），而且要控制它的运动速度和悬架运动时他们的运动方向。瞬心是来自于对二维空间的运动学的研究（也就是在一个平面上）。他们是一个方便地建立两个运动件间运动关系的图示法。再悬架设计中它可以方便地把一个三维问题转换成二维问题。我们这里谈论的是正视图和侧视图。我们要做的是做一个通过轮胎中心的垂面(即与地面成90°的面)，一个平行于车辆中心线，另一个与车辆中心线成直角。我们把悬架上所有点都投影到这些面上。当我们来连接球头销和控制臂轴套并将它投影相交在一个面，上下控制臂都做这样一个线，他们通常先交在一点。这个交点就是这个杆系的瞬心。如果你做了这个投影，在正视图瞬心就确定了车轮外倾角变化率，一部分侧倾中心数据（信息），主销运动和决定转向特性所需要的数据。如果你在侧视图上这么做，这个瞬心定义了车轮前后纵向运动的路径，抗点头，抬头的信息和主销后倾变化率。就所有的维物体，可以得到三个正交的视图，因为第三个方向的视图（俯视图）包含的有用轮胎轨迹信息很少。瞬时轴线在正真的三维空间中，瞬心可以用瞬时轴线来代替。如果我们在侧视图和后视图上画出瞬心并把他们连接起来我们就会得到一根线。这根线可以被认为是转向节相对于车身运动的瞬时轴线独立悬架有一个瞬时运动轴线因为他们有五个被限制的自由度，当然，这跟线随着车身高度变化而变化。后轴有两根瞬时轴线，一个是平行的上下运动，一个是转动；这些也是随着车身高度的变化而移动的。所以任何时候我们研究一个特定的悬架系统我们都应该建立瞬心或瞬时轴线。这章剩下的部分将用于讨论典型的前后悬架，和讨论如何调节他们以符合赛车的需要。17.3独立悬架所有的独立悬架都有两个瞬心（随上升和下降变化）这个决定了所设计悬架的性能。侧视图上的瞬心控制着于纵向加速度相关的力和运动因素，同时正视图上的侧倾中心控制着与侧向加速度有关的力和运动因素。正视图悬架几何正视图控制臂的瞬心位置决定了侧倾中心高度，轮胎外倾变化率和轮胎侧向磨损。这个瞬心可以在轮胎的内侧也可以在轮胎的外侧。它可以在地面以上或以下。这个位置取决于设计者对性能的要求。侧倾中心侧倾中心高度是通过投影从车轮接地面中心到正视图瞬心连线建立的如图17.7。在车的每一侧都重复做。这两条线的交点就是这辆车簧载质量相对地面的侧倾中心。它不是必须在车的中心线上，特别是在非对称的悬架几何上或是假设车在转向侧倾时。很明显侧倾中心高于或低于地面是受到瞬心的高度控制的，这其中包括轮胎瞬心的位置，瞬心是在轮胎接地点的内侧还是外侧。既然现在你知道如何找到侧倾中心，那它意味着什么？侧倾中心建立了簧载和非簧载质量的力连接点。当汽车转向时，重心处的离心力由轮胎来抵抗。正如图中的那样作用在重心的侧向力可以被转换到侧倾中心上变成适当的力和力矩。越高的侧倾中心对应更小的侧倾力矩，越低的侧倾中心对应更大的侧倾力矩。你同样会注意到高的侧倾中心使作用在侧倾中心上的侧向里是高于地面的。侧倾力乘以到地面的距离可以被称为非侧倾力矩。所以侧倾中心的高度用来权衡侧倾力矩和非侧倾力矩的效果（具体见18章）上面提到的这些是简单的和直接的。当然另一个建立理想侧倾中心高度的因素是水平和垂直方向的综合作用。如果侧倾中心在地面以上由车轮传来的侧向力会在瞬心产生一个力矩。这个力矩向下压轮胎同时向上抬簧载质量，这被称为千斤顶效应。如果侧倾中心在地面下这些力会向下压簧载质量。无论哪种情况簧载质量都会因为侧向力而产生一个垂直方向的偏移！这点经常出现在摆动桥后悬架的老式车上。另一种分析这个现象的方法如B。这个在轮胎接地点的合力是用图示法画出在瞬心处的合力的反作用力，同时侧向和垂直的分力也被画出，这个画出的垂直分力会举起簧载质量。车轮外倾角变化率轮胎外倾角变化率只与正视图等效摆臂的长度有关然而侧倾中心是正视图等效摆臂的长度和高度决定了侧倾中心。如果你用一根从转向节到瞬心的单独杆来代替悬架控制臂，这个轮胎外倾角的变化率是即车轮每运动一英寸对应的车轮外倾角未arctan(l/fvsalength)。注：这有别于静态车轮外倾设置和定位。正视图悬架几何变化率早先提及的控制臂摆臂的定义和瞬心中瞬间的意思是指在悬架行程的某个位置上。记住这个瞬心是会随着轮胎运动的。它运动的速度多快取决于在正视图和侧视图上控制臂绝对和相对的长度。