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天宇 发表于 2015-1-10 21:15:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
1 概言
     一辆性能优良的轿车,几乎所有的整车性能,譬如:动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性、舒适性、经济性、通过性及安全性,都与底盘设计的优劣息息相关。所谓汽车底盘,一般指车身(含内外饰件)以外的所有零部件总成装配成的平台而言,而汽车设计业内人士则还需将发动机、车架及它们相配套的零部件总成排除在外。因此,汽车设计部门往往将《底盘》定义在两大系统之内,即:
1. 传动系统:含离合器、变速器、分动器、传动轴、前后驱动桥(包括主减速器、差速器、半轴等)。
2.  行路系统:含前轴(包括车轮及轮毂)系、转向系、制动系、悬架系等。
  经验丰富的驾驶员在对一辆新车试车后,除对其动力性、经济性评价外,该车的操纵稳定性、平顺性也是他们津津乐道的话题。诸如车辆高速行驶下“发不发飘”、“摆不摆头”、“跑不跑偏”等等。以下仅就个人近50年汽车设计的经验,围绕轿车悬架结构因素对性能影响的简明讨论,供缺乏悬架设计经验的设计师参考。

2.汽车的悬架设计
2-1 悬架系是汽车的重要部分。它是将车身(含车架)与车桥(轴)弹性联结的部件,主要功能是:
    2-1-1  缓解由于路面不平引起的振动和冲击,保证良好的平顺性。
    2-1-2  衰减车身和车桥(或车轮)的振动。
    2-1-3  传递车轮和车身(含车架)之间的各种力(垂直力、纵向力和横向力)和力矩(制动力矩和反作用力矩)。
    2-1-3  保证汽车行驶时的稳定性。
2-2 汽车悬架通常由弹性元件、导向机构和减震器组成。
2-2-1弹性元件(含各类弹簧)用来传递垂直力和缓解冲击;当汽车横向角刚度较小时,还需装横向稳定器(横向稳定杆)以减小车身的横向滚动角(侧倾角)。
2-2-2导向机构用来控制车轮相对于车身的运动特性,以保证必要的稳定性,同时传递除垂直力以外的力和力矩。
2-2-3减震器仅用来衰减车身和车桥(或车轮)的振动振幅,它并不能改变悬架的“硬软”程度。

2-3 悬架结构一般分为两大类:独立悬架和整体桥悬架(非独立悬架)。

2-3-1独立悬架分为3个类型                                                                  
1)   麦克菲尔逊支柱型:亦称滑柱式或简称柱式。结构简单,质量轻,占有空间小,适合发动机前置前轮驱动的布置。
     2) 双摆臂型。为了获取最佳的前轮定位及其运动几何学,通常上、下摆臂具有不同的长度和安装角。该结构经常被中型以上的轿车、皮卡及轻型越野车上采用。
     3) 斜三角单摆臂(A型斜摆臂)。长适用于轿车后独立悬架,以获取较理想的外倾及轮距变化。例如在丰田、奔驰轿车系列上采用。
232独立悬架的特点:
      1)  左右车轮在不平路面作上下跳动时,是互相独立的,它们彼此之间不产生耦合关系。因此提高了乘坐舒适性、轮胎抓地性、操纵稳定性和平顺性。
      2)  降低了簧下质量(非悬架质量),使簧下质量(悬架质量)的固有频率提高(所谓悬架振动的高频部分),远离簧上质量的固有频率(所谓悬架振动的低频部分),从而减少它们之间的耦合关系,有利于降噪及舒适性。
2-3-3整体桥悬架(非独立悬架)
     结构简单、可靠,坚固耐用,适合较大的轿车后悬架上采用。左右车轮在不平路面作上下跳动时,会产生互相牵连的,它们彼此之间将产生振动耦合,如果不采取相应措施,这将会降低乘坐的舒适性。
    非独立悬架的型式具有钢板弹簧式、带横向拉臂、螺旋弹簧的纵向拖臂式(简称纵向拖臂式)、四连杆式以及扭梁式。

