轿车前悬设计

轿车前悬设计第一章 概述悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传递给车的冲击载荷，减少由此引起的承载系统的振动，确保汽车的平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，确保汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶的能力。悬架由弹性元件、导向机构、减振器、缓冲块和横向稳定器组成。导向机构由导向杆系组成，它决定了车轮相对车架的运动特性，并且传递了除弹性元件传递的垂直力以外的力和力矩。当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。缓冲块的作用是用来减轻车轴对车架的直接冲撞，防止弹性元件产生很大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时的车身侧倾角和横向角振动。对悬架的设计要求有以下几点：（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）汽车制动或加速时能保证车身稳定，减少车身纵倾，即点头或后仰；转弯时车身侧倾角要合适。（5）结构紧凑、占用空间小。（6）可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩。在满足零部件质量小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。（7）有良好的隔音能力。为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能的低。前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还应尽量避免悬架撞击车身。在簧上质量变化时，车身变化要尽可能要小，因此，要采用非线性弹性特性悬架。汽车在不平路面上行驶时，由于悬架具有弹性特性，使汽车产生垂直振动。为了迅速衰减这种振动和防止车身、车轮的共振，减小车轮振动的振幅，悬架应当装有减振器，并具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅持续减小，直至停止。要正确选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动协调，防止前轮摆振；汽车转向时，应使之稍微有不足转向特性。独立悬架导向杆系铰接处多采用橡胶衬套，能隔绝车轮所受来自路面的冲击向车身的传递。近年来，主动悬架的出现不仅能很好地提高汽车行驶能力，而且能更好地保持车厢姿态，减小侧倾、纵倾。第二章 悬架的结构形式分析2.1 非独立悬架和独立悬架汽车的悬架分为非独立悬架和独立悬架两种，非独立悬架的特点是：车轮装在一根车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也随之跳动，使整个车身振动或倾斜；独立悬挂的特点是：车轴是分成两段的，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不随之跳动，两边的车轮可以独立运动，大大提高了汽车的平稳性和舒适性。（如图2.1）图2.1悬架的结构形式简图非独立悬架是以纵置式钢板弹簧为弹性元件兼起导向装置，其主要优点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度变大，所以汽车平顺性变差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴和车身倾斜；当两侧车轮不同时跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振。前轮跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；所以导致汽车高速行驶时操作稳定性差。非独立悬架常用在货车，大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架1。独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接。与非独立悬架相比，独立悬架很少用钢板弹簧作为弹性元件，而多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧作为弹性元件，因而具有导向机构。与非独立悬架相比，独立悬架具有更多优点：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以使用刚度较小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车的行驶平顺性；由于采用的是断开式车轴，降低了发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，提高了汽车行驶的稳定性；左、右车轮各自独立运动，互不干涉，减少了车身的倾斜和振动，同时在不平路面上能够获得良好的地面附着力；独立悬架可以提供多种方案供设计人员挑选，以满足不同的设计要求。独立悬架的缺点是：结构复杂，成本较高，维修困难。独立悬架主要用于乘用车和部分质量较小的商用车上。2.2独立悬架结构形式分析独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转随动臂式等几种类型。对于不同结构形式悬架而言，不仅结构特点不同，而且许多基本特性也大不相同，常从以下几个方面进行评价：1. 车轮定位参数的变化 车轮相对车身上下跳动时，主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束等定位参数会发生变化，若主销后倾角变化较大时，易导致转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化较大时，会影响汽车直线行驶的稳定性，同时也会对轮距的变化和轮胎的磨损速度产生影响。2. 侧倾中心高度 汽车在侧向力的作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对地面的瞬时转动中心，称为侧倾中心。侧倾中心距离地面的高度称为侧倾中心高度。侧倾中心位置越高，它到车身质心的距离就会缩短，可使侧向力臂及侧倾力矩小些，也会减小车身的侧倾角。但是如果侧倾中心过高，就会导致车身倾斜时轮距变化较大，加快轮胎的磨损。3. 悬架侧倾角刚度 当汽车作稳态圆周行驶时，受到侧倾力的作用下，车厢绕侧倾轴线转动，称此转动角度为车厢侧倾角。车厢侧倾角受到侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度的影响，从而影响汽车的操纵稳定性和平顺性。4. 横向刚度 悬架的横向刚度对汽车的操纵稳定性会产生影响，若转向轴上的悬架横向刚度较小，容易导致转向轮发生摆振现象。不同类型的悬架所占用的空间不同，横向尺寸大的悬架会对发动机的布置产生影响，并且加大了发动机从汽车上拆装困难程度。高度尺寸小的悬架，可以使行李箱更加宽敞，底部更加平整，油箱更容易布置。因此，悬架所占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。表2-1分析了不同形式的特点。特性导向机构形式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度比较低比较高比较低居单横臂式和单纵臂式之间比较高比较低车轮相对车身跳动时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，故轮胎磨损速度慢变化大，故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，需要用横向稳定器较大，可不装横向稳定器较小，需要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的空间尺寸占用较多的空间占用较少的空间几乎不占用高度空间占用的空间小其他结构稍复杂，前悬架用的较多结构简单、成本低，前悬架上用得少结构简单、成本低结构简单、紧凑，乘用车上用的较多结构简单，用于发动机前置前轮驱动乘用车的后悬架表2-1不同形式悬架特点2.3辅助元件1. 