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1、 汽车悬架系统匹配与设计概述 本章系统的阐述了各种悬架结构, 力学模型的简化方法, 及设计计算方法。1 前悬架和后悬架概论 悬架的型式根据其是用于可转向的前桥，还是后桥，是用于驱动桥，还是非驱动桥而有所不同。此外，还有非独立悬架和独立悬架之别。属于后者的有双横臂式悬架和麦弗逊式悬架，它们所需侧向（即占汽车中部的）空间小（有利于发动机布置）；以及纵臂式悬架和斜置单臂式悬架，它们几乎不占用高度空间，从而允许行李箱宽敞，而且底部平整。 介于非独立悬架和独立悬架之间的是复合式悬架。它非常节省空间，但仅可用作为前轮驱动车辆的后悬架（见后文）。 在所有非独立悬架中，车桥在整个弹簧行程范围内运动，为此必须提
2、供车桥上方的空间。对于后桥来说，这就要减小行李箱空间，并使备胎布置困难；而对于前桥来说，车桥要布置在发动机下方，为了获得足够的弹簧压缩行程，就不可避免地要抬高发动机或者是把它后移。由于这个原因，非独立悬架用于前桥仅仅是在载货汽车以及全轮驱动的多用途轿车中。2 独立悬架概论 轿车底盘的发展应该比发动机发展得快。加速性能不断改善，最高车速和转弯车速愈来愈高以及行驶减速度愈来愈大，要求有更加安全的底盘。独立悬架正是适合于此要求。它的主要优点是：a. 需用空间小；b. 前束的运动学变化及弹性运动学变化产生不足转向趋势, 即具有高速随动转向性能（见后文）； c.易于实现驱动轮的转向； d.质量小； e.
3、左右车轮互不影响。 f.具有高的操纵稳定性能和平顺性能. 5.1 双横臂式悬架设计5.1.1双横臂悬架的结构与力学模型简化 图5.1.1 某货车的双横臂前悬架 图5.1.1 采用前置转向梯形的货车的前悬架。一根横梁用作副车架，通过螺栓连接在车架下方。弹簧、限位块、减振器和两对横臂支承在横梁这一“受力中心”上。只有横向稳定杆、转向器、转向直拉杆和下横臂的拉杆固定在车架纵梁上。拉杆前部支承着一个具有纵向弹性的橡胶支座。该支座缓和带束轮胎的纵向刚度。 双横臂式悬架的主要优点在于其运动规律的可设计性。根据横臂的相互位置，即角度和的大小，可定出侧倾中心和纵倾中心的高度，改变横臂长度，还会影响上下跳动的车
4、轮的角运动，即车轮的外倾角变化和（在极限情况下）与此相关的轮距变化。当双横臂较短时，车轮上跳导致外倾角沿负值方向变化而车轮下落时导致外倾角沿正值方向变化，因此车身侧倾时的外倾变化规律正好与此相反。纵倾中心O，对于前悬架来说，处在车轮后方；而对于后悬架来说，则在车轮前方。如果Oh置于车轮中心上方，不仅可以获得良好的抗转动纵倾性，而且还会减小驱动桥的启动下沉量。这也是双横臂式悬架愈来愈多地在较高级的轿车中用于后驱动桥的原因。 图5.1.2 弯长臂式汽车的前轮转向节 图5.1.2 Daimler_Benz 260 SE/560 SEC型车的前轮转向节。它的有效距离C较大。上横臂6上带有导向球铰链的壳
5、体。下承载铰链7压入车轮转向节5中。图中可清楚的看到可通风的制动盘34，他正对直径较大的轮毂9自里向外伸出。深槽轮辋43的底部不对称，从而为制动钳（图中未画出）留出了位置。 图5.1.3 双横臂式前悬架图5.1.3 Daimler_Benz 牌 260 SE/560 SEC型车的前悬架。为了使得主销偏移距rs=0mm时，可通风的制动盘具有较大的直径，该悬架的下承载铰链必须大致位于车轮中心处。拉伸和压缩行程限位块布置在充气的单筒式减振器中。先后伸出的支撑杆支撑着一根附S的隔音横梁。它的橡胶支座在图的左下方特别标出。 两横臂可使车轮的上下跳动符合所需的运动学特性，并由横臂传力给车身（图5.1.4）