2-4  轿车的行驶平顺性
     汽车行驶中,不平路面的冲击传给车身后引起三维振动;加、减速、制动、转向等操作都将会引起车身的垂直、纵向及横向振动。有时这种强烈的车身振动将迫使司机降低车速,同时也会加大动载荷,进一步引起零部件的磨损。因此,轿车在一般使用速度范围内行驶时,保证乘客不会因振动而导致不舒适感觉的性能,称之为轿车行驶平顺性。

     轿车行驶平顺性的评价方法,通常根据振动对人体的生理反应来确定的。轿车是一个多质量的复杂的振动系统,车身通过悬架的弹性元件与车桥相连接,又通过具有弹性的轮胎与地面相接触,而发动机也通过橡胶悬置与车身相连。当它们承受外激力作用时,轿车将产生极为复杂的振动。为便于了解及分析轿车的基本振动规律,人们常将此复杂振动系统简化为两个质量的振动系统,即悬架质量(簧上质量)M与非悬架质量(簧下质量)m两部分组成。

悬架质量(簧上质量)M是指由弹性元件所支撑的质量。例如车身及其内外饰件质量、乘员、燃料及辅料质量、动力总成及其附件质量、安装在车身上的底盘件质量等。

    非悬架质量(簧下质量)m是指不通过弹性元件所传递的那些质量。例如车轮及轮胎的质量、制动器总成质量、后轴质量等。然而,相连于M及m之间的元件质量,如弹性元件、导向机构杆件、减震器、转向横拉杆及传动轴等。通常要将它们重量的一半计入悬架质量,另一半计入非悬架质量中去。

    就悬架质量M而言,其振动具有六个自由度;即沿X、Y、Z轴作线性振动及绕此三个轴作角振动。
根据经验,影响平顺性最大的振动是悬架质量M沿Z轴向的垂直振动和绕Y轴的纵向角振动。为了便于分析,进一步将系统简化为如图6所示4个自由度的平面模型。在此模型中,忽略轮胎的阻尼,同时将悬架质量M分解为在前、后轴上的悬架质量M1 及 M2以及重心C上的联系质量M3 ,这3个集中质量由无质量的刚性杆连接,它们之间应满足3个条件:
1)       总质量保持不变
M1 + M2 + M3 =M
2)       重心位置不变
M1a- M2b =0
3)       转动惯量值保持不变
Iy =Mρy2 = M1a2+ M2b2
        解此3个方程后得出:         
M1 = Mρy2 / aL  
M2= Mρy2 / bL
M3= M(1-ρy2 / ab)      
        式中
           ρy    绕横轴Y的回转半径
           a,b  车身重心至前、后轴的距离
          L     轴距
         使ε=ρy2 / ab ε的物理意义是悬架质量分配系数,当它等于1时,联系质量M3=0,大部分现代轿车ε=0.8-1.2,即接近1。在ε=1的情况下,前、后轴上悬架质量M1、M2在垂直方向上的运动是相互独立的。
        换句话说,当轿车行驶在不平的道路上而引起振动时,质量M1运动而质量M2不运动;反之亦然。因此,在特殊情况下,我们可以分别讨论前、后单质量系统的自由振动。
2 – 5 单质量系统的自由振动

          单质量系统的自由振动是分析轿车振动的最基本的手段。它是由悬架质量M、弹簧刚度C、减震器阻尼系数K组成。q是输入路面的不平度函数。
        该系统的自由振动可由以下齐次方程来描述:   
               Mz’’+δz‘ + Cz= 0
       令  2n =δ/M,ω02 =C/M 后可以置代为下式
               z’’+2nz‘ + ω02z = 0
该微分方程的解为:
         z = Ae-n t Sin〔(ω02 – n2 )1/2 t +a〕
将上式绘制成A-t(振幅—时间)曲线。

曲线指出:有阻尼自由振动时,质量M以圆频率(ω02 – n2 )1/2振动,其振幅按e-nt 衰减。
有阻尼自由振动时的固有频率  ωd=(ω02 – n2 )1/2 ,
若改写为ωd=(ω02 – n2 )1/2 =ω0(1-ψ2)1/2     ---------------- (1)
式中
  ψ=n /ω0   起名为相对阻尼系数
  ω0             称之为无阻尼自由振动的固有频率
由式1可知,当相对阻尼系数ψ值增大时,有阻尼固有频率ωd下降。
当 ψ=1时,则ωd=0,振动消失。
由于轿车悬架系统的相对阻尼系数较小,通常ψ≈0.25-0.50,ωd比ω0仅下降了3%,所以在分析悬架系统时,车身振动的固有频率可按无阻尼自由振动的固有频率ω0来考虑。
根据上述分析的结论非常重要,在设计轿车悬架系统时,具有实际指导意义。
固有频率  ω0=√C/M  弧度/秒
或  固有频率  f0=ω0/2π=1/ 2π(C/M)1/2   Hz

