底盘平台设计的灵魂

2003 年 2 月底盘平台设计的灵魂 —悬架与相关技术1底盘平台设计的灵魂 —悬架与相关技术一、悬架的运动学、车身的侧倾与纵倾一、悬架的运动学、车身的侧倾与纵倾一、悬架的运动学、车身的侧倾与纵倾一、悬架的运动学、车身的侧倾与纵倾二、轮荷转移二、轮荷转移二、轮荷转移二、轮荷转移三、侧倾转向三、侧倾转向三、侧倾转向三、侧倾转向 四、侧向力转向四、侧向力转向四、侧向力转向四、侧向力转向五、纵向力转向五、纵向力转向五、纵向力转向五、纵向力转向六、车轮定位六、车轮定位六、车轮定位六、车轮定位七、轮胎特性与稳态转向特性七、轮胎特性与稳态转向特性七、轮胎特性与稳态转向特性七、轮胎特性与稳态转向特性八、汽车操纵的瞬态响应八、汽车操纵的瞬态响应八、汽车操纵的瞬态响应八、汽车操纵的瞬态响应2一、一、悬架的运动学悬架的运动学 §1. §1. 传统的侧倾中心传统的侧倾中心(R.C.)(R.C.)概念及其局限性概念及其局限性•““单摆单摆””模型不能解释车身模型不能解释车身 的垂向运动（的垂向运动（Jacking effectJacking effect））•非独悬架的非独悬架的R.C.R.C.•纵倾是否也有纵倾是否也有““摆动中心摆动中心””？？3§2. §2. 车身稳态位移的一般分析车身稳态位移的一般分析• 车身受有三种力（达朗贝尔概念）车身受有三种力（达朗贝尔概念） 1. 1. 重心处的重力与惯性力重心处的重力与惯性力 2. 2. 导向杆系的导向力导向杆系的导向力 3. 3. 弹性元件的弹簧力弹性元件的弹簧力P2P1NN1N24• 等效系统等效系统, ,将弹簧力简化将弹簧力简化 到车轮接地点到车轮接地点( (杠杆比为杠杆比为 1) 1) 处处, ,目的目的: : ━ ━ 便于确定有效导向力的便于确定有效导向力的 方向与大小方向与大小 ━ ━ 初始弹簧力与重力抵消初始弹簧力与重力抵消 ━ ━ 便于由弹簧变形和轮距便于由弹簧变形和轮距 ( (轴距轴距) )来确定车身位移来确定车身位移N5• 弹簧力的确定弹簧力的确定ü 三种力相平衡三种力相平衡ü 弹簧力必等于惯性力与导向力弹簧力必等于惯性力与导向力 的总和的总和ü对于等效系统确定了导向力对于等效系统确定了导向力 就等于确定了弹簧力就等于确定了弹簧力ü确定了弹簧力就等于确定了确定了弹簧力就等于确定了 车身倾角车身倾角• 导向力的分解与导向力的分解与““力矩中心力矩中心””ü 导向力合力未必水平导向力合力未必水平ü 在在““中性面中性面””处分解的意义：处分解的意义： 车身的垂向平动与转动车身的垂向平动与转动S2S2NS1S1N2N16• ““中性面中性面””的确定的确定 • 车身位移车身位移 其中：其中：中性面7§2. §2. 车身侧倾车身侧倾l通常对称面就是中性面通常对称面就是中性面l由单侧导向力方向可确定由单侧导向力方向可确定 ( (整车整车) )l l外加轮胎变形外加轮胎变形l若左右载荷与弹簧刚度不对称若左右载荷与弹簧刚度不对称……?……?NS1S1N2N1S2S2c悬上质心悬上质心h2h1ab8§3.§3.