轿车悬架系设计指南

轿车悬架系设计指南 （华福林编写）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汽车的悬架系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，如图4所示1) 麦克菲尔逊支柱型：亦称滑柱式或简称柱式，如图1所示。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，如图2所示。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）如图3所示。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。 图 1 图2 图3 图42-3-3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如图5所示。 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。 图52-4 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。如图6所示。 图6 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。如图7所示。 图7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 =M2） 重心位置不变M1a - M2b =03） 转动惯量值保持不变Iy =My2 = M1a2 + M2b2 解此3个方程后得出： M1 = My2 / aL M2= My2 / bL M3= M（1-y2 / ab） 式中 y 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=y2 / ab 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=0.8-1.2，即接近1。在=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。如图8所示。 图 82 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+z + Cz= 0 令 2n =/M，02 =C/M 后可以置代为下式 z+2nz + 02z = 0该微分方程的解为： z = Ae-n t Sin（02 n2 ）1/2 t +a将上式绘制成A-t（振幅时间）曲线，如图9所示。曲线指出：有阻尼自由振动时，质量M以圆频率（02 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 d=（02 n2 ）1/2 ，若改写为d=（02 n2 ）1/2 =0（1-2）1/2 - （1）式中 =n /0 起名为相对阻尼系数 0 称之为无阻尼自由振动的固有频率 图 9由式1可知，当相对阻尼系数值增大时，有阻尼固有频率d下降。当 =1时，则d=0，振动消失。由于轿车悬架系统的相对阻尼系数较小，通常0250.50，d比0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0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 0=C/M 弧度/秒或 固有频率 f0=0/2=1/ 2（C/M）1/2 Hz2-6 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次/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n0在100-120次/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，n01n02引起的车身角振动小于n01n02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n01n02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) fS2-8 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