2-6 簧上质量固有频率n0和悬架挠度f的选择
       轿车悬架系统的固有频率n0的选择,特别是前悬架簧上质量的偏频(即固有频率)n01和后悬架簧上质量质量的偏频(即固有频率)n02的选择,对轿车的平顺性及舒适性起着至关重要的作用。人类大脑能承受振动的频率范围,其最佳值应是与人们步行时身体上下运动的频率接近。
        当人们散步时,以步行速度按1.2-2.4 km/h 、步距按0.33M计算,大脑上下起伏的频率约在60-120次/分的范围内。因此,汽车悬架质量的固有频率应控制在此范围内为最佳。对于现代轿车而言,f0推荐为75-85
/分,而载重车由于受空载到满载悬架挠度变化大的限制,一般选择n0100-120/分范围内。
如果轿车悬架质量频率n0低于60次/分时,有些乘客将会患“航海症”
      产生头晕呕吐症状,反之,如果选择n0大于95次/分以上,乘客就会感觉乘车如同骑野马,颠簸振动剧烈不堪忍受。
       前后悬架的固有频率(偏频)的匹配对平顺性影响也很大,通常应使二者接近,以免车身产生较大的纵向角振动。当汽车高速通过单个路障时,n01<n02引起的车身角振动小于n01>n02的,故推荐n01/n02的取值范围为
      0.55-0.95  (满载时取大值) ,对于一些经济型轿车,设计成n01>n02以改善后座舒适性。 对于悬架刚度C为常数,已知其静挠度fS,则可按下式计算偏频:
                      n0300 / fS
      n0     偏频      次/分
      fS    静挠度      cm   
2-7   悬架的动挠度 fd
        悬架除了有静挠度外,还应有足够的动挠度。如果没有较合适的动挠度,这就意味着悬架被“击穿”的机率增加。当汽车行驶在不平的路面上时,由于动行程不够,缓冲块经常被撞死发出巨大的“咚咚”撞击声。动挠度取值范围与悬架的静挠度fS有关。
            货车     fS =50-110 mm          fd =(0.7-1.0) fS
轿车     fS =100-300mm         fd =(0.5-0.7) fS
2-8   悬架的刚度C
千万不要将悬架刚度C与弹簧刚度CS混淆起来。由于存在悬架导向机构的关系,悬架刚度C与弹簧刚度CS是不相等的,其区别在于悬架刚度C是指车轮处单位挠度所需的力;而弹簧刚度CS仅指弹簧本身单位挠度所需的力。
例如双摆臂型独立悬架的悬架刚度C的计算方法:
                           C=(ml cosθ/n p)2CS
      θ 弹簧轴线与下摆臂垂线的夹角
             m    弹簧轴线与下摆臂的交点到下摆臂轴轴线的距离
             n    转向节下球销中心到下摆臂轴轴线的距离
              lp  分别为转向节下球销中心和轮胎接地中心到导向机构摆动瞬心O'的距离。
以下将就某款轿车前悬架系统进行悬架刚度C、悬架静挠度f及偏频n的验算,其前悬架属于典型的麦克弗逊式独立悬架。