6、。侧向力Fsva产生一个附加力矩。该力矩使得曲线行驶时汽车车身的侧倾度增大. 图5.1.4独立悬架的力学模型 图5.1.4 在前独立悬架中，曲线行驶时的侧向力Fsva在连接车身和车桥的横臂中引起反作用力FE和FG。由此在车身的左右侧均产生力矩，这些力矩增大车身的侧倾。不管这种情况如何，为了使得作用在车身和横臂支承处的力较小，并从而使支承中的橡胶件的变形不超出极限范围，应让双横臂式悬架中E点和G点之间的有效距离c尽可能大点。因此PASSAT等新型双横臂悬架采用较长的转向节上横臂,以便增加c的长度, 同时,能提高侧倾中心的高度,以便减少侧倾(角与力矩). 摆臂需要用支座支承，这些支座会在载荷作用下
7、变形，并影响悬架刚度；普遍采用支座中的橡胶件的扭转使得刚度增大。 随着车身的侧倾，车轮也倾斜（图5.1.5）。车身外侧车轮承受较大的侧向力分量，其外倾角沿正值方向变化，而车身内侧车轮的外倾角则沿负值方向变化，这会产生增大轮胎侧偏角的缺点。为避免这种情况，外倾角的运动学变化应弥补这一缺点（见后面章节）。此外，还要尽可能地减小曲线行驶时车身的侧倾。通过采用较硬的弹簧，附加横向稳定杆或者是增大侧倾中心的高度可以达到这一目的（见后文） 图5.1.5 曲线行驶中车身侧倾一个角度 图5.1.5 如果曲线行驶中车身侧倾一个角度，车身外侧独立悬架的车轮的外倾角变化一个正值a，而车身内侧车轮的外倾角变化一个负值
8、i。轮胎的侧偏角增大，从而传递侧倾力Fsa，i的能力下降。Mwv是车轮质量分配在前桥上的分量，Fcwv是作用在质心S高度上的离心力。一个车轮下跌，而 另一个车轮上跳，即车身两侧车轮“反向跳动”，这时：Fnva=Fnv+Fnv , Fnvi=Fnv-Fnv。 采用双横臂式悬架, 这种悬架在汽车的每一侧均有二根横臂，分别铰接在车架、副车架或者是车身上。如果是用作前悬架，则横臂外端通过球铰与车轮支架，确切地说是与转向节轴。横臂之间的有效距离c愈大（图5.1.4），作用在横臂及其支承上的力就愈小，即所有构件的变形就愈小，从而车轮的导向性愈精确。5.1.2汽车悬架运动学和车桥弹性运动学与定位参数设计车桥
9、运动学描述的是车轮在弹性变形过程和转向是的运动。而弹性运动学则是阐述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起车轮定位值的变化，这是悬架部件具有弹性的结果。DIN7000规定了反映所有运动的坐标方向（图5.1.6）。图5.1.6 DIN70000中规定的车桥坐标系。正的Z轴方向向上；从行使方向看，Y轴箭头向左 为了确保所期望的行使特性和直线行使操纵稳定性以及避免轮胎的过度磨损，车辆前桥应设计定位角，包括允许的公差。如果后桥不是非独立悬架的驱动桥，这一规定同样适用。前束可以通过转向横拉杆或一个偏心轮来调节，大多数情况下车轮外倾角和主销后倾角也可调节。主销内倾角、主销后倾角、轮胎外倾角、主销偏移距、主销后倾
10、拖距和前束角的设计值。 车轮定位值与负荷及载荷分配有关, 为了不给修理和批产中的测量工作造成不必要的麻烦，德国标准DIN70020把空载状况作为测量基准, ISO和GB标准也定空载为检查标准数值。1 轴距和轮距与悬架设计(2)轴距 轴距L-从前桥轴心至后桥轴心测得的距离-对行使性有决定性的影响。与汽车长度相比，大的轴距可以使乘客合理的安置在车桥之间，从而减小负荷对载荷分配的影响。并且车身的前悬部分和车身的后悬部分都较短，使纵倾振动的趋势下降，这样可以采用较软的弹簧，提高行使平顺性。相反，轴距较短则使转弯轻便，即同样的转向轮转角下，转弯圆较小。 大部分最近投入市场的这种形式汽车的轴距还是比以前的
