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1、第1章 绪论 1.1 悬架的重要性现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。舒适性是汽车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。图1-1为扭转梁后悬架示意图图1-1 扭转梁后悬架1.2 悬架的功能悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。
2、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；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此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。汽车在不平路面上行驶时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。1.3 悬架的设计要求为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能
3、低。前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架（或车身）。在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之稍有不足转向特性。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，对悬架提出的设计要求有：（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。（
4、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，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。1.4悬架系统研究与设计的领域汽车悬架系统的研究与设计主要是为了提高汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性。汽车悬架系统的研究与设计的领域也相应地分为两大部分：一是对汽车平顺性产生主要影响的悬架特性；另一是对汽车操纵稳定产生主要影响的悬架特性。前一部分主要是对悬架的弹性元件和阻尼元件特性展开工作，主要是将路面、轮胎、非簧载质量、悬架、簧载质量作为一个整体进行研究与设计，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激励下，影响汽车平顺性的弹性元件以及阻尼
5、元件的力学特性，因此可以称之为悬架系统动力学研究。后一部分主要是对悬架的导向机构进行工作，主要是研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运动、车轮定位及影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性。这一部分的研究称为悬架的运动学研究。考虑了弹性衬套等连接件对悬架性能的影响，则悬架运动学即为悬架弹性运动学。悬架弹性运动学是阐述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化特性。这样悬架系统的运动学研究就包括了悬架运动学和弹性运动学两个方面的内容。 第2章 汽车悬架概述悬架是汽车的车架与车桥或者车轮之间的一切传力、连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的
6、力和力矩，并且缓冲衰减由不平路面传给车架或车身的冲击，以保证汽车能平顺行驶。2.1悬架基本概念2.1.1悬架概念 保证车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。 2.1.2悬架基本组成悬架主要由弹性元件、导向机构和减振器组成，有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。弹性元件受冲击后会产生持续的振动，使乘坐不适，因此，设有减振器将振动迅速衰减，使振幅迅速减小。导向机构用来确定车轮相对于车架或车身的运动，传递除垂直力以外的各种力和力矩。为减少车轴对车架或车身的直接冲撞，一些汽车悬架上装有缓冲块，起限制移动行程
7、。横向稳定杆的作用是减少转弯时车身的侧倾，并提高轮胎对地面的附着力。2.1.3传力构件及导向机构车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。对导向机构的要求：（1） 悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过4.0mm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。（2） 悬架上载荷变化时，前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，在0.4g侧向加速度