侧倾性能小结侧倾性能小结l 降低降低 的途径：降低的途径：降低重心，重心， 提高力矩中心提高力矩中心l 提高侧倾力矩中心的提高侧倾力矩中心的 限制限制l 取决于 与l l 9lBenz─600Benz─600前悬架前悬架━ 上下跳动时主肖后倾角上下跳动时主肖后倾角 都会增大都会增大━ ━ 具有明显的具有明显的““抗点头角抗点头角””━ ━ 可安排所需要的侧倾力可安排所需要的侧倾力 矩中心高度矩中心高度（前轮与车身纵（前轮与车身纵向的相对瞬心）向的相对瞬心）10l““半独立半独立””纵单臂后悬架纵单臂后悬架 ━ 侧倾时横梁中点是一个侧倾时横梁中点是一个““不不 动点动点””, ,因此可看成一种因此可看成一种““斜斜 置单臂置单臂””却只有一个铰点却只有一个铰点 ━ ━ 横梁前移横梁前移““臂长臂长””增大增大, ,移至移至 铰点处铰点处 独纵单臂。

移至独纵单臂移至 轮轴线轮轴线 臂长为半轮距臂长为半轮距 （非独立悬架）（非独立悬架）11 ━ 虚擬主肖虚擬主肖:上两杆与下两杆交点上两杆与下两杆交点 尽量接近车轮中心面尽量接近车轮中心面 ━ ━ 纵向瞬心与横向瞬心纵向瞬心与横向瞬心 位置可以任意选择位置可以任意选择 ━ ━ 可以满足可以满足 , , 引起的引起的 弹性转向要求弹性转向要求多杆悬架多杆悬架━━满足多种要求满足多种要求虚擬主肖12二、轮荷转移分析二、轮荷转移分析§1. §1. 纵向轴荷转移纵向轴荷转移l为何不能用侧向分析法为何不能用侧向分析法？？ ─ ─ 不对称不对称PZ2PX1PX2PZ1MgPZ2PX1PX2PZ1l在坡道上的轴荷转移在坡道上的轴荷转移l在驱动与制动时的轴荷在驱动与制动时的轴荷 转移转移13侧向轮荷转移的主要组成（侧向轮荷转移的主要组成（ 时）时） ━ ━ 弹簧力转移（静不定问题弹簧力转移（静不定问题 弹簧力转移取决于弹簧刚度分配弹簧力转移取决于弹簧刚度分配, ,由弹簧变形计算）由弹簧变形计算） ━ ━ 导向力转移（由作用在力矩中心处的侧向力计算）导向力转移（由作用在力矩中心处的侧向力计算） ━ ━ 高速时要计算空气力的作用高速时要计算空气力的作用在同时存在在同时存在 与与 时，轮荷应叠加时，轮荷应叠加当当 增大时增大时 大的轴大的轴, ,轮荷转移加剧轮荷转移加剧, ,会导致侧偏角急会导致侧偏角急 剧增大剧增大§2.§2.侧向轮荷转移侧向轮荷转移14三、侧倾转向三、侧倾转向 §1.§1.非独立悬架的侧非独立悬架的侧 倾转向倾转向 钣簧的侧倾转向钣簧的侧倾转向 非独立悬架纵向单臂非独立悬架纵向单臂 非独立四连杆悬架非独立四连杆悬架 ━ ━ 求轮心轨迹和求轮心轨迹和 三杆机构需求三点座标三杆机构需求三点座标CA，BdD15§4.§4.其其它它导导向向机机构构( (侧侧倾倾)━)━等等效效单单横横臂臂概概念念““刚刚化化定定理理””c对称面对称面cc对称面对称面c16斜置单臂斜置单臂俯视俯视（等效）（等效）俯视俯视侧视侧视（等效）（等效）后视后视17§5. §5. §5. §5. 车身纵倾车身纵倾车身纵倾车身纵倾中性面中性面N1N1N2X2X2Z2N2N1Z1X2N18大侧倾角下力矩中心的变化大侧倾角下力矩中心的变化Z2N2S2Z1S1N1NN2cN119§6. §6. 其它导向机构其它导向机构 ━ ━ 等效纵臂概念等效纵臂概念20§7. §7. 钣簧的导向作用钣簧的导向作用l侧向反力作用线取决于吊耳、卷耳的刚性与弧高侧向反力作用线取决于吊耳、卷耳的刚性与弧高l一般在卷耳平均高度点与第一片中点之间，更靠一般在卷耳平均高度点与第一片中点之间，更靠 近卷耳高度近卷耳高度l纵向等效单臂，由车轮接地点运动学确定。

