悬架系统设计

汽车悬架系统设计汽车悬架系统设计汽车悬架的主要功用 汽车悬架是将车架（或车身）与车轴（或直接与车轮）弹性联接的部件。其主要功用如下：（1）缓和，抑制由于不平路面所引起的振动或冲击以保证汽车具有良好的平顺性。（2）迅速衰减车身和车桥（或车轮）的振动。（3）传递作用在车轮和车架（车身）之间的各种力（垂直力，纵向力，横向力）和力矩（制动力矩和反作用力矩）。（4）保证汽车行驶所必要的稳定性。 悬架设计的基本概念悬架设计的矛盾 悬架是研究悬架系统的振动特性，讨论悬架设计对平顺性，稳定性和通过性等性能的影响，从而做出妥善设计。柔与刚悬架的发展趋势是弹簧越来越软（既由刚变柔）。减振与激振悬架特性与路面特性坚固与笨重汽车悬架应该满：1.在所有载荷范围内自振频率尽可能不变。2.悬架发生碰撞前的动行程不超过一定值（悬架的变刚性）。3.发生的振动能迅速衰减。4.在侧向力的作用下悬架质量的侧向力较小。5.汽车具有某种程度的不足转向。6.悬架质量在制动时有抗“点头”作用和在加速时有抗“仰头”作用。 汽车对悬架的一般要求 悬架的分类独立悬架：双横臂独立悬架（麦弗逊独立悬架），多联杆独立悬架，斜置拖曳臂独立悬架，纵臂式独立悬架等非独立悬架：采用螺旋弹簧：拖曳臂式，扭转梁式采用钢板弹簧至于独立悬架和非独立悬架的优缺点在此不多说明，钢板弹簧作为非独立悬架的最常用结构将在以后讲解。 对前后轮独立悬架的要求前独立悬架：1.在负荷变化时，不致引起轮距的的显著变化，而轮距的变化乃是轮胎磨损的原因。2.在负荷变化时，不使主销后倾发生显著的变化，而后倾角的变化影响行使平顺性和车轮的变化。3.在负荷变化时，不引起主销内倾角发生显著而急剧的变化，而内倾角的变化影响车轮的稳定与旋转平面的位置。4.在负荷变化时，车轮不产生很大的纵向加速度，当汽车在不平路面行使时，纵向加速度导致纵向冲击，而且所发生的力距作用到转向节上，是方向盘上的力距急剧改变。5.侧倾时，保证车轮与悬架质量的倾斜相同，从而增大不足转向效应。后独立悬架：1.在负荷变化时，不致引起轮距的的显著变化，而轮距的变化乃是轮胎磨损的原因及汽车在不平路面上行使时产生横向冲击的原因。2.侧倾时，保证车轮与悬架质量的倾斜反向，从而减小后轮的偏离角和增强不足转向效应。悬架系统的预布置1.悬架结构的选用和布置首先考虑今后对四驱布置的影响。通常可采用纵臂结构或多联杆结构，但如果后轴采用扭转梁结构，则今后不能布置后驱结构。2.在设计悬架时，轮边跳动按上下各跳动100 mm考虑。（M11前悬架总行程为150 mm，后悬架总行程为180 mm。）如果行程分配不合理，有可能引起过渡转向。3.同时需要考虑传动轴夹角。（发动机的布置位子）4.对于导向干系的设计和布置，通常希望竟量的设计的长一些，且设计状态竟量的水平布置。5.对于轮胎承受侧向力而影响整车的转向情况来说，选者悬架的形式就很重要。例如：斜置拖曳臂的悬架就没有带横向推力杆的拖曳臂悬架好（S11后悬架）。6.对于采用宽轮胎的汽车，在设计前悬架的车轮外倾时通常将外倾角设计为0，以便充分发挥轮胎的接地面积，提高整车性能。在车坐2-3人时轿车的前轮通常设计的具有微小的正外倾角，以便轮胎尽可能垂直于稍有拱形的路面滚动，并使磨损均匀和滚动阻力小。理想的值为=5-10即约为0.1，公差通常为30。在采用独立悬架和复合式后悬架中，为提高轮胎的侧偏性能，车轮的外倾角常设计成负值。如果汽车仅有一个很小的车轮上跳行程，即车身外侧的下沉量小于车身内侧的抬起量，内侧轮胎载和加剧，从而使质心从w点移动到w点上质心高为 Hw，结果出现临界的难以控制的过渡转向(后悬架尤为明显)。WWFHwHw7. 注意整车姿态，悬架决定整车资态，同时又与造型紧密相连，一但造型确定再更改悬架行程就十分困难。8. 一般K和W的取值为越野车取较小值，一般车取中间值，豪华车取较大值。 K-前悬架轮心与轮罩的距离； W-后悬架轮心与轮罩的距离； 为了确保所期望的行使特性和直线行驶能力及避免轮胎的过渡磨损，我们首先要确定前桥的定位参数。轮距变化的缺点是会引起滚动轮胎的侧偏，在独立悬架中，汽车行驶过不平路面时车轮的上下跳动引起轮距的变化使轮胎产生侧偏角，从而产生侧向力，较大的滚动阻力和使直线行驶能力下降。在所有的独立悬架中，极点P的位置确定了瞬时轮距的变化+-b前后悬架布置时轮心与轮罩一般来说，运动感强的车该值就会取较大的正值，越野车一般采用的是较小值或负值。常规车辆的取值范围是2030。 车车 轮轮 行行 程程乘 坐 舒 适 性方方 向向 盘盘 转转 角角最 小 转 弯 半 径操 稳操 纵 感 觉1) 定义转向系统的几何尺寸定义转向系统的几何尺寸前悬架各控制点的确定前悬架各控制点的确定 在转向系统的设计过程中，首先要确定转向梯形，以保证车轮能绕一个转向中心在不同的圆周上作无滑动的纯滚动。对轿车来说，通常采用断开式转向梯型机构，有时为了提高车辆的灵活性，减小转弯半径而改变转向梯型。采用齿轮齿条式转向器时，转向横拉杆内端接头T的运动轨迹与地面平行，相反外接头U的运动轨迹是一条圆弧线，当没有主销后倾时，U点的运动轨迹于转向节轴线EG垂直。底盘的设计首先要确定（与轮距的变化有关）前悬架的侧倾中心高度，以便随后确定相应的后桥侧倾中心高度。前悬架侧倾中心高度在：0120mm，后悬架侧倾中心高度在：80 150mm。悬架侧倾中心高度的方法转向轴线转向轴线ZYD采用齿轮齿条式转向器时，转向横拉杆内端接头T的运动轨迹与地面平行，相反外接头U的运动轨迹是一条圆弧线，当没有主销后倾时，U点的运动轨迹与转向节轴线EG垂直。