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1、汽车底盘技术 浙江汽车工程学院 2007年6月23日 华福林编写华福林编写 汽车行路系 汽车悬架系 1 1 目 录 （总计授课19小时） 1. 概要 0.5小时 1.1 汽车悬架系 1.2 要求 2. 汽车悬架技术 2.1 振动理论基础 2.5 小时 2.1.1 振动系统的描述 2.1.2 单质量系统的振动 2.1.2.1 无阻尼的自由振动 2 2 2.1.2.2 有阻尼的自由振动 2.1.2.3 有阻尼的强迫振动 2.2 汽车二自由度的自由振动分析 目 录 3 3 2.2 悬架理论基础 4.5小时 2.2.1 概言 2.2.2 轿车悬架 2.2.3 四轮定位 2.2.4 簧上质量与簧下质量
2、2.2.5 垂直振动 2.2.6 纵向角振动 2.2.7 阻尼 2.2.8 悬架传递比 2.2.9 悬架刚度 目 录 4 4 2.2.10 悬架侧倾中心及侧倾轴 2.2.11 侧倾角刚度、侧倾力矩及侧倾角 2.2.12 车身的工作行程 2.2.13 悬架动行程 2.2.14 行程限位器 2.2.15 弹性元件 2.2.16 弹性元件的设计 2.2.17 横向稳定杆及计算 2.2.18 减振器 目 录 5 5 2.2.19 弹簧柱和减振器柱 2.3 悬架力学 8小时 2.3.1 车轮与地面接触点的作用力 2.3.2 悬架导向臂上的力及力矩 2.3.3 麦弗逊悬架中的作用力 2.3.4 双横臂悬架
3、中的作用力 2.3.5 单横臂悬架中的作用力 2.3.6 纵臂悬架中的作用力及力矩 2.3.7 斜臂悬架中的作用力及力矩 2.3.8 转弯时车轮上的作用力再分配 目 录 6 6 2.3.9 弹簧和铰接上的静载荷 2.3.10 不平路面上的作用力 2.3.11 过铁路道叉时的作用力 2.3.12 起步和制动时的作用力 2.3.13 转弯时的作用力 2.3.14 作用于悬架零件上的力 2.3.15 持续作用力 2.3.16 短时作用于力 2.3.17 静力计算 2.3.18 疲劳强度计算 目 录 7 7 2.3.19 轴头计算 2.3.20 轮毂轴计算 2.3.21 驱动轴计算 2.3.22 作用
4、于悬架零件上的力 2.4 轮胎和车轮 2小时 2.4.1 要求 2.4.2 轮胎规格 2.4.3 车轮 2.4.4 轮胎弹性 目 录 8 8 2.4.5 滚动阻力 2.4.6 附着系数 2.4.7 轮胎回正力矩和轮胎拖距 2.5 轿车的平顺性 1小时 2.5.1 概要 2.5.2 平顺性的评价 2.5.3 悬架对平顺性的影响 2.6 轿车的操稳性 1小时 2.6.1 概要 2.5.2 操稳性的评价 2.5.3 悬架对操稳性的影响 目 录 9 9 课件内容 第一讲 3小时 内容： 1. 概要 2. 汽车悬架技术 2.1 振动理论基础 10 课件内容 1.概要 一辆性能优良的轿车，几乎所有的整车性
5、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，一般指除车身（含内外 饰件及附件)及电器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、 车架及它们相匹配的零部件总成排除在外。因此， 通常将底盘定义在两大系统之内，即： a. 传动系: 含离合器及其操纵机构、变速器（或前 轮驱动 箱及驱动轴）、传动轴、后桥及半轴。 b. 行路系: 含前轴系（包括车轮及轮毂）、悬架系 、转向系、制动系及其各自的操纵机构。 1111 课件内容 1.1 汽车悬架系 经验丰富的驾驶员在对一辆新车试车后，除对其动力性、
6、 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。而汽车的行驶平顺性及操稳性的优劣,则 取决于汽车的悬架系及轮胎的性能.前悬架的弹性元件性能决 定了平顺性,后悬架的弹性元件性能决定了操稳性,有关这方面 的详细内容将在后文内详述. 1212 课件内容 1.2 要求 车辆悬架的弹性元件及阻尼元件的参数 及结构选择应保证车辆行驶的舒适性(平顺性 ),行驶的安全性及转向的稳定性. 弹性元件、稳定杆、摆臂铰接、减震器 及其连结的形式与刚度；桥质量；发动机悬 置形式；轴距与轮距；特别是轮胎性能，都 直接对车辆的上述性能起着决
7、定作用,因此, 汽车悬架系应满足下述要求: 1313 课件内容 1.2.1 缓解由于路面不平引起的振动 和冲击，保证良好的平 顺性。 1.2.2 衰减车身和车桥（或车轮）的振动。 1.2.3 传递车轮和车身（含车架）之间的各种力（垂直力、 纵向力和横力）和力矩（制动力矩和反作用力矩）。 1.2.4 保证汽车行驶时的操稳性稳定性。 譬如软的弹性元件会导致车身侧倾度加大；低刚度和 大行程的弹簧是获得优良行驶平顺 ，降低车身纵向振动和增 大车轮与地面附着力及提高行驶安全性的前提。 例如，承受Gw=3000N载荷车轮落入深f=80mm的坑中(图1）, 假若采用刚度为Cs=10N/mm的软弹簧时，车轮与
