第6章悬架设计

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1、第六章 悬架设计,6-1 概 述 6-2 悬架结构形式分析 6-3 悬架主要参数的确定 6-4 弹性元件的计算 6-5 独立悬架导向机构的设计 6-6 减振器,6-1 概 述,什么是悬架？ 对于采用承载式车身的汽车（如轿车），悬架是承载式车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。 对于采用非承载式车身的汽车（如货车），悬架是车架与车桥（车轴）之间的一切传力连接装置的总称。,一 悬架的功用,传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；（传力） 缓和路面传给车架（或车身）的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车行驶平顺性；（缓冲减振） 利用悬架的某些传力构件使车轮按一定轨迹相对于车架或车

2、身跳动，即起导向作用；（导向） 利用悬架中的辅助弹性元件横向稳定器，防止车身在转向等行驶情况下发生过大侧向倾斜。 （防止过大侧倾）,二 悬架的组成,（1）弹性元件起缓冲作用； （2）减振元件起减振作用； （3）传力机构或称导向机构起传力和导向作用； （4）横向稳定器防止车身产生过大侧倾,三 对悬架提出的设计要求,1）保证汽车有良好的行驶平顺性。 2）具有合适的衰减振动的能力。 3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。 4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。 5）有良好的隔声能力。 6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。 7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满

3、足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。,6-2 悬架结构形式分析,一、非独立悬架和独立悬架,悬架,非独立悬架： 独立悬架：,左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接,左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接,非独立悬架 独立悬架,1 非独立悬架,优点,以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架,结构简单 制造容易 维修方便 工作可靠,缺点,汽车平顺性较差 高速行驶时操稳性差 轿车不利于发动机、行 李舱的布置,应用 ：货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架,2 独立悬架,优点,簧下质量小； 悬架占用的空间小； 可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺

4、性； 由于采用断开式车轴，能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车行驶稳定性； 左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。,缺点,结构复杂 成本较高 维修困难,应用 ：轿车和部分轻型货车、客车及越野车,二、独立悬架结构形式分析,独立悬架,双横臂式 单横臂式、 双纵臂式 单纵臂式 单斜臂式 麦弗逊式 扭转梁随动臂式,双横臂式独立悬架 *分类：等长双横臂式、不等长双横臂式 *等长双横臂式： 车轮上、下跳动时，可保持主销倾角不变，但轮距有较大变化，轮胎磨损严重，已很少采用。,1 评价指标：,1）侧倾中心高度 侧倾中心：汽车在侧

5、向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心。 侧倾中心高度：侧倾中心到地面的距离。 侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。,2）车轮定位参数的变化 若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。,主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角,主销轴线与地面垂直线在汽车的横向平面内的夹角,通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线间夹角,5）悬架占用的空

6、间尺寸,占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度； 占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部平整，布置油箱容易。,3）悬架侧倾角刚度,车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。,4）横向刚度,悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。,三、前、后悬架方案的选择,前轮和后轮均采用非独立悬架； 前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架； 前轮与后轮均采用独立悬架。,1 前轮和后轮均采用非独立悬架,轴转向效应,对前轴，这种偏转使汽车不足转向趋势增加 对后桥，则增加了汽车过多转向趋势,

7、乘用车将后悬架纵置钢板弹簧的前部吊耳位置布置得比后部吊耳低，于是悬架的瞬时运动中心位置降低，与悬架连接的车桥位置处的运动轨迹如b所示，即处于外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹是oa段，结果后桥轴线的偏离不再使汽车具有过多转向的趋势。,1.横向稳定器,（1）有了横向稳定器，可以在不增大悬架垂直刚度C的条件下，增大悬架的侧倾角刚度。 （2）在汽车前悬架上设置横向稳定器，能增大前悬架的侧倾角刚度。,四、辅助元件,2.缓冲块,橡胶制造，通过硫化将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用,多孔聚氨脂制成 ，它兼有辅助弹性元件的作用。这种材料

8、起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。,6-3 悬架主要参数的确定,一、悬架静挠度,1、概念,悬架静挠度fc是指汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即fc=Fw/c。,2、选择要求及方法,汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一 ，悬架静挠度fc直接影响车身振动的固有频率。,现代汽车的质量分配系数近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。汽车前、后部分车身的固有频率n1和

9、n2（亦称偏频）可表示为,式中，c1、c2为前、后悬架的刚度（N/cm）；m1、m2为前、后悬架的簧上质量（kg）。,当悬架的弹性特性为线性时，前、后悬架的静挠度可表示为,式中， g为重力加速度，g=981cm/s2）。,将fc1、fc2代入上式得到,注意：挠度单位cm 悬架静挠度fc直接影响车身振动的固有频率。,前后悬架静挠度的选择要求： fc1与fc2要接近； 希望fc1fc2 这样有利于防止车身产生较大纵向角振动。,理论分析证明：若汽车以较高车速驶过单个路障，n1/n21时的车身纵向角振动要比n1/n21时小，故推荐取fc2=（0.80.9）fc1。,偏频根据汽车用途选取,以运送人为主的