转向机转向机q q o整车转向几何尺寸：定义转向半径，转向角和阿克曼角整车转向几何尺寸：定义转向半径，转向角和阿克曼角阿克曼角：阿克曼角：Ctg1- Ctg 2 = q/p为了提高车辆的灵活性，减小转为了提高车辆的灵活性，减小转弯半径而改变转向梯型弯半径而改变转向梯型阿克曼偏差t t t t t t t t t t t t p pt t t t t t t t t t t t p pq1 12 2修改以达到不同的方向盘转角修改以达到不同的方向盘转角轿车转向系统角传动比一般为轿车转向系统角传动比一般为15-17在作加长车时要考虑这个值阿克曼偏差 (o)方向盘转角 (o)AB某些参考车型前轴的阿克曼角实例某些参考车型前轴的阿克曼角实例0510152025-400-300-200-1000100200300400方向盘转角和转向角的关系方向盘转角和转向角的关系方向盘转角方向盘转角 (o) 车轮转角车轮转角 (o)2) 定义主销的几何尺寸定义主销的几何尺寸包括：主销后倾，主销内倾，主销后倾拖距，主销偏置距等 根据经验选取起始点根据经验选取起始点Outer w. 方向盘转角 (o) Inner w.主销后倾角 (o) 主销后倾角定义主销后倾角定义主销后倾角主销后倾角影响：主销后倾角影响：转向时车轮外倾角的变化主销拖距车轮上下跳动过程中的前束变化不平路面上的制动性能定义主销内倾角定义主销内倾角主销内倾角影响：主销内倾角影响：在前驱车型中通常在1214 转向回正力距 制动时方向盘上的力 Outer w. 方向盘转角 (o) Inner w.转向变化车轮跳动变化主销内倾角主销内倾角 (o)Geometrical trial (mm)定义拖距的尺寸定义拖距的尺寸主销后倾拖距主销后倾拖距的影响：的影响：直线行使时的方向稳定性 提供方向盘的横向路感 Outer w. Steering wheel angle (o) Inner w.Variation in steeringVariation in wheel travel主销后倾拖距主销偏置距 (mm)R.I. Angolo volante(o) R.E.定义主销偏置距的大小定义主销偏置距的大小主销偏置距影响：主销偏置距影响：转向回正力距的大小，主销主销偏置距越大，回正转向回正力距的大小，主销主销偏置距越大，回正力距也越大。力距也越大。 转弯制动时方向盘力矩的大小转弯制动时方向盘力矩的大小 主销偏置距通常取主销偏置距通常取1830mm轮胎的根换对主销偏置距也有影响轮胎的根换对主销偏置距也有影响所有的德国车均采用了负的主销偏置距所有的德国车均采用了负的主销偏置距 Variation in steeringOuter w. 方向盘转角 (o) Inner w.Braccio trasversale a centro ruota (mm)R.I. Angolo volante (o) R.E.AB定义车轮中心处的主销偏置距定义车轮中心处的主销偏置距车轮中心处的主销偏置距影响：车轮中心处的主销偏置距影响： 驱动时的方向盘回正性驱动时的方向盘回正性当车辆通过障碍物的影响当车辆通过障碍物的影响 由于轮胎受力不均引起的方向盘的摆动由于轮胎受力不均引起的方向盘的摆动定义车轮中心处的主销偏置距定义车轮中心处的主销偏置距3) 定义悬架的几何尺寸定义悬架的几何尺寸 根据经验选取起始点根据经验选取起始点副车架边缘副车架边缘制动盘边制动盘边缘缘ABDiskRimABM familyWheel轮胎轮胎: 225/55R17转角转角:外侧转角大约外侧转角大约30deg ，内侧转内侧转角大约角大约 35-36deg 考虑轮胎包络线考虑轮胎包络线: 悬架的参考悬架的参考基准基准 Steering axisA确定悬架边界条件和设计硬点确定悬架边界条件和设计硬点主销已经确定收集几何约束定义主销上的A点，A点在轮辋和等速万向节中间， 位置越低越好定义主销上的B点，尽可能低的位置但是要考虑： -轮胎上跳下跳目标 -支撑的功能性CBAZX减振器轴线于主销轴线重合减振器轴线于主销轴线重合在在X-Z平面内定义减震器平面内定义减震器在麦弗逊悬架中通常于主销重合，这是最简单和最有效的解决方案。CBA减振器轴线减振器轴线转向轴线转向轴线ZYDEXYZAF下摆臂旋转轴线下摆臂旋转轴线D在在Y-Z平面内定义减震器平面内定义减震器根据轮胎尺寸定义C点（需要的话要考虑防滑链）D点是控制臂旋转轴线和通过A点的Y-Z平面的交点。A, B, D点的相互位置决定了轮胎上下跳过程中的轮距的变化和外倾角的回正性CBAZYD与转动中心相关与转动中心相关与轮胎尺寸相关与轮胎尺寸相关与动力总成边界相关与动力总成边界相关车轮行程车轮外倾与车轮行程的关系车轮外倾与车轮行程的关系得到足够的轮胎上下跳过程中外倾角的回正性这可以通过将B点向内移，或抬高D点或向外移动A点，但是所有这些都要同悬架的其他特性综合考虑。车轮外倾角 (o)CBAZX转向轴线与减振器轴线转向轴线与减振器轴线Arm 悬悬 转转 轴轴AYXEFFE下摆臂旋转轴线下摆臂旋转轴线定义控制臂旋转轴线的倾角和定义控制臂旋转轴线的倾角和E，F点的位置点的位置根据抗点头角定义控制臂旋转轴线：如果增加在X-Z平面内的倾角（即E点比F点低），抗点头能力就能提高。（参考汽车的纵向角振动）Tie rodAIHEFYXAIHEAF定义转向系统几何尺寸的所有点定义转向系统几何尺寸的所有点定义H点根据：阿克曼角和相应的几何约束，同时考虑转向力距的影响。