轎車前懸設計

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1、轎車前懸設計 第一章 概述 懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性地連接起來。其主要任務是傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鬟f給車的沖擊載荷，減少由此引起的承載系統(tǒng)的振動，確保汽車的平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，確保汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛的能力。 懸架由彈性元件、導向機構(gòu)、減振器、緩沖塊和橫向穩(wěn)定器組成。 導向機構(gòu)由導向桿系組成，它決定了車輪相對車架的運動特性，并且傳遞了除彈性元件傳遞的垂直力以外的力和力矩。當用縱置鋼板彈簧作彈性元件時，它兼起導向裝置的作用。緩沖塊的作用是用來減輕車

2、軸對車架的直接沖撞，防止彈性元件產(chǎn)生很大的變形。裝有橫向穩(wěn)定器的汽車，能減少轉(zhuǎn)彎行駛時的車身側(cè)傾角和橫向角振動。 對懸架的設計要求有以下幾點： （1）保證汽車有良好的行駛平順性。 （2）具有合適的衰減振動能力。 （3）保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。 （4）汽車制動或加速時能保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，即點頭或后仰；轉(zhuǎn)彎時車身側(cè)傾角要合適。 （5）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小。 （6）可靠的傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩。在滿足零部件質(zhì)量小的同時，還要保證有足夠的強度和壽命。 （7）有良好的隔音能力。 為了滿足汽車具有良好的行駛平順性，要求由簧上質(zhì)量與彈性元件組成的振動系統(tǒng)的固有頻率

3、應在合適的頻段，并盡可能的低。前、后懸架固有頻率的匹配應合理，對乘用車，要求前懸架固有頻率略低于后懸架的固有頻率，還應盡量避免懸架撞擊車身。在簧上質(zhì)量變化時，車身變化要盡可能要小，因此，要采用非線性彈性特性懸架。 汽車在不平路面上行駛時，由于懸架具有彈性特性，使汽車產(chǎn)生垂直振動。為了迅速衰減這種振動和防止車身、車輪的共振，減小車輪振動的振幅，懸架應當裝有減振器，并具有合理的阻尼。利用減振器的阻尼作用，使汽車振動的振幅持續(xù)減小，直至停止。 要正確選擇懸架方案和參數(shù)，在車輪上、下跳動時，使主銷定位角變化不大、車輪運動與導向機構(gòu)運動協(xié)調(diào)，防止前輪擺振；汽車轉(zhuǎn)向時，應使之稍微有不足轉(zhuǎn)向特性。 獨

4、立懸架導向桿系鉸接處多采用橡膠襯套，能隔絕車輪所受來自路面的沖擊向車身的傳遞。 近年來，主動懸架的出現(xiàn)不僅能很好地提高汽車行駛能力，而且能更好地保持車廂姿態(tài)，減小側(cè)傾、縱傾。 第二章 懸架的結(jié)構(gòu)形式分析 2.1 非獨立懸架和獨立懸架 汽車的懸架分為非獨立懸架和獨立懸架兩種，非獨立懸架的特點是：車輪裝在一根車軸的兩端，當一邊車輪跳動時，另一側(cè)車輪也隨之跳動，使整個車身振動或傾斜；獨立懸掛的特點是：車軸是分成兩段的，每只車輪由螺旋彈簧獨立安裝在車架下面，當一邊車輪發(fā)生跳動時，另一邊車輪不隨之跳動，兩邊