硕士论文汽车独立悬架中扭力杆的特殊功能分析与研究.pdf

武汉理丁人学硕 卜 学 位论文第 1 章引 言1 ， 1独立悬架系统悬架把车架 ( 或车身)与车桥 ( 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，并月 . 缓和由不平路面传递给车架 ( 或车身)的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力1 . 1 . 1 悬架的组成悬架山弹性元件、导向装置和减振器等部分组成弹性元件用来承受并传递垂直载荷，吸收汽车在不平坦的道路」 : 行驶时所引起的冲击导向装置用来传递纵向力、侧向力和由此产生的力矩，并保证车轮相对于车架 ( 或车身)作规定的几何运动.减振器用于快速衰减车架和车身的振动在多数轿车和客车上，为了防止车身在转弯行驶等情况下发生过大的倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件一一横向稳定器由此可见，汽车悬架的功能是缓冲、导向和减振，然而总的功能是传力应当指出，悬架要具备上述功能，在结构上并非一定要设置满足上述各功能的单独的装置例如常见的钢板弹簧，除了作 为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架 作固定铰链连接时，它本身还能够起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而可以不再另设置导向机构。

武汉理丁人学硕 卜 学 位论文第 1 章引 言1 ， 1独立悬架系统悬架把车架 ( 或车身)与车桥 ( 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，并月 . 缓和由不平路面传递给车架 ( 或车身)的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力1 . 1 . 1 悬架的组成悬架山弹性元件、导向装置和减振器等部分组成弹性元件用来承受并传递垂直载荷，吸收汽车在不平坦的道路」 : 行驶时所引起的冲击导向装置用来传递纵向力、侧向力和由此产生的力矩，并保证车轮相对于车架 ( 或车身)作规定的几何运动.减振器用于快速衰减车架和车身的振动在多数轿车和客车上，为了防止车身在转弯行驶等情况下发生过大的倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件一一横向稳定器由此可见，汽车悬架的功能是缓冲、导向和减振，然而总的功能是传力应当指出，悬架要具备上述功能，在结构上并非一定要设置满足上述各功能的单独的装置例如常见的钢板弹簧，除了作 为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架 作固定铰链连接时，它本身还能够起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而可以不再另设置导向机构。

武汉理工大学硕士学位论文1 . 1 . 2 悬架系统的频率由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量 ( 簧载质量)所决定的车身 固有频率 ( 亦称为振动系统的自由振动频率) ， 是影响汽车行驶平顺 性的悬架重要性能指标之一人体所习惯的垂直振动频率是步行时 身体上下运动的频率，约为1 .1 . 6 H z 0 ' 车身固有频率应当尽可能 地处于或接近这一频率范围根据力学分析，如果将汽车看作一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的固有频率为 、 一 牛 ，厚一 牛 ，厚L 7 iV Mh L l V .l h( I 一 I )式中，9 为重力加速度;f h 为悬架垂直变形 ( 挠度) : M为悬架簧载 质量;c ( c 二 M a l 人 ) 为 悬架 刚度 ( 不一 定等于弹性元 件的 刚 度) ， 它指使车轮中心相对于车架和车身向上移动的单位距离 ( 即使悬架产生单位垂直压缩变形)所需要加于悬架上的垂直载荷由上式可见(Z )〔 1 )在悬架所受垂直载荷一定时， 悬架刚度越小，则汽车固有频率越低但悬架刚度越小，在一定载荷下悬架垂直变形就越大， 即车轮上下跳动所需要的空间越大，这对于簧载质量大的货车， 在 结构上是难以保证的，故实际上货车的车身固有频率往往偏高，而大大超过了上述理想的频率范围。

