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汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 1 第 8章 悬架设计 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 2 本 章 重 点 悬 架 的 设 计 要 求 悬 架 的 结 构 形 式 悬 架 主 要 性 能 参 数 的 确 定 独 立 悬 架 导 向 机 构 的 设 计 算 减 振 器 的 参 数 确 定 横 向 稳 定 杆 的 设 计 计 算 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 3 8.1 概述 悬架把车架 (或车身 )与车轴 (或车轮 )弹性地连接起来，传递作用 在车轮和车架 (或车身 )之间的力和力矩；缓和由不平路面传给车架 (或 车身 )的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺 性；保证车轮在路面不平和载荷变化时，具有理想的运动特性；保证汽 车的操纵稳定性。 8.1.1 悬架的设计要求 1. 保证汽车具有良好的行驶平顺性 2. 保证汽车有良好的操纵稳定性 3. 具备良好的传力特性 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 4 8.1 概述 8.1.2 悬架的构成 悬架主要由弹性元件、导向机构和减振器组成。在有些悬架中，还 有缓冲块和横向稳定杆。下面详细分析弹性元件。 弹性元件用来传递垂直力，缓和冲击和振动。弹性元件有多种形式， 如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧及橡胶弹簧等。 弹性元件主要靠材料变形来储存能量。 下表列出了几种弹性元件的单位质量储能量。 弹性元件 单位质量储能量 / Nm/kg 钢板弹簧 76115 圆柱螺旋弹簧 178280 橡胶弹簧 (剪切变形 ) 5081016 空气弹簧 (工作压力 6.0N/mm2) 3.3 105(未计容器质量 ) 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 5 8.2 悬架的结构形式 悬架通常分为独立悬架和非独立悬架两类，各种悬架的结构简图如下： (a) （ b） (c) （ d） 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 6 8.2 悬架的结构形式 (a) （ b） (c) （ d） 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 7 8.3 悬架主要性能参数确定 8.3.1 悬架静挠度和动挠度的选择 1 静挠度 悬架静挠度是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时的悬架刚度 之比，即 。 下表列出了现代车辆常用偏频、静挠度和动挠度值。 cf W /Fc 车型 偏频 n / Hz 静挠度 fc / cm 动挠度 fd / cm 货车 1.52.2 511 69 乘用车 0.91.6 1030 79 大客车 1.31.8 715 58 越野车 1.42.0 613 713 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 8 8.3 悬架主要性能参数确定 8.3.1 悬架静挠度和动挠度的选择 2 动挠度 悬架的动挠度是指从满载平衡位置开始，压缩到结构允许的最大 变形 (通常指缓冲块压缩到 1/2或 2/3自由高度 )时，车轮中心相对车架或 车身的垂直位移。 为了防止在不平路面上行驶时缓冲块经常受到冲击，悬架还必须 具备足够的动挠度。对乘用车，取 79cm；对客车，取 58cm；对货车， 取 69cm。 前、后悬架的动挠度值常按其相应的静挠度值来选取，与车型和 经常使用的路况有关。对于行驶路况较好的乘用车，的取值较小；对 于经常在恶劣路况行驶的越野车，应取值较大。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 9 8.3 悬架主要性能参数确定 8.3.2 悬架的弹性特性 悬架的弹性特性指悬架变形 与所受垂直载荷 之间的关系。 当悬架变形 与所受载荷 成固定比例时，为“线性弹性特性”。 具有线性悬架的汽车，难以获得令人满意的平顺性。线性悬架的弹簧 刚度 是个常数。若选择使得汽车的偏频 在满载情况下满足要求， 则当空载时，偏频 增大，平顺性变差。若悬架刚度 能够随着汽车 的悬挂质量而变化，就可以在满载和空载时都能获得令人满意的平顺 性。悬架刚度 可变的悬架称为非线性悬架。 f f F F c c n n 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 10 8.3 悬架主要性能参数确定 8.3.2 悬架的弹性特性 非线性悬架的弹性特性如下图所示。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 11 8.3 悬架主要性能参数确定 8.3.3 后悬架主、副簧刚度的分配 货车后悬架主、副簧的弹性特性如下图所示。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 12 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 1. 钢板弹簧主要参数和尺寸的确定 理想的多片等应力 钢板弹簧构成如图。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 13 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 2. 钢板弹簧各片长度的确定 确定各片长度可采用展开作图法或计算法。目前，经常采用比较 简便的展开作图法，如图所示。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 14 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 3. 钢板弹簧刚度校核 各片长度和断面尺寸确定以后，需要进行刚度校核。通常采用共 同曲率法或集中载荷法进行刚度校核。 4. 