定义I点的位置要将轮胎上下跳过程中的前束变化最小化IHEAFIHEAF根据杆系几何运动关系确定根据杆系几何运动关系确定I点点将I点放在轮胎上下跳过程中H点所形成的圆弧的中心为确定转向横拉杆的长度和位置需要知道的距离和动点。转向横拉杆的位置可通过HR的连线给出（图中还绘出了侧倾中心）。如果侧倾中心位置选定的较好可使轮距变化为。侧倾中心下摆臂的常用布置形式和连接点的横向受力情况行使方向下摆臂的布置形式不同状态下的受力情况悬架的纵向稳定性悬架的纵向稳定性 所谓的悬挂纵向稳定性是指汽车在制动和驱动时，悬挂系统抵抗车身发生纵向倾斜的能力。悬挂的纵向刚度取决于前后悬架的静挠度和轴距，主要跟据平顺性和总布置的要求来确定。对独立悬架来说，使中心位置高于驱动桥车轮中心是非常重要的。BAFEez FgzFe-Fez-FexFg-Fgz-FgxFbFa行驶方向如图中右边的静力分析表明，由于车轮中心处移出的垂直位移于转向轴的制动力b在横臂上引起的反力Fex和Fgx，它们（由于横臂斜置）又引起垂直方向分力 Fez= Fex *tan和Fgz = Fgx *tan 。在同一方向的合力必须为,即Fez和Fgz抵消车头下沉。BAFEez FgzFe-Fez-FexFg-Fgz-FgxFbFa行驶方向麦弗逊前悬架纵倾中心的确定整车纵倾中心（前麦弗逊，后多联杆）回正力距回正力距轮胎接地面轮胎痕迹对轮胎痕迹的回正力距纵向载荷（通过障碍）横向载荷行使方向仅承受横向载荷不产生前束变化的子午线轮胎纵向刚度的克服仅承受纵向载荷为缓和刚丝子午线胎的纵向刚度，BMW 3系列车型在前悬架上设计了一根镰刀形的摆臂。该摆臂在纵向力的作用下绕只有少许变形的球胶D转动并通过动臂4用大橡胶支座支撑在车身上。该支座的侧向具有起始软，随即急剧递增变化的弹性。转向横拉杆7位于横臂相应的高度上，且几乎与支座连线GD平行，应此点U和G的运动圆弧半径差不多相等，车轮的纵向运动不会引起前束的变化。转向布置型式转向布置型式 hydraulic EPS on column EPS on pinion EPS on rackHYDRAULICEPS ON COLUMNEPS ON PINIONEPS ON RACK悬架的内部安装结构橡胶衬套三方向的曲线以麦弗逊悬架为例以麦弗逊悬架为例 Static Toe angle-0.1 to -0.3degNominal Toe angleStatic Camber angle-0.5 to -0.8degNominal Camber angleStatic Weight at designkgWheel Rate groundmm/kNSteering ratio15 to 17Caster angle3.5 to 4.0degCaster angle relative to groundSpindle Offset ( WC)0 to 1.0mmLongitudinal distance between kingpin axis and wheel centre at wheel centre height in xz-planeCaster Trail ( Tire Contact Patch)16 to 25mmLongitudinal distance between steering axle and wheel center at groundKPIdegKingpin axis angle in yz-plane with respect to vertical.IO - Kingpin Offset ( WC)mmLateral distance between kingpin axis with wheel center in yz-plane. Scrub Radius ( Tire Contact Patch)-10 to 10mmLateral distance between kingpin axis intersection with ground and TCP in yz-plane. Roll Center Height30 to mmVertical height of rollcentre relative to ground.Roll Center Height Variation1.5 to 2.0m/mRollcenter height change relative to ground during bump.Anti Lift angle2 to 4degAnti Dive angle3 to 5degRide Steer gradient-0.3 to -0.6deg/mm*100Toe change during bump/rebound of the wheel center.Ride Steer variation +40mm bump-0.2 to -0.4degToe change from 0 to +40 mm bumpRide Steer variation +80mm bump-0.5 to -0.8deg/mm*100Variation of Ride Steer calculated at 80 mm bump. The variation is calculated respect the Ride Steer slope.Ride Steer variation -80mm rebound0.3 to 0.8deg/mm*100Variation of