11、要长。比值K1可以作衡量依据。在现在轿车中这个值为： 汽车越小，K1值应越大。轴距一般在L=2150-3070之间，可从各类汽车公司的说明书中获知。这是悬架设计的硬点之一.(3) 轮距 较大的前轮距bV和后轮距bh（图5.1.7），对汽车的曲线行使性能和侧倾具有决定性的影响。轮距应尽可能大，但其与汽车宽度的比值不能超过一个给定值。就前桥而言，车轮在上跳且转向角达最大时不允许擦及汽车翼子板。而且对于驱动桥（不管是前桥还是后桥都适用）来说，至少都有安装雪地防滑链所需的空间。车轮在上跳时不允许碰上任何底盘部件或车身。目前轿车的的轮距为bv，h=1205-1550。比值kB可作为衡量宽度利用率的参数，
12、它尽可能大：图5.1.7在双轮结构中，轮距bV是指车轮中心平面之间的距离。在此必须注意的是，每个车轮的承载的能力变小 在几乎所有的独立悬架中，车轮的上下跳动都会导致轮距发生变化。轮距变化的后果由其产生的作用而定；或者说-如以下章节所述-当需要较高侧倾中心时，轮距变化是不可避免的。轮距变化的缺点是会引起滚动轮胎的侧偏（图5.1.8和图5.1.9）。从而产生侧向力、较大的滚动阻力和使直线行使能力下降。此外，轮距变化还对转向系有影响。图5.1.8在独立悬架中，汽车驶过不平路面时车轮的上下跳动会引起轮距的变化，从而使轮胎产生侧偏角。由此不仅产生了侧向力，还使直线行使的能力下降，滚动阻力增大。图5.1.
13、9由于轮距的变化产生轮胎作用在路面上的侧向力FS。午线轮胎上测量的结果。 在底盘设计中要求事先在图纸上检查前桥和后桥上的轮距变化。为此可在双横臂式悬架中作出长度为c和f的横臂绕C点和D点（也就是横臂转轴）转动的圆弧。外侧球绞中心用点1和点2表示（图5.1.10）。为了描述车轮支架和车轮，配制了一块模板（图5.1.11）它上面的孔点除了点1和点2外还有车轮接地点N以及需要时还包括转向横拉杆外端铰中心U。如图5.1.10所示，着块模板上的点1和点2沿着绕C点和D点的圆弧运动。而且向上的运动的极限位置由模板上的N点到达预先按车轮上跳距离S1绘出的与地面的平行线决定，向下运动的极限位置由车轮下落距离S
14、2决定。在次将N和U的位移逐点绘出。由这些找到的点的连线即可定出轮距的变化以及转向横拉杆铰点的位移。但在此没有考虑横臂支承中的弹性。图5.1.10借助于图5.1.11中所述模块确定双横臂式悬架轮距变化（在车轮接地点N）和转向横拉杆外端绞点U的轨迹图解法。图5.1.11可简单确定轮距变化的模板。适用于双横臂式悬架（图5.1.10）麦弗逊式悬架在汽车翼子板上有一个支撑点C。在车轮上跳时下球铰点2和点C之间的距离缩短，而在车轮下落时该距离增长。在所有的独立悬架中，极点P的位置确定了（在小的弹性范围内的）瞬时轮距变化b。如果P点位于地面上，并且双横臂式悬架的横臂长度选择得使极点当车轮上下跳动时在地面上
15、来回侧向移动，则可避免轮距变化。通过计算、作图可以在弹簧行程S=70mm的范围内证明这一事实。不过在此还没有考虑存在的弹性。 在安装完毕的汽车上，轮距变化是可测量的。它是车轮上下跳动值（s1和s2）的函数，可通过测量支承着同一车桥上的2个车轮的2块平行板的侧向位移而获得。2块板相互平行是必要的，因为在车轮上下跳动时产生的微小的前束变化引起板的转动，会使测量不准。在图形表达中车轮跳动值标在纵坐标上（图5.1.12），并且-与车桥的运动方向一致-上跳值（s1）向上为正，下落值向下（s2）。零位置应与设计质量相对应，即汽车中乘坐3名（也可能是2名）68Kg的乘客。观察空车可能会与实际情况不符。 图5.1.12 独立悬架上两个车轮之间轮距bv或bh与载荷状态有关2个车轮的轮距变化b标在横坐标轴上，这是轮距增大（作为正值）向