29 前悬架偏频计算实例
已知:β=11°n=364  m=150  B=740
AN=697  P=2428 HK=34
计算:
1.    求δ:
    在△EHK中,
Sinδ=HK/n=34/364    δ=5.36°
在△AEN中,
∠AEN=90°-β=90°-11°=79°
在△AEO中,
∠AEO=∠AEN -δ=79°-5.36°=73.64°
2.求θ:
  在△AOE中,
θ=90°-∠AEO =90°-73.64°=16.36°
v = AN/Cosβ=697/Cos11°=684.2
    在△AEN中,
u=AE/tgθ=684.2/tg16.36°=2331
    设
CS  弹簧刚度   kg/mm
C   悬架刚度   kg/mm
G   满载时前单轮悬架质量kg
G0  空载时前单轮悬架质量 kg
  3.求弹簧上作用力 T及下摆臂球头R
T=GCosβ  R=GCosδ
  4.悬架刚度C
     设 在E点的挠度为fa时,,则A点弹簧压缩挠度应为fb
则  T u=RP
P/u = fa /fb  
fb=fa u/P  ————————————(1)
由于质量G、挠度f、刚度C之间存在下述关系,即:C=G/f,
则:
fb= GCosβ/Cs  ———————————(2)
fa=GCosδ/C   ——————————(3)
将(2)(3)式代入(1)式得
GCosβ/Cs= uGCosδ/CP
       整理后得悬架弹簧钢度C与螺旋弹簧刚度CS的关系式如下:
          C=(uCosδ/PCosβ)Cs  ——————(4)

  5.求前悬架空载偏频n0及满载偏频n
    已知:
空载前单轮悬架质量 G0=2714N
满载前单轮悬架质量 G=3018N
Cs=22.68 N/mm
将有关数据代入(4)式后得:
C=(2331Cos5.36°/2428 Cos 11°)Cs
前悬架刚度C为:
C=0.9737Cs=0.9737×22.68=22.08N/mm
计算:
前悬架单轮空载静挠度f0=G0/C=2714/22.08=123mm=12.3cm
前悬架空载偏频n0=300/√f0   
=300 / √12.3=85.5次/分

前悬架单轮满载静挠度f=G0/C=3018/22.08=137mm=13.7cm  

[img=14,2]前悬架满载偏频
  6.螺旋弹簧的计算
          根据悬架结构布置和弹簧特性,分别计算出前(后)轴,空载和满载时单个车轮上的悬架质量。接着算出悬架的动、静挠度。然后进行螺旋弹簧的计算。计算方法与普通弹簧无任何区别,它仅能承受垂直载荷。钢丝内产生的扭转应力τc为:
                   τc=8FWD/πd3
             FW     弹簧上的轴向力
             D      弹簧平均直径
             d      弹簧钢丝直径
螺旋弹簧的静挠度fcs
                      fcs=8FWD3i/ Gd4
              i      弹簧工作圈数

综合两式有:
τc=( fcs Gd/πd2i)≤〔τc〕
    同理,动载荷下的扭转应力为:
τc=( fds Gd/πd2i)≤〔τm〕

许用静扭转应力〔τc〕=500 N/mm2 ;
最大许用扭转应力〔τm〕=800-1000 N/mm2   
悬架用螺旋弹簧采用60Si2MnA弹簧钢制造,由于制造上的原因,弹簧表面往往有裂痕、皱折、凹痕、及锤击印痕等缺陷,它们是造成降低疲劳极限、早期损坏的元凶。为此,采取喷丸处理在弹簧表面造成残余压应力,从而降低弹簧工作时引起的拉应力,提高了弹簧的疲劳强度。
        另一项提高弹簧的疲劳强度的措施是采取塑性压缩处理(俗称立定试验)。塑性压缩处理是指对弹簧进行予加载荷,并使表面层产生的拉应力达到材料的屈服极限,卸载后造成一定的塑性变形及残余应力,从而强化了金属表面,道理与喷丸处理相似。可以下载资料进一步学习

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lyflyq0918 发表于 2015-3-8 15:38:31 | 显示全部楼层
楼主的汽车理论知识真是丰富呀,值得学习!看后受益匪浅!赞一下!
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hellomssj2011 发表于 2015-3-16 22:54:34 | 显示全部楼层
穷人 没 法 下 啊
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sikor 发表于 2015-4-6 21:54:09 | 显示全部楼层
好资料,感谢分享!
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191834785 发表于 2015-7-5 21:44:08 | 显示全部楼层
感谢楼主分享,楼主好人
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marshalyc 发表于 2015-8-25 22:45:31 | 显示全部楼层
好好学习学习,先下载了
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机械2013 发表于 2015-8-31 21:20:10 | 显示全部楼层
好资料,感谢分享!
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leisureliaosf 发表于 2015-12-14 15:00:24 | 显示全部楼层
很好对我用处很大
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