Ride Steer calculated at -80 mm bump. The variation is calculated respect the Ride Steer slope.Ride Camber gradient0.9 to 1.1deg/mm*100Camber change during bump/rebound of the wheel center.Ride Camber variation 40mm bump-0.2 to -0.5degCamber variation from 0 to +40 mm bumpRide Caster gradient0 to 1.25deg/mm*100Caster change during bump/rebound of the wheel center.Outer Wheel Caster Trail Change at 25 deg steermmVariation of Caster Trail between 0 and 25 deg outer wheel steer Lateral Force Compliance Steer0.0 to -0.15deg/kNSteer change when lateral force is applied. Only one wheel is loaded.Lateral Force Compliance Camber0.1 to 0.25deg/kNCamber change when lateral force is applied. Only one wheel is loaded.Brake Force Steer-0.05 to -0.15deg/kNToe change when a Brake force is applied. Both wheel are loaded at the same time.Brake Force Caster Change1.5deg/kNCaster change when a Brake force is applied at TCP. Both wheel are loaded at the same time.Tractive Force Steer-0.01 to 0.03deg/kNToe in change when a Traction force is applied at wheel centre. Both wheel are loaded at the same time.Longitudinal Impact Force Steer at Wheel Center0.16 to 0deg/kNToe in change when a longitudinal force is applied rearward at wheel centre. Only one wheel is loaded. Aligning Torque Compliance Steerdeg/kNmToe in change when an Aligning Torque is applied. Only one wheel is loadedCompliance at Wheel Centre - Fore/Aft3 to 5mm/kNLongitudinal Compliance at the wheel center. Only one wheel is loaded longitudinally with a longitudinal force in Compliance at Wheel Centre 3kNmmLongitudinal compliance at the wheel center. Only one wheel is loaded. The value defines wheelbase variation Compliance at Wheel Centre - Lateral0.7mm/kNLateral deflection of the wheel center when only one wheel is loaded with a lateral force at TCP.Suspension Travel bump-rebound80/-100mmSuspension travel from design level to maximum jounce. Suspension travel from design level to maximum extension is rebound.Damper to Wheel travel ratio0.9 to 1.0Ratio between dumper travel and wheel travelSpring to Wheel travel ratio0.9 to 1.1Ratio between spring travel and wheel travelREQUIREMENTSPROPERTY NAMEUNITSDEFINITIONAt the max wheel steering angle, the inner wheel reaches a steer angle of 38.63 deg, while the outer reaches 32.26 deg. 