10、乘用车对平顺性的要求最高，大客车次之，载货车更次之。 对发动机排量在1.6L以下乘用车，前悬架满载偏频要求在1.001.45Hz，后悬架则要求在1.171.58Hz。 原则上，乘用车的发动机排量越大，悬架的偏频越小，要求满载前悬架偏频在0.801.15Hz，后悬架则要求在0.981.30Hz。 货车满载时，前悬架偏频要求在1.502.10Hz，而后悬架则要求在1.702.17Hz。 选定偏频以后，再利用上式即可计算出悬架的静挠度。,二、悬架动挠度,1、概念,指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移

11、。,2、选择要求及方法,要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。 对乘用车，fd取79cm；对货车，fd取69cm。,三、悬架弹性特性,悬架受到垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线 。,1)线性弹性特性,定义: 悬架变形f与所受垂直外力F之间成固定比例变化，弹性特性为一直线，悬架刚度为常数 。,线性弹性特性、非线性弹性特性,1、定义,2、分类,特点：随载荷的变化，平顺性变化,2)非线性弹性特性,定义：悬架变形f与所受垂直外力F之间不成固定比例变化，悬架刚度是变化的。,1缓冲块复原点 2复原行程缓冲块脱离支架 3主弹簧弹性特性曲线

12、4复原行程 5压缩行程 6缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8额定载荷,特点,在满载位置（图中点8）附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好 距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大,作用,在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量 悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功 （悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小 ）,四、货车后悬架主、副簧刚度的分配,四、货车后悬架主、副簧刚度的分配,分配原则： 车身从空载到满载时的振动频率变化要小，以保证汽车有良好的平顺性 副簧参加工作前、后的悬架振动频率变化不大 两项要求不能同时满

13、足。,确定方法一,使副簧开始起作用时的悬架挠度fa等于汽车空载时悬架挠度f0，而使副簧开始起作用前一瞬间的挠度fK等于满载时悬架的挠度fc 。副簧、主簧刚度比为,特点：能保证在空载与满载使用范围内悬架振动频率变化不大，但副簧起作用前、后悬架振动频率变化较大。 作业证明。,确定方法二,使副簧开始起作用时的载荷等于空载与满载时悬架载荷的平均值，即 FK=0.5（F0+FW） 并使F0和FK间平均载荷对应的频率与FK和FW间平均载荷对应的频率相等，此时副簧与主簧的刚度比为 ca/cm=（2-2）/（+3） 特点： 能保证副簧起作用前、后悬架振动频率变化不大，此方法适用于经常处于半载运输状态的车辆。,

14、五、悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配,悬架侧倾角刚度：指簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。 要求在侧向惯性力等于0.4倍车重时，乘用车车身侧倾角2.5 4，货车车身侧倾角不超过6 7。 应使前悬架具有的侧倾角刚度略大于后悬架的侧倾角刚度。对乘用车，前、后悬架侧倾角刚度的比值一般为1.42.6。,6-4 弹性元件的计算,一、钢板弹簧的设计,（一）钢板弹簧的布置方案,纵置：应用广泛 横置：应用极少,对称式：应用较多 不对称式,（二）钢板弹簧主要参数的确定,计算之前应知道下列初始参数： 满载静止时的G1、G2、Gu1、Gu2 G1 前轴（桥）负荷 G2 后轴（桥）负荷 Gu1前悬

15、簧下部分荷重 Gu2后悬簧下部分荷重 fc 悬架静挠度 fd悬架动挠度 L轴距,1）满载弧高fa,满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳半径）连线间的最大高度差 fa用来保证汽车具有给定的高度 为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取fa=1020mm。,2）钢板弹簧长度L的确定,钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离 在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。,推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度： 轿车：L=（0.400.55）轴距； 货车:前悬架：L=（0.260.35）轴距； 后悬架：L=（0.350.45）轴距。

16、,注：应尽可能将钢板弹簧取长些的原因 增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命； 降低弹簧刚度，改善汽车平顺性； 在垂直刚度c给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。 钢板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。 增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形。,3）钢板断面尺寸及片数的确定,a.钢板断面宽度b的确定 有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需引入挠度增大系数加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩J0。对于对称钢板弹簧 J0=（L-ks）3c/（48E）,式中， sU形螺栓中心距（mm）； k考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）； c钢板弹簧垂直刚度（N/mm），c=FW/fc；,钢板弹簧由一对U形螺