外倾角变化曲线可以通过选择不同长度的上控制臂来得到随车轮运动或多或少的外倾角变化尽管此时悬架机构的瞬心高度是相同的。这里要做的是保持在同一车身高度的横摆臂长度但它变长或变短会随着车轮的运动或快或慢的变化。磨胎半径另一个可以从正视图上得到的是轮胎拖距离。这是因为轮胎垂直方向上的运动造成的相对于地面侧向运动。磨胎半径在每种悬架系统上都存在。磨胎半径的数值由控制臂的长度和正视图瞬心相对于地面的位置所决定的。当正视图上的瞬心在除了地面外的任何地方上时，磨胎半径是被增加的。如果瞬心在地面以上并在车轮内侧时，轮胎在上跳时会向外运动。如果瞬心是在地面以下并车轮内侧时轮胎上跳时是想内侧运动的。在他运动时这个数值变化多少是由摆臂的长度和摆臂的离地高度有关。高低不平的路上如果有磨胎半径那轮胎的轨迹就不是一条严格的直线。（如图17.11）一定的磨胎半径会使得轮胎产生侧向加速度，当向前加速时会改变轮胎的侧偏角。这就会反过来影响车辆的侧向运动。在相同的侧偏角下垂直运动时会增加粘性阻尼。侧视图摆臂几何侧视图摆臂控制前后方向上的控制运动和力。典型的悬架参数是抗减速前俯(抗点头)，加速抗抬头，抗后悬下沉和轮胎轨迹。侧视图摆臂的位置可以在车轮中心前或后，上或下是所有前后悬架可能用的悬架结构。典型的侧倾中心是前悬架在车轮中心的后上方，但多数后悬架的侧倾中心是在前上方。抵抗能力抵抗能力是悬架上的一个术语，他指的是簧载质量和非簧载质量上垂直力和纵向力的连接。它仅仅和侧视图摆臂的倾斜和角度有关。悬架的抵抗并不会改变在轮胎接地点上的稳态载荷转移。这个在恒定加速度或减速度的情况下的纵向载荷转移只和轴距，质心高度，减速度(weight)x(ax/g)，就像在图17.12中所示的车。这里的轮荷变化悬架抵抗能力的大小不会改变由弹簧和车身姿态决定的载荷分配。图7.12所示的是一辆轮边制动的车，用图示法表示了由抗减速前俯，加速抗后蹲几何结构所产生的反作用力。这个制动力分配（或制动力平衡）决定了纵向合力中一部分力。前面的抗前俯率为：计算算后悬架的抗前俯率时替换成后轮角度和制动分配率。图17.3,17.14和17.15展示的是在其他情况下用适当的角度计算抗前俯率。如果悬架有百分之百的抗前俯率，所有的纵向力转移都必须由控制臂来承担而悬架弹簧一点都不承担，所以当加速或制动时悬架没有运动。如果悬架的抗前俯率是零，那么所有的轴荷转移都是由弹簧的反作用力产生的同时悬架的变形与车轮中心刚度成比例，没有转移的载荷需要悬架控制臂来承担。抗前俯率为零的情况出现在如图所示的θ和φ为零的时候。特殊的悬架产生的驱动和制动力矩会影响到你如何计算悬架的抵抗能力。如果控制臂上产生的反转矩不是由制动产生的就是由驱动产生的，那抵抗效果就是用侧倾中心相对轮胎接地点的位置来计算。如果悬架不因为制动或驱动产生反力矩，只有前后的力（例如中央制动），这个时候的抵抗能力计算就是用瞬心相对于车轮中心的位置来计算前悬架在前制动作用下减小压缩变形的抗点头几何为图17.12和17.13仅仅指前轮驱动车辆的前悬架和为了减小悬架在加速情况下的向下变形（向下变形的定义如图17.1）的悬架抵抗机构（如图17.14）后悬架为了减少在向前行驶制动时后悬架向下行程的机构，轮边制动的情况如图17.12所示，中央制动如图17.13所示。后悬架在向前加速时为减小后悬架压缩行程的防后蹲机构，仅仅针对后轮驱动的车辆（如图17.15）每一种上面提到的类型，它们的抵抗功能被假设为正的，所以在行驶中总是减少整车的倾斜变形。也存在一个种悬架机构可以使得纵向力增加悬架的变形。这个功能叫做增加点头，后蹲或抬头。通常来说这些在赛车中是不受欢迎和避免的。只有在有纵向力时某种抵抗能力才会产生垂直力。因此后轮驱动的车不可能在前悬产生加速抗抬头效果。类似的，四轮驱动的车也不能从侧视图几何结构中得到看后蹲效果。除了实际的侧视图瞬心设计高度外，我们还必须知道这个瞬心是如何随悬架跳动而移动的。对于侧视图摆臂的长度和角度的改变，我们必须清晰的知道多长和抵抗能力的变化趋势。比如说，如果你设计了百分之三十的前抗点头但是发现当悬架上跳0.75英寸是变为了零，那也许就要操心它之前所定的位置了。车轮轨迹车轮中心在侧视图上相对簧载质量的运动轨迹是完全由瞬心的位置决定的。（为了运动学上的完美，但