纵向等效单臂，由车轮接地点运动学确定N21l侧倾轴的倾角侧倾轴的倾角 ━ 前低后高是因为前面是双横臂后面非独立前低后高是因为前面是双横臂后面非独立 ━ ━ 驱动桥的侧倾中心不可太高（影响转弯时的驱动力）驱动桥的侧倾中心不可太高（影响转弯时的驱动力）C1C222§8. 结构比较与案例分析结构比较与案例分析l独立悬架与非独立悬架的特点独立悬架与非独立悬架的特点 ━ ━ 侧倾力矩中心的高度侧倾力矩中心的高度: : 多数非独立悬架和横单臂多数非独立悬架和横单臂 独立悬架都较高独立悬架都较高, , 其它独其它独 立悬架立悬架( (双横臂双横臂, , 纵单臂纵单臂, , 纵双臂等）较低纵双臂等）较低 ━ ━ 有效弹簧距有效弹簧距, , 独立悬架的独立悬架的 有效弹簧距等于轮距有效弹簧距等于轮距, , 非非 独立悬架独立悬架 通常较小通常较小, ,特特 殊布置可以不同殊布置可以不同23  独立纵单臂独立纵单臂 ━ ━ 水平轴水平轴 前后移动不产生转角前后移动不产生转角 ━ ━ 非水平轴非水平轴 “ “八八””字轴的不足转向性字轴的不足转向性 横向单臂和斜单臂独立悬架横向单臂和斜单臂独立悬架 ━ ━ 侧倾转向性、等效臂长侧倾转向性、等效臂长 ━ ━ 铰轴的垂直分量铰轴的垂直分量 前独立悬架与转向杆系的干前独立悬架与转向杆系的干涉转向涉转向 多杆机构的杆涉转向多杆机构的杆涉转向 等效简化原理等效简化原理§2.§2.独立悬架的侧倾转向独立悬架的侧倾转向q q等效系统等效系统xq q24 转向系弹性引起的附加转角转向系弹性引起的附加转角 导向系弹性引起的附加转向导向系弹性引起的附加转向 独立纵臂与斜单臂后悬架的侧向力转向倾向独立纵臂与斜单臂后悬架的侧向力转向倾向 侧向力导致轮胎侧倾侧向力导致轮胎侧倾yFsykxaC/ )FD(x x+ += =d dyFzF四、侧向力转向四、侧向力转向xDkx xand dd dd d+=Fy2Fy125 随动转向后悬架随动转向后悬架 — — 逆向弹性转向逆向弹性转向桑塔那的后悬架桑塔那的后悬架富康的随动转向后悬架富康的随动转向后悬架 26刹车转舵问题刹车转舵问题: : 太大太大盘式制动的优点盘式制动的优点纵向力引起车轮侧倾纵向力引起车轮侧倾ABSABS引起的转向扰动引起的转向扰动DYCDYC引起的转向扰动引起的转向扰动多杆悬架多杆悬架制动时的板簧卷曲制动时的板簧卷曲五、纵向力转向五、纵向力转向ρ<0ρ27制动时的板簧卷曲制动时的板簧卷曲 造成制动转向造成制动转向五、纵向力转向五、纵向力转向28 ━ 加大前拉杆的柔性加大前拉杆的柔性, , 使后轮在侧向使后轮在侧向 力作用下产生向内转向角力作用下产生向内转向角 ━ ━ 通过弹性转角来抵消侧偏角通过弹性转角来抵消侧偏角, , 以提高后轮有效侧偏刚度以提高后轮有效侧偏刚度 ━ ━ 可以设计虚擬主肖位置可以设计虚擬主肖位置, ,引起适当引起适当 的弹性转向以增进制动稳定性的弹性转向以增进制动稳定性多杆随动转向后悬架多杆随动转向后悬架V虚擬主肖虚擬主肖.29kd dkx x(外张）g gyF(外向)g gg gzMkxD §1 .§1 .