横向稳定器通过降低悬架垂直刚度c，从而降低了车身振动固有频率n（），达到了提高平顺性的目的。由于悬架的侧倾角刚度和悬架垂直刚度c之间成正比关系，所以垂直刚度c的减小会引起侧倾角刚度的减小，同时增加了车厢侧倾角，从而导致车厢中的乘员感到不舒适和降低了行车安全感。解决这一问题的方法就是安装一个横向稳定器。安装横向稳定器的汽车，就可以在悬架垂直刚度c不增大的情况下增大悬架侧倾角刚度。汽车在转弯行驶时产生的侧倾力矩，使内、外侧车轮的负荷发生转移，从而影响车轮侧偏刚度K和车轮侧偏角变化。前、后轴车轮负荷转移大小，主要受到前、后悬架侧倾角刚度值的影响。当前悬架侧倾角刚度大于后悬架侧倾角刚度时，前轴的负荷转移大于后轴上的负荷转移，并使前轮侧偏角大于后轮侧偏角，保证汽车有不足转向特性。在汽车前悬架上安装横向稳定器，能增大前悬架的侧倾角刚度。2. 缓冲块缓冲块通常由橡胶制造（如图2-2），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, 还有些由多孔聚氨脂制成（如图2-3） ，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1。 图2-2橡胶缓冲块图2-3由多空聚氨酯制成的辅助弹性元件形状第3章 悬架主要参数的确定3.1悬架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悬架刚度之比，即。汽车前、后悬架与其簧上质量构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。因为现代汽车的质量分配系数近似等于1，所以汽车前、后轴上方车身两点的振动不相互影响。因此，汽车前部分车身的固有频率可用下式表示 （3-1）式中，为前悬架的刚度（）；为前悬架的簧上质量（kg）。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式中，g为重力加速度，。将代入式（3-1）得到 （3-2）分析（3-2）可得：悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频n。因此，要保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静挠度。用途不同的汽车，对平顺性的要求也会不相同。乘用车对平顺性的要求最高，客车次之，货车更次之。对发动机排量在1.6L以下的乘用车，前悬架满载偏频要求在1.00-1.45Hz，后悬架则要求在1.17-1.58Hz。原则上，乘用车的发动机排量越大，悬架的偏频应越小，要求满载前悬架偏频在0.80-2.10Hz，后悬架则要求在0.98-1.30Hz。在此选择前悬架满载偏频为1.1Hz。3.2悬架的动挠度悬架的动挠度：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，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。为了防止汽车行驶在坏路面上时经常碰撞缓冲块，要求悬架要有足够大的动挠度。对乘用车，取79cm; 对客车，取58cm；对货车，取69cm。这里取=8cm.3.3悬架弹性特性悬架受到的垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移f(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。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，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。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，弹性特性如图3-1所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置(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。这样可在有限的动挠度范围内，得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动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。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架二轿车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的，而带有副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧等，均为刚度可变的非线性弹性特性悬架。图3-1弹簧弹性特性曲线第4章 弹性元件的计算4.1螺旋弹簧螺旋弹簧作为弹性元件，其广泛应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架。然而，在有些轿车的后轮非独立悬架中，其弹性元件也采用螺旋弹簧。螺旋弹簧和钢板弹簧相比较具有以下优点：无需润滑，不忌泥垢；它需要的纵向安装空间不大；并且弹簧质量小。螺旋弹簧本身没有减振作用，因此在螺旋弹簧悬架中必须另装减振器。此外，螺旋弹簧只能承受垂直载荷，故必须安装导向机构以传递垂直力以外的各种力和力矩。螺旋弹簧由弹簧钢棒卷制而成，可做成等螺距或变螺距。等螺距螺旋弹簧刚度不变，变螺距螺旋弹簧刚度是可变的。在此选择等螺距螺旋弹簧。4.2螺旋弹簧材料的选择为了使弹簧能够可靠的工作，弹簧的材料必须具有足够高的弹性极限和疲劳极限，并且还应具有足够的韧性和塑性，以及良好的热处理性。在此初选弹簧材料为60Si2MnA。4.3弹簧参数的选择一般对汽车来说，它的悬挂质量分配系数，在这取，即前后桥上方车身部分的集中质量的垂直振动是相互独立的。并用偏频来表示各自的振动频率。偏频越小，汽车平顺性越好。由公式推出式中 -汽车前悬架刚度（） -汽车前悬架簧上质量（kg） N-汽车前悬架偏频（Hz）4.4计算空载刚度4.5计算满载刚度4.6计算弹簧钢丝直径4.7螺旋弹簧校核第5章 导向机构的设计5.1设计要求对前轮独立悬架导向机构的要求是：（1） 悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。（2） 悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度。（3） 汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在0.4g侧倾加速度作用下，车身侧倾角要67，并使车轮与车身的侧倾同向，增强不足转向特性。（4） 加速时，应使车身具有抗后仰作用；制动时，应使车身具有抗前俯作用。对后轮独立悬架导向机构的要求是：（1） 悬架上载荷变化时，轮距无显著变化。（2） 汽车转弯行驶时，应使汽车车身侧倾角小，并使车轮与车身的倾斜反向，以减小过多转向特性。此外，导向机构还应有足够大的强度，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。下面以麦弗逊式为例，讨论独立悬架导向机构参数的选择方法，分析导向机构参数对前轮定位参数和轮距的变化。5.2导向机构的布置参数1. 侧倾中心2. 侧倾轴线3. 纵倾中心4.第6章 减振器第7章 悬架的结构元件