方向盘达到最大转角时，内外轮的转角方向盘达到最大转角时，内外轮的转角At the max wheel steering angle, the inner wheel reaches a steer angle of 38.68 deg, while the outer reaches 32.10 deg. YXZe z g z l z x z -1.5-0.7500.751.5-100-50050100Wheel Travel mmToe Angle Variation deg-25-20-15-10-50510152025-100-50050100Wheel Travel mmLong. Displacement mm00.250.50.7511.251.5-100-50050100Wheel Travel mmWheel to Damper Motion Ratio-4-2024-100-50050100Wheel Travel mmCamber Angle Variation deg -200-1000100200300400500-100-50050100Wheel Travel mmRoll Center Height mm-4-2024-5000-3000-1000100030005000Lateral Load NCamber Angle Variation dege Fy e Mz g Fy -1.5-0.7500.751.5-5000-3000-1000100030005000Lateral Load NToe Angle Variation deg-1.5-0.7500.751.5-100-50050100Aligning Torque NmToe Angle Variation dege Fxd e Fxb x Fxd -1.5-0.7500.751.5-3000-2000-10000100020003000Braking Force NToe Angle Variation deg-1.5-0.7500.751.5-3000-2000-10000100020003000Driving Force NToe Angle Variation deg-15-10-5051015-4000-3000-2000-100001000200030004000Driving Force NLong. displacement WLC mmtftf front wheel track tw tire width l - wheel basea - distance between center mass location and front axle.R Turn radius at center mass location.RC Turn radius curb to curb alRcR222222wfCtltalRRAt the maximum steer wheel angle, it is calculated the minimum necessary space.In the test the maximum steer wheel angle is reached using a slow ramp steer at low velocity.In this test there are not only the forces obtained through Pacejkas model, but also the spin torque. The Test has been developed in Design Standard condition (3 People + 30 Kg luggage mass).The three gray spheres in the picture indicate people, while smallest blue sphere indicates the luggage mass. The vertical load for a front tire is 4060 N, while for the rear is 3028 N.40.932.2At the maximum rack displacement (74 mm), in Design Standard condition, M vehicle needs a space curb to curb (2 RC) of 10.25 m, nevertheless the inner wheel steers at 40.9 deg, and the outer at 32.2, over the steering limits, which are fixed at 38 and 32 degree.37.9530.77Between the wheel angle limits, the first limit is more restrictive than second.The inner wheel reaches 37.95 deg at 70.38 mm rack displacement, while the outer wheel reaches 30.77 deg.The new minimum space to turn curb curb is 10.70 m.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