车轮定位参数车轮定位参数 车轮前束车轮前束 toe toe 车轮外倾车轮外倾 主销后倾主销后倾 主销内倾主销内倾 主销纵偏距主销纵偏距 主销侧偏距主销侧偏距kb bg g六、车轮定位六、车轮定位kxDkyD yFkb bg g30§2.§2.车轮外倾与轮胎侧倾特性车轮外倾与轮胎侧倾特性外倾因载荷、制动与跳动而改变外倾因载荷、制动与跳动而改变轮胎侧倾特性：侧向力与反回正力矩轮胎侧倾特性：侧向力与反回正力矩外倾原因外倾原因:“:“传统传统”,”,间隙，弹性，路间隙，弹性，路拱拱§3.§3.前束与轮胎侧偏特性前束与轮胎侧偏特性前束原因前束原因: :平衡外倾平衡外倾载荷变化与车轮跳动时前束的变化载荷变化与车轮跳动时前束的变化干涉转向干涉转向干涉转向的合理值干涉转向的合理值滚动阻力要求适当增大前束，制动滚动阻力要求适当增大前束，制动 时车轮前张时车轮前张( )( )31  主销拖距主销拖距  高速回正原理高速回正原理  载荷变化（制动）与车轮跳动载荷变化（制动）与车轮跳动 的变化的变化  主销拖距与撒手稳定性主销拖距与撒手稳定性  与前轮摆振与前轮摆振xkktanRD+ += =x x §5§5．主销内倾与侧偏距．主销内倾与侧偏距  低速回正性低速回正性 作用的消失作用的消失  重力弹簧重力弹簧  回正力距与回正力距与 还是还是 成比例？成比例？  计算方法计算方法§4§4．主销后倾与纵偏距．主销后倾与纵偏距kyD yFkb bg g32  高速回正原理定位参数必须足以克服干摩擦高速回正原理定位参数必须足以克服干摩擦 ( (残余横摆角速度与转向盘转角）残余横摆角速度与转向盘转角）  转向逆效率要低吗？转向逆效率要低吗？  减小转向系干磨擦，减小定位角，加转向阻减小转向系干磨擦，减小定位角，加转向阻 尼器是近代趋势尼器是近代趋势  减小减小 （地面主销侧偏距）的意义和（地面主销侧偏距）的意义和““负偏负偏 距距””的优点的优点  盘式制动的必要性盘式制动的必要性§6§6．主销定位参数的选择与近代趋势．主销定位参数的选择与近代趋势33七、轮胎特性与稳态转向特性七、轮胎特性与稳态转向特性*ya1da)(d.LvGy2120- -®®d d- -d d= =kVy212cda)(d/Lvd d- -d d- -= =L121d d- -d d 2 VR1d ded d21d d- -d dya中性转向点中性转向点1d d2d d'1d d- - 临界车速临界车速 开环增益开环增益 时不稳定不稳定: :-U.Sy21ad d- -d d过度转向区过度转向区34影响稳态转向特性的因素影响稳态转向特性的因素 轮胎特性与稳态转向特性轮胎特性与稳态转向特性稳态转向特性转折的原因稳态转向特性转折的原因– 侧倾刚度比侧倾刚度比– – 侧倾力矩中心高度侧倾力矩中心高度– – 随随 的的 而而 – – 轮胎侧偏特性的饱和轮胎侧偏特性的饱和– – 驱动力对饱和的影响驱动力对饱和的影响– – 制动力分配制动力分配35改善稳态转向特性的措施改善稳态转向特性的措施 轮胎特性与稳态转向特性轮胎特性与稳态转向特性– – 前置横向稳定器前置横向稳定器– – 后非独立悬架后非独立悬架 B Bs s2 2 – – 后非独立悬架板簧下置后非独立悬架板簧下置– – 后板簧前低后高后板簧前低后高– – 后非独立中心弹簧后非独立中心弹簧– – 老老BenzBenz的后悬架：的后悬架： h h2 