z ) 当悬架刚度一定时， 簧载质量越大， 则悬架垂直变形越大，而固有频率低， 故空车行驶时的车身固有频率要比满载行驶时的高 簧载质量变化范围 越大， 则频率变化范围也越大.为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身固有频率保持不变或变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架刚度随之增加有些弹性元件本身的刚度就是可变的，如气体弹簧;有些悬架 所用的弹性元件的刚度虽然是不变的，但是安装在悬架中之后，可使整个悬架具有可变的刚度刚度，例如扭力杆悬架武汉理工大学硕_ l 一 学位论文1 . 1 . 3 悬架的分类汽车的悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两类.非独立悬架的结构特点是:汽车两侧车轮分别安装在一根整体式的车桥两端，车桥则通过弹性元件与车架相连接这种悬架当一 侧车轮因道路不同而跳动时，将要影响另一侧车轮的工作独立悬架中，两侧车轮分别安装在断开式的车桥两端，每段车桥和车轮单独通过弹簧与车架相连这样当一侧车轮跳动时，对另 一侧车轮不发生影响.独立悬架广泛用于轿车中独立悬架具有如下优点:〔 1 )在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以单独运动而互不影响，这样在不平道路上可以减少车架和车身的振动，而 且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。

2 ) 减少了汽车的非簧载质量 ( 即不山弹簧支承的质量) 在非 独立悬架的情况下，整个车桥和车轮都属于非簧载质量部分在采用独立悬架时，对驱动桥而言，山于主减速器、差速器及其外壳固 定在车架上，成了簧载质量; 对转向轴而言，它仅具有转向主销和 转向节，而中部的整体梁不再存在，所以在采用独立悬架时，非簧载质量只包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时的非簧载质量要小得多在道路条件和车速相同时，非簧载质量越小，则悬架受到的冲击载荷也越小，故 采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度 3 )采用断开式车桥，发动机总成的位置可以降低和前移，使 汽车中心下降，提高了汽车行驶稳定性:同时给予车轮较大的上下运动的空间， 因而可将悬架刚度设计得较小， 使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性 4 )可以保证汽车在不平道路上行驶时，所有车轮和路面有良 好的接触，从而增大牵引力:此外，可增大汽车的离地间隙，因而大大提高越野汽车的通过性能独立悬架一般由螺旋弹簧或扭力杆和直接双动式减振器组成武汉理工大学硕士学位论文独立悬架的的结构特点是两侧的车轮各自 独立的与车架或车身弹性连接，以适应各种路面情况。

独立悬架分类:独立悬架的结构类型很多，按照车轮的运动形式，独立悬架可 分为横臂式、纵臂式、烛式和麦克弗森式 1 )车轮在汽车横向平面内摆动的悬架 ( 横臂式独立悬架) :( 2 )车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架 ( 纵臂式独立悬架) ;( 3 )车轮沿主销移动的悬架，其中包括烛式和麦克弗森式悬架( 滑柱连杆式悬架) .独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮普 遍采用了独立悬架但是，独立悬架结构复杂，制造成本高，保养 维修不便;在一般情况下，车轮跳动时，由于车轮外倾角与轮距变化较大，轮胎磨损较严重武汉理工大学硕士学位论文1 . 2 扭力杆扭力杆是汽车悬挂系统的重要零件之一， 它作为一种弹性元件，被广泛的应用于现代汽车的悬架中扭力杆悬架的基本原理是利用 钢杆或钢管的纵向扭转提供弹簧作用，当车轮跳动时，扭力杆变形保证车轮与车架的弹性联系扭力杆及扭杆悬架主要具有以下优点【 ” : 1 、 扭力杆的单位质量储能量是钢板弹簧的2 . 4 -3 . 3 倍， 可节省材料， 减轻重量;2 、它比 螺旋弹簧占用空间小， 布置更为方便:3 、由于扭力杆本身就固定在 车架上， 使非簧载质量小， 有利于改善行驶平顺性; 4 、 由于扭杆的一 端与调节臂连接， 因而可以通过不同的装配预扭角实现车身在一定 范围内的高度调节:5 、扭力杆与固定臂和调节臂的连接结构简单，在保养中一般无维护要求.扭力杆可以按照断面形状或弹性元件数量的不同来分类.按照 断而形状的不同，扭力杆可以分为圆形、管形、片形等几种:按照 弹性元件数量不同可以分为单杆式和组合式两种，组合式又可以分为并联和串联两种。