8、作用下，车身侧倾角 6-7度，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。（4）制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。（5）具有足够的疲劳强度和寿命，可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。2.1.4横向稳定器在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件横向稳定器。横向稳定器实际是一根近似U型的杆件，两个端头与车轮刚性连接，用来防止车身产生过大侧倾。其原理是当一侧车轮相对车身位移比另外一侧位移大时，稳定杆承受扭矩，由其自身刚性限制这种倾斜，特别是前轮，可有效防止因一侧车轮遇障碍物时，限制该侧车轮跳动幅度。2.2悬架设计要求如前所
9、述，汽车悬架和簧载质量、非簧载质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求： （1）通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力。 （2） 合理设计导向机构，以确保车轮与车
10、架或车身之间力和力矩可靠传递。 （3） 导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引起转向轮摆振。（4） 侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾(即所谓“点头”和“后仰”)。（5） 悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小。 （6） 便于布置。（7） 所有零部件应具有足够的强度和使用寿命。 （8） 制造成本低。 （9） 便于维修、保养。第3章 悬架对汽车主要性能的影响悬架型式、导向杆系的布置以及悬架参数的选择等对汽车性能的影响，并不是孤立的，而是存在着一定的内在联系。为此从不
11、同角度去分析汽车各种性能的影响。3.1悬架对汽车平顺性的影响良好的汽车行驶平顺性不仅能保证乘员的舒适与所运货物的完整无损，而且还可以提高汽车的运输生产率、降低燃油消耗、延长零件的使用寿命及提高零件的工作可靠性等。目前主要参照国际标准ISO2631来评价汽车平顺性，它把乘员承受的疲劳-降低工效界限表示为振动加速度均方根值随频率变化的函数。对垂直振动而言，人体对48Hz的振动最敏感，所以这一频带的界限值最低。为使人体承受的振动不超过规定的界限值，主要靠悬架来降低车身振动加速度均方根值。在一定随机路面不平度的输入下，车身加速度的均方根值的大小，取决于车身加速度对路面不平度g的幅频特性“/g”，与车身
12、在悬架上振动的固有频率n、非周期性系数及非簧载质量m的大小有关。从图3-1可以看出，当车身固有频率越低曲线越低，车身加速度均方根值越小。图3-1 幅频特性曲线3.1.1悬架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响1车身固有振动频率若不考虑轮胎和减震器的影响，则车身固有频率 = Hz (3-1)式中： 固有角振动频率，rad/s C悬架刚度，N/m M簧载质量，kg由于在静载荷作用下悬架的静挠度= (3-2)则 = (3-3)当以每秒振动次数表示时， = Hz (3-4)式中：静挠度，cm。它是指汽车满载静止时悬架上的载荷F与此时的悬架刚度c之比。从上述公式中可见，车身振动的固有频率由簧载质量M、悬架刚度
13、c或由悬架静挠度决定。由试验得知，为了保持汽车具有良好的平顺性，车身振动的固有频率应接近人体所习惯的步行时的身体上、下运动的频率11.4Hz(6085次/min)，振动的加速度的极限允许值为0.30.4g。从保持所运货物完整性的观点出发，车身振动加速度也不能过大，如果车身加速度达到1g，则未经固定的货物可能离开车厢底板。因此为保证所运货物完整无损，振动加速度的极限值不应超过0.60.7g。悬架的动挠度是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12或23)时，车轮中心相对车架(或车身)的垂直位移。从图3-1可知，车身固有频率低于3Hz就可以保证人体最敏感
14、的48Hz处于减震区。值越低，车身加速度的均方根值越小。但在悬架设计时，值不能选得太低，这主要是值降低，悬架的动挠度就增大，在布置上若不能保证足够大小的限位行程，就会使限位块撞击的概率增加。另外，值选得过低，悬架设计不选取一定措施，就会增大制动“点头“角和转弯侧倾角，使空、满载是车身高度的变化过大。各种车型车身固有频率的实用范围为：货车1.52Hz；旅行客车1.21.8Hz；高级轿车11.3Hz。 2 弹性特性 在悬架设计中，通常把力和变形的关系的关系曲线，即车轮受到的垂直外力与由此所引起的车轮中心相对于车身位移的关系曲线，称为悬架的弹性特性曲线，曲线的斜率为悬架的刚度。a、线性弹性特性线性弹
15、性特性，即悬架变形与所受载荷成比例地变化。其刚度G是常数。一般钢板弹簧悬架即属此类。图3-2为弹簧特性曲线。具有线性弹性特性的汽车，在使用中其车身振动的固有频率将随装载的多少而改变，尤其是后悬架载荷变化很大的货车和大客车，这种变化会使汽车前后悬架的频率相差过大，结果导致汽车车身的猛烈颠簸(纵向角振动)，因而使汽车行驶平顺性变坏。a线性弹性弹性 b非线性弹性特性图3-2 弹性特性曲线b、非线性弹性特性非线性弹性特性的悬架，即悬架的刚度可随载荷的改变而变化，也称变刚度悬架。由于刚度c随载荷而改变，可以使得在载荷变化时，保持车身振动的固有频率不变，从而获得良好的汽车行驶平顺性。这时，在曲线上任意点M，必须满足P=f=常数 (3-5)式中：P特性曲线上任意点M的载荷； 任意点M的悬架刚度；f求刚度时的次切矩，也有人称f为悬架的折算静挠度；