8、坑底相接触的 一 瞬间剩余载荷为： Gw=Gw-fCs=3000-8010=2200 N 1414 课件内容 图1-1 而当悬架较硬(例如賽车)且Cs=20N/mm时,其剩余载荷仅为 1400N。有较高的剩余载荷意味着轮胎与路面之间有良好的附 着性。 1515 课件内容 同理，当汽车驶过高度为f=40mm路面台阶（图1 -2），在不考虑阻尼时采用硬弹簧时，路面 通过悬架传给车身的冲击力剧增： GW=Csf=2040=800 N，而采用软弹簧时 ，该力增加值GW=Csf=1040=400 N，因 此车轮载荷变化较小。 图1-2 1616 课件内容 2.汽车悬架技术 2.1 振动理论基础 在深入研
9、究悬架系之前，重温一下机械振动理论 是非常必要的（本文不作进一步的振动理论探讨） 。振动的三要素是：质量（惯量）、弹簧刚度（角 刚度）、阻尼。三者可组成一个动力学系统，了解 并掌握它们之间的相互关系后，可事半功倍地去有 效地解决产品中的大量质量问题 2.1.1 振动系统的描述 机械振动及噪声现象在人类所从事的各项活动和大自然中无处 不在。例如当一辆卡车在你窗前驶过时，玻璃会产生振动并发 出声响，汽车运行过程中所产生的各种振动和噪声等等。不是 所有的振动和噪声都是有害的，人们可以利用某些振动以改善 其生活质量，例如理疗按摩器、音响、汽车的平顺性等。 1717 课件内容 在人类科技活动中， 往往振
10、动和噪声会作为一种信 息传递给人们，以便发现设备故障并予以解决。 机械振动的分类有： 2.1.1.1按产生振动的原因来分： 自由振动： 在外力取消后，系统靠弹簧力 、 惯性力和阻尼力来维持的振动。这种振动靠弹性力 、惯性力、阻尼力来维持。振动因阻尼力而衰减， 阻尼愈大，衰减愈快。无阻尼自由振动是一种恒幅 简谐振动，例如蹦极运动，见图2-1。 强迫振动： 在激振力持续作用下，系统被迫产 生振动。该系 统与外部激振力的大小、方向和频率 有关。在简谐激振力作用下，同时会引起以固有频 率为振动频率的自由振动和以干扰频率为振动频率 的强迫振动，自由振动部分会很快衰减或消失 ，只 剩下强迫振动部分，即稳态
11、振动响应。 例如发动机汽门的强迫振动，见图2-2 1818 课件内容 图2-1 图2-2 1919 课件内容 自激振动：外部能量与系统运动产生耦合后形成震荡激励 所产生的振动。当外部能量停止输入时，振动也随之停止, 见图2-3。 图2-3 2020 课件内容 某款轿车在紧急制动时，由于后轮采用了非对称式钢板弹簧悬 架，轮胎与路面摩擦力的变化促成了自激振动，见图2-4。 图2-4 2121 课件内容 2.1.1.2 按振动随时间（时间域）的变化规律来分： 简谐振动： 物体随时间按正弦或余弦函数规律 变化的振动。如蒸气火车的曲柄连杆机构,前例所提 的蹦极运动。 非简谐振动：物体随时间按周期性函数规
12、律变 化的振动。 可用谐波分析方法将周期性函数分解成若干个 正弦或余弦函数振动之和。例如具有周期性的矩形 波（或三角波、锯齿波等）可用富里哀级数展开成 许多正弦（或余弦）波叠加起来表示。如汽门凸轮 输入的周期性运动。 2222 课件内容 随机振动： 物体的运动规律不具备周期性，而是随机的 振动。 例如：汽车行驶在不平的路面上，路面给汽车所造成 的振动。这种振动只能用数理统计方法来描述系统的运动规律 。 2.1.1.3 按振动系统结构参数来分： 线性振动：系统的惯性力、阻尼力和弹性恢复力分别与加 速度、速度和位移的一次方成正比。 系统的惯性力 Fa=ma=m dv/dt m 质量 v=dx/dt
13、 速度 Fr=Cv 系统的阻尼力 C 阻尼系数 Fk=kx 系统的弹性恢复力 k 弹簧刚度 x 位移 2323 课件内容 非线性振动：系统的惯性力、阻尼力和弹性恢复力分别与加速 度、速度和位移的n次方成正比，系统的固有频率与振幅有关 。 例如 弹簧的刚度曲线A是线性的，B是非线性的（见图2-5）。 图2-5 2424 课件内容 2.1.1.4 按振动系统的自由度来分： 单自由度系统的振动： 用一个广义坐标就能确定系统在任意瞬时 位置的振动。 多自由度系统的振动： 用两个或两个以上的广义坐标才能确定系 统在任意瞬时位置的振动。 例如汽车多自由度振动模型见图2-6及图2-7。 图2-6 2525 课件内容 图2-7 连续系统的振动： 需用无穷个广义坐标才能确定系统在任 意 瞬时位置的振动。例如车身的钣金件结构振动 2626 课件内容 2.1.1.5 按振动形式来分：见图2-8。 直线振动:物体只作直线振动。 扭转振动： 物体绕轴线作回转振动。 摆振:物体在一平面内绕垂直平面轴线作回转摆动。 图2-8 2727 课件内容 2.1.2 单质量系统的振动 线性单自由度系统是最简单、也是最基础的有限自由度集中参数系统。系统的最基本物理参数是：质量 m（N），弹簧刚度