端部做成花键的圆形断面扭力杆，因工艺性良 好而得到广泛的应用，但是其材料利用不太合理;管形扭力杆有制 造工艺性比较复杂的缺点， 但是其材料利用合理且能够用来制作组 合扭力杆;片形断面扭力杆在一片断裂后仍能工作，所以工作可靠 性好，此外还有弹性好、扭角大的优点，其缺点也是材料利用不太 合理; 组合式扭力杆能缩短弹性元件的长度， 有利于在汽车上布置扭力杆的力学性能直接影响到汽车行驶的安全性和乘坐的舒适 性 扭力杆在工作状态下主要承受扭矩， 它的失效形式为扭转断裂， 汽车在行驶中产生这种情况， 将会给乘客的生命财产带来严重威胁，故它是保安件当用于前驱动汽车的前悬架时，扭力杆可以纵向布置，为前驱动桥的摆动半轴腾出空间，但是扭力杆的制造成本较高，对材料以 及工艺的要求较严另外，扭力杆仅能起到弹性元件的作用，与纵武汉理工大学硕士学位论文置钢板弹簧悬架比较，必须有导向机构，因此虽然简化了弹性元件的设计，却使得悬架的设计复杂化了扭力杆的结构虽然简单，但要开发出成木低、质量高的扭力杆 则受到材料、设计水平、制造水平等诸多因素的制约近年来，随着我国轿车、轻型客车及轻型汽车开发与制造水平的进步，汽车扭力杆的开发和制造水平也取得了长足的进展。

然而，在降低材料成 本、采用合理高效的制造工艺、提高扭力杆的疲劳寿命和改善其抗蠕变性能等方面仍有许多课题值得探索武汉理工人学硕 is 学位论文第 2章 双横臂扭杆悬架系统运动学分析2 . 1 双横臂扭杆悬架机构运动分析汽车悬挂系统是影响车辆操纵稳定性和平顺性的重要因素悬架 的主要性能参数在悬架运动过程中的变化规律是影响悬架性能的主要 因素， 对悬架系进行运动学分析是评价悬架性能的重要手段， 也是进行汽车操纵稳定性和平顺性分析的基础为了使汽车具有稳定的直线行驶能力和自动回正作用，并具有转 向轻便性，以及减少汽车在行驶过程中轮胎和转向机件的磨损， 转向 车轮、转向节和前轴三者之间的安装必须具有一定的相对位置这种 具有一定的相对位置反映在主销和前轮的相对安装上， 称为前轮定位前轮定位包括〔 ” :主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束 2 . 1 . 1 双横臂独立悬架双横臂独立机构是目 前独立悬架中使用最广泛的导向机构之一它是一种比较复杂的空间机构， 其运动直观性差，运动复杂双横臂独立机构应满足如下要求:( 1 ) 悬架上载荷变化时， 保证轮距变化较小， 以 免引 起轮胎的磨损;( 2 ) 悬架上载荷变化时， 车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;( 4 ) 汽车制动时， 应使车身有抗前俯作用， 加速时， 有抗后仰作用。

双横臂独立悬架的两个摆臂长度可以 相等，也可以不等在两摆臂一长 度等常的悬架中，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜， 但轮距却发生了较大的变化，这将增加车轮侧向滑移的可能性;在两摆臂武汉理工人学硕 is 学位论文第 2章 双横臂扭杆悬架系统运动学分析2 . 1 双横臂扭杆悬架机构运动分析汽车悬挂系统是影响车辆操纵稳定性和平顺性的重要因素悬架 的主要性能参数在悬架运动过程中的变化规律是影响悬架性能的主要 因素， 对悬架系进行运动学分析是评价悬架性能的重要手段， 也是进行汽车操纵稳定性和平顺性分析的基础为了使汽车具有稳定的直线行驶能力和自动回正作用，并具有转 向轻便性，以及减少汽车在行驶过程中轮胎和转向机件的磨损， 转向 车轮、转向节和前轴三者之间的安装必须具有一定的相对位置这种 具有一定的相对位置反映在主销和前轮的相对安装上， 称为前轮定位前轮定位包括。