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 15 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 5. 钢板弹簧组装后总成弧高 6. 钢板弹簧强度校核 1) 汽车紧急制动时 2 0 08 LH R 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 16 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 6. 钢板弹簧强度校核 2) 驱动时 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 17 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 6. 钢板弹簧强度校核 3) 钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度计算 卷耳应力为 钢板弹簧销的挤压应力 X 1 X 3 11 3 ( )P D h P b h b h z /( )sP bd 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 18 8.4 弹性元件的计算 8.4.1 钢板弹簧的计算 7. 少片钢板弹簧的结构特点 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 19 8.4 弹性元件的计算 8.4.2 扭杆弹簧的计算 目前在轻型车、微型车以及越野车上都有采用扭杆弹簧悬架的， 在坦克、装甲车辆上则较广泛地采用了扭杆弹簧。其结构如图所示。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 20 8.4 弹性元件的计算 8.4.2 扭杆弹簧的计算 在设计扭杆弹簧时，通常先根据汽 车行驶平顺性要求确定扭杆悬架的平均 刚度 ，再确定扭杆长 和断面面积 等参数。 扭杆弹簧本身的刚度是固定值，但 是由于有导向机构的影响，扭杆弹簧悬 架的刚度是可变的。在单纵臂式独立悬 架中，如果弹性元件用扭杆弹簧，如图 所示 。 pC L A 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 21 8.4 弹性元件的计算 8.4.3 螺旋弹簧的计算 螺旋弹簧常用于独立悬架中，它通 常只能承受垂直载荷。螺旋弹簧的主要 尺寸是平均直径 ，钢丝直径 和工作 圈数 ，如图所示。 设计时先根据行驶平顺性的要求， 确定悬架的静挠度 和动挠度 ，然后 根据导向机构特点选择杆杠比，从而换 算得弹簧的静挠度 和动挠度 ；再进 行设计计算。 D d n cf df csf dsf 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 22 8.4 弹性元件的计算 8.4.4 空气弹簧和油气弹簧的计算 1. 空气弹簧 采用空气弹簧的悬架中也需要导向机构。 (a) 钢板弹簧式 (b) A型架式 (c) 单纵臂式 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 23 8.4 弹性元件的计算 8.4.4 空气弹簧和油气弹簧的计算 根据气囊结构型式不同，空气弹簧可分为囊式、膜式和复合式三 种。囊式又分为单曲式、双曲式和多曲式；与膜式相比，囊式寿命较 长、制造方便，刚度较大，故常用于商用车。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 24 8.4 弹性元件的计算 8.4.4 空气弹簧和油气弹簧的计算 2. 油气弹簧 油气弹簧是空气弹簧的一种特例，它以气体作为弹性元件，在气 体与活塞之间引入油液作为中间介质。油气弹簧的工作缸由气室和浸 在油液中的阻尼阀组成。 油气弹簧有双气室和两级压力式。 油气弹簧与空气弹簧相比，由于前者采用钢筒作为气室，气压可 以比囊式空气弹簧的高 1020倍，通常可达 57MPa，甚至达 20MPa。 因此，其机构体积小，承载能力强，若用于重型自卸车可比钢板弹簧 轻 50%以上。油气弹簧也可以得到较低的固有频率，并且容易实现车 身高度调节，这些优点使其在乘用车上也有应用前景。但是，油气弹 簧的加工、装配及密封性要求高，维修不便。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 25 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.1 独立悬架导向机构的设计要求 1. 对前独立悬架导向机构的要求 (1) 具有恰当的侧倾中心和侧倾轴线。 (2) 当车轮跳动 (悬架压缩 伸张 )时，轮距变化尽量小，以免造成 轮胎早期磨损。 (3) 侧倾中心的位置受轴荷变化影响小。 (4) 当车轮跳动时，前轮定位参数要有合理的变化特性。 (5) 车轮跳动时，产生的纵向加速度尽量小以减少纵向冲击，避 免惯性力矩作用到转向节上。 (6) 转弯时，保证车身侧倾角较小，并使车轮与车身同向倾斜， 以减少过多转向效应。 (7) 制动时，使车身抗“点头”；加速时，抗“后仰”。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 26 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.1 独立悬架导向机构的设计要求 2. 对后独立悬架导向机构的要求 (1) 当车轮跳动时，轮距变化尽量小。 (2) 在转弯时，保证车身侧倾角较小，并使车轮与车身倾斜反向， 减少过多转向效应。 此外，导向机构还应有足够强度，并可靠地传递除垂直力以外的 各种力和力矩。 目前汽车上广泛采用上、下臂不等长的双横臂式独立悬架 (主要 用于前悬架 )和麦弗逊式悬架，在这里主要以此为例来讨论独立悬架 导向机构参数的确定方法。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 27 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.2 独立悬架导向机构的布置参数 1侧倾中心 侧倾中心的位置随导向机构的型式而不同。可用图解法或实验法 求得。如图所示。 (a) 单横臂式 (b) 单纵臂式 (c) 双横臂式 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 28 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.2 独立悬架导向机构的布置参数 1侧倾中心 (d) 双横臂式 (e) 双横臂式 (f) 双纵臂式 (g) 烛式 (h) 麦弗逊式 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 29 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.2 独立悬架导向机构的布置参数 2侧倾轴线 在独立悬架中，前后侧倾中心连线称为侧倾轴线。侧倾轴线应大 致与地面平行，且尽可能离地面高些。 然而，前悬架侧倾中心的高度受到允许轮距变化的限制且几乎不 可能超过 150mm。此外，在前轮驱动的车辆中，由于前桥轴荷大，且 为驱动桥，故应尽可能使前轮轴荷变化小。 设计时，应首先确定 (与轮距变化有关的 )前悬架的侧倾中心高度， 然后确定后悬架的侧倾中心高度。当后悬架采用独立悬架时，其侧倾 中心高度要稍大些。如果用钢板弹簧非独立悬架时，后悬架的侧倾中 心高度要取大些。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 30 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.2 独立悬架导向机构的布置参数 3侧倾角刚度 悬架的侧倾角刚度是指发生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢 复力矩。汽车总体设计中要求：侧向加速度为 0.4g时，商用车车身的 侧倾角不超过 6 7 ，乘用车不超过 2.5 4 。乘坐侧倾角刚度过 小而侧倾角过大的汽车，乘员缺乏舒适感和安全感；而侧倾角刚度过 大，则会减弱驾驶员的路感；如果过大的侧倾角刚度出现在后轴，有 增大后轴车轮间负荷转移、使车辆趋于过多转向的作用。 此外，要求汽车转弯行驶时，在 0.4g的侧向加速度下，前后轮的 侧偏角之差应当在 1 3 范围内。而前、后悬架侧倾角刚度的分配 会影响前、后轮的侧偏角大小，从而影响转向特性，所以，为了保证 汽车的操纵稳定性，设计中应适当分配前、后悬架的侧倾角刚度。对 于乘用车，悬架侧倾角刚度的比值一般为 1.42.6。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 31 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 1前轮定位参数的变化 前轮定位参数随车轮上下跳动的变化特性，通常是指从满载静平 衡位置到车轮跳动 40mm范围内的特性。 a) 主销长度不变且等于 0.6倍下臂长 ； b) 上臂长不变且等于 0.6倍下臂长 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 32 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 1前轮定位参数的变化 表中列出了几种国外乘用车双横臂式独立悬架的一些参数，供设 计时参考。 车牌名称 上臂长 A(mm) 下臂长 r(mm) 球销距 B(mm) A/r A/B 奔驰 600(德 ) 330 479 256 0.702 1.29 伏尔加 (俄 ) 200 445 250 0.45 0.8 雷诺 (法 ) 215 350 200 0.61 1.07 王子 (日 ) 245 305 200 0.8 1.22 雪佛兰 (美 ) 190 330 215 0.6 0.89 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 33 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 2上、下横臂在横向平面内布置方案的确定 如图所示三种布置形式。其中 (a)、 (b)所示情况的上横臂与水平 线倾斜一个角度，且它们的倾斜方向不同； (c)所示情况的上、下横臂 均水平布置。 这三种布置形式所获得的车身侧倾中心的位置不同。应根据对侧 倾中心位置的要求来选择上、下横臂在横向平面内的布置方案。 (a) (b) (c) 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 34 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 3上、下横臂摆动轴线在纵向垂直平面内的布置 (a) (b) (c) (d) 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 35 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 4上、下横臂摆动轴线在水平面内的布置 （ a） (b) (c) 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 36 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 5导向机构的受力分析与强度计算 1) 车轮上只有垂直力作用 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 37 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 5导向机构的受力分析与强度计算 2) 车轮仅受到侧向力作用 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 38 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.3 双横臂悬架导向机构设计 5导向机构的受力分析与强度计算 3) 车轮上仅受纵向力作用 (a) 车轮制动 (b) 传动轴制动 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 39 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.4 麦弗逊式悬架导向机构设计 1导向机构的受力分析 (a) （ b） 麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 40 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.4 麦弗逊式悬架导向机构设计 2横臂轴线布置设计 主销后倾角变化示意图 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 41 8.5 独立悬架导向机构设计 8.5.4 麦弗逊式悬架导向机构设计 3横臂长度的确定 麦弗逊式独立悬架运动特性 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 42 8.6 减振器 8.6.1 减振器主要性能参数的选择 减振器的性能一般用阻力 位移特性和阻力 速度特性来表示。 (a) 阻力 -位移特性 (b) 阻力 -速度特性 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 43 8.6 减振器 8.6.1 减振器主要性能参数的选择 (1) 相对阻尼系数 的选择 若 取值较大，有利于使振动迅速衰减，但会把较大的不平路 面冲击传给车身，降低悬架的缓冲性能；若 值选得过小，振动衰减 慢，共振幅度大。因此，相对阻尼系数 需要在合理的范围内，才能 获得令人满意的行驶平顺性。 为了使减振器的阻尼效果好，又不传递大的冲击力，常使压缩行 程的相对阻尼系数 小于伸张行程时的相对阻尼系数 。 一般取 (0.250.5) 。如 =0，即减振器压缩时无阻尼，只在 伸张行程有阻尼作用，则为单向作用减振器。 0 c c 0 c 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 44 8.6 减振器 8.6.1 减振器主要性能参数的选择 (2) 减振器阻尼系数 的确定 22c m m 2 a 2 2 c o s mi a i 为杠杆比， i n/a； 为减振器安装角。 在悬架中减振器的轴线与垂直线成夹角的情况 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 45 8.6 减振器 8.6.1 减振器主要性能参数的选择 (3) 最大卸荷力 的确定 为减少传到车身的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时， 减振器的卸荷阀便被打开，减振器不再提供阻尼力，以限制减振器所 提供的最大阻尼力。此时的活塞速度称为卸荷速度，即 式中， 为车身振幅，取 40mm； 为卸荷速度，取 0.150.3m/s； 为车身振动偏频。 如果已知伸张行程时的阻尼系数，则最大卸荷力为 0F x cosV An i A xV n 0 0 xFV 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 46 8.6 减振器 8.6.2 减振器主要尺寸的确定 1) 筒式减振器工作缸直径 的确定 式中， 为缸筒直径与连杆直径之比， d/D； 为缸内最大容许压 力，取 34Mpa。 0 2 4 (1 ) FD p 0 0 0 2 2 2 22 2 44 () ( 1 ) 1 4 F F Fp Dd DdD D P D 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 47 8.6 减振器 8.6.2 减振器主要尺寸的确定 2) 贮油筒直径 的确定 一般取 (1.351.5)D。壁厚通常取 2mm。 cD cD 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 48 8.7 横向稳定杆 为了降低偏频和改善行驶平顺性，乘用车悬架的垂直刚度和侧倾角 刚度设计得较低，在转弯时可能产生较大侧倾，影响行驶稳定性。 为同时获得较大的静挠度和侧倾角刚度，在汽车中广泛地采用了横 向稳定杆，如图所示。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 49 8.7 横向稳定杆 (a) 横向稳定杆尺寸示意图 (b) 车轮位移与横向稳定杆位移图 横向稳定杆安装尺寸及位移图如下。 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 50 8.7 横向稳定杆 下图为横向稳定杆半边的弯矩图。在力作用下横向稳定杆发生 弹性变形，作的功与横向稳定杆中总的变形位能相等。 c 1 2 3 42 Ff U U U U 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 51 8.7 横向稳定杆 (1) 段的扭转位能 (2) 段的弯曲位能 (3) 段的弯曲位能 (4) 段的弯曲位能 Tl 1l 0l 2l 2 T 1 p = 4FlU GJ 23 1 2 = 6 FlU EJ 00 222 22 232 3 3 2 0 0 2 ( )( ) 1 = d d ( ) 2 2 1 2 ll F l l xM x F U x x l l lE J E J l E J 2222 2 234 3 3 2 300 ( ) 1 = d ( ) d ( )2 2 6llM x FU x F l x x l l lE J E J E J 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 52 8.7 横向稳定杆 在 作用下横向稳定杆端点的位移为 223 3 2 0T1 c () 2 3 6p l l ll l lfF GJ EJ EJ F 橡胶支座 (轴承 )和连接杆上橡胶垫所产生的位移为 n0 d n n z0 0 n 0 11 CCF F Ff F F C C CC C C C 相应的横向稳定杆的端点位移为 2 cc 00 2 0 0 0 c 0 0 ll FF ff l C l l C l 汽车设计 电子教案 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系 53 习 题 8-1 悬架设计应满足那些要求，在设计中如何满足这些要求？ 8-2 悬架有哪些具体说明类型？如何根据车型选择悬架的结构形式？ 8-3 分析侧倾角刚度对汽车操纵稳定性的影响。 8-4 分析影响选取钢板弹簧的长度、片厚、片宽以及片数的因素。 8-5 独立悬架导向机构的设计要求有哪些？前轮定位参数的变化特性 与导向机构有哪些关系？ 8-6 减振器的主要性能参数有哪些？在设计中如何选取这些参数