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汽车悬架系统设计 徐东升 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: 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。 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 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。 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。 同时需要考虑传动轴夹角。(发动机的布置位子) 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。 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)。 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)。 W W F Hw Hw 7. 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中心 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。 前前 悬悬 架 预 布 置架 预 布 置 车轮最大尺寸车轮最大尺寸 车 轮 行 程 乘 坐 舒 适 性 方 向 盘 转 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 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 Z Y D 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 q o 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:Ctg1- Ctg 2 = q/p 为了提高车辆的灵活性,减小转 弯半径而改变转向梯型 阿克曼偏差 q 1 2 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) A B 某些参考车型前轴的阿克曼角实例 0 5 10 15 20 25 -400-300-200-1000100200300400 方向盘转角和转向角的关系 方向盘转角 (o) 车轮转角 (o) 2) 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 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 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 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 主销后倾拖距的影响: 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 steering Variation 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 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 力距也越大。 转弯制动时方向盘力矩的大小 主销偏置距通常取1830mm 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 Variation in steering Outer w. 方向盘转角 (o) Inner w. Braccio trasversale a centro ruota (mm) R.I. Angolo volante (o) R.E. A B 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: 驱动时的方向盘回正性 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 定义车轮中心处的主销偏置距 3) 定义悬架的几何尺寸 根据经验选取起始点 副车架边缘 制动盘边 缘 A B Disk Rim A B M family Wheel轮胎: 225/55R17 转角:外侧转角大约30deg ,内侧转 角大约 35-36deg 考虑轮胎包络线: 悬架的参考 基准 Steering axis A 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 C B A Z X 减振器轴线于主销轴线重合 在X-Z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。 C B A 减振器轴线 转向轴线 Z Y D E X Y Z A F 下摆臂旋转轴线 D 在Y-Z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 C B A Z Y D 与转动中心相关 与轮胎尺寸相关 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 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) C B A Z X 转向轴线与减振器轴线 Arm 悬 转 轴 A Y X E F F E 下摆臂旋转轴线 定义控制臂旋转轴线的倾角和E,F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 rod A I H E F Y X A I H E A F 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 I H E A F I H E A F 根据杆系几何运动关系确定I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 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
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