汽车悬架设计

第六章悬架设计悬架设计§1概述§2悬架结构形式分析§3悬架主要参数的确定§4弹性元件的计算§5主动与半主动悬架系统§1概述一主要作用传递车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩;缓和、抑制路面对车身的冲击和振动；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。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结构简单制造容易维修方便工作可靠缺点汽车平顺性较差高速行驶时操稳性差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簧下质量小；悬架占用的空间小；可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性；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；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结构复杂成本较高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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1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。悬架双横臂式单横臂式单纵臂式单斜臂式麦弗逊式扭转梁随动臂式侧倾中心高比较低比较高比较低居单横臂和单纵臂之间比较高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车轮外倾角与主销内倾角变化大主销后倾角变化大有变化变化小左、右轮同时跳动时不变轮距变化小，轮胎磨损速度慢变化大，轮胎磨损速度快不变变化不大变化很小不变悬架侧倾角刚度较小，需用横向稳定器较大，可不装横向稳定器较小，需用横向稳定器居单横臂式和单纵臂式之间较大，可不装横向稳定器横向刚度横向刚度大横向刚度小横向刚度较小横向刚度大占用空间尺寸占用较多占用较少几乎不占用高度空间占用的空间小其它结构复杂前悬架用得较多结构简单、成本低，前悬架上用得少结构简单、成本低结构简单、紧凑，轿车上用得较多结构简单，用于发动机前置前轮驱动轿车后悬架三、前、后悬架方案的选择采用的方案前轮和后轮均采用非独立悬架；前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；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，于是内侧悬架受拉伸，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对前轴，这种偏转使汽车不足转向趋势增加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。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。2//smcn四、辅助元件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脂制成，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。§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，车轮中心相对车回（或车身）的垂直位移2)动挠度1、使悬架系统由较低的固有频率汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一因现代汽车的质量分配系数ε近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系式中，c1、c2为前、后悬架的刚度（N/cm）；m1、m2为前、后悬架的簧上质量（kg）。2//2//222111mcnmcn汽车前、后部分的车身的固有频率n1和n2（亦称偏频）可用下式表示2、选择要求及方法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式中，g为重力加速度（g=981cm/s2）。将fc1、fc2代入上式得到2211/5/5ccfnfn希望fc1与fc2要接近，单不能相等（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的匹配要合适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。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。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,根据不同的车在不同路面条件造以运送人为主的轿车对平顺性的要求最高，大客车次之，载货车更次之。对普通级以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求1.00~1.45Hz，后悬架则要求在1.17~1.58Hz。原则上轿车的级别越高，悬架的偏频越小。对高级轿车满载的情况，前悬架偏频要求在0.80~1.15Hz，后悬架则要求在0.98~1.30Hz。货车满载时，前悬架偏频要求在1.50~2.10Hz，而后悬架则要求在1.70~2.17Hz。选定偏频以后，再利用上式即可计算出悬架的静挠度。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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距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大作用在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量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）三、货车后悬的主、副簧的刚度匹配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副簧参加工作前、后的悬架振动频率变化不大确定方法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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）WmaFFcc01/四、悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配重点，结论不好下§6-4弹性元件的计算一、钢板弹簧的计算1、钢板弹簧主要参数的确定1）满载弧高fa满载弧同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fa用来保证汽车具有给定的高度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支挠度值，常fa=10~20mm。2）钢板弹簧长度L的确定钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度：轿车：L=（0.40~0.55）轴距；货车:前悬架：L=（0.26~0.35）轴距；后悬架：L=（0.35~0.45）轴距。注：应尽可能将钢板弹簧取长些的原因增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命降低弹簧刚度，改善汽车平顺性在垂直刚度c给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形3）钢板断面尺寸及片数的确定a.钢板断面宽度b的确定有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需引入挠度增大系数δ加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩J0。对于对称钢板弹簧J0=[（K-ks）3cδ]/48E式中，s为U形螺栓中心距（mm）；k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）；c为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），c=FW/fc；钢板弹簧总截面系数W0用下式计算W0≥[FW（L-ks）]/4[σW]式中，[σW]为许用弯曲应力。对于55SiMnVB或60Si2Mn等材料，表面经喷丸处理后，推荐[σW]在下列范围内选取；前弹簧和平衡悬架弹簧为350-450N/mm2；后副簧为220-250N/mm2。δ为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数n1，再估计一个总片数n0,求得η=n1/m0，然后用δ=1.5/[1.04（1+0.5η）]初定δ）E为材料的弹性模量。将式（6-6）代入下式计算钢板弹簧平均厚度hp有了hp以后，再选钢板弹簧的片宽b。cWpEfksLWJh6][)(/2200片宽b对汽车性能的影响增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦弹簧的总厚推荐片宽与片厚的比值b/hp在6~10范围内选取。b.钢板弹簧片厚h的选择矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩J0用下式计算J0=nbh3/12式中，n为钢板弹簧片数。说明：1、改变片数n、片宽b和片厚h三者之一，都影响到总惯性矩J0的变化；2、总惯性矩J0的改变又会影响到钢板弹簧垂直刚度c的变化，也就是影响汽车的平顺性变化。其中，片厚h变化对钢板弹簧总惯性矩J0影响最大。片厚h选择的要求增加片厚h，可以减少片数n钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况，希望尽可能采用前者但因为