2, ,中心弹簧中心弹簧36– “– “随动转向随动转向””– – 后悬架的反稳定杆后悬架的反稳定杆 轮胎特性与稳态转向特性轮胎特性与稳态转向特性37操纵操纵指令指令 6n个个轮胎运动轮胎运动轮胎轮胎附加附加运动运动6n个个 轮轮 胎胎 力力 6m个个运动参数运动参数空气六分力空气六分力风扰风扰38v 八、八、八、八、汽车操纵动态响应的基本分析汽车操纵动态响应的基本分析汽车操纵动态响应的基本分析汽车操纵动态响应的基本分析<二自由度角输入运动二自由度角输入运动 （线性模型）（线性模型）运动模型与座标运动模型与座标 XYZXYZ固定于汽车重心固定于汽车重心)r(+ +b b» »&侧偏角侧偏角：：2vv2yPb b绝对座标绝对座标d d1y1yPy y2d dLbaj j1d dYXvxv39二自由度角输入运动二自由度角输入运动微分方程、传递函数微分方程、传递函数其中其中拉拉氏变换得传递函数氏变换得传递函数401)(Rew w)(w wq q相位s/m10= =s/m10= =rG/)j(rw wd dd d/r)RI(tem1g- -= =q q)(Imw ww w2m2erIRG+ += =20406080s/m40= =vs/m40= =)s/rad(w w频率特性：传递函数中令频率特性：传递函数中令S S＝＝jω,jω,其实部其实部与虚部与虚部 均为均为 的函数的函数，二自由度角输入运动二自由度角输入运动 即实频特性与虚频特性：即实频特性与虚频特性：4幅频特性：幅频特性： 宽平为优宽平为优4相频特性：相频特性： 以小为优以小为优4 频率特性：频率特性： —低速：增益平坦低速：增益平坦 相位滞后相位滞后—高速：增益高峰高速：增益高峰 低度频超前低度频超前 高频滞后高频滞后 2 4 6 8 10 12 14 162 4 6 8 10 12 14 16 vvvv41A0T,0T21> >> >K1c= =n n\\05.oeTT 与与ee05.0T320ln.TT= == =eTtAe- -二自由度角输入运动二自由度角输入运动l角输入运动特征角输入运动特征4稳定条件：传递函数分母为特征函数稳定条件：传递函数分母为特征函数，根的实部不大于根的实部不大于0 0的条件为的条件为：：4名义自然频率名义自然频率4过渡时间过渡时间,即424反应速度与反应时间反应速度与反应时间4相对阻尼系数相对阻尼系数 t当二自由度角输入运动二自由度角输入运动得时，sg g) t (g g43（（1 1））某某车车 C C1 1 = = 70N/rad/Kg70N/rad/Kg，，C C2 2 =110N/rad =110N/rad /Kg/Kg，，L L =3m=3m，， η=1η=1，， 计算运动特征，计算运动特征，K,K,（（2 2）在）在 C C2 2=110N/rad/Kg =110N/rad/Kg 下，改变下，改变 C C1 1=40,70,100,30N/rad/Kg =40,70,100,30N/rad/Kg 讨论汽车操纵运动特征的变化。

讨论汽车操纵运动特征的变化3 3）在（）在（1 1）参数下讨论）参数下讨论 对运动特征的影响对运动特征的影响m4 , 3 , 2L, 5 .1,1, 5 . 0= == =h h练习题练习题二自由度角输入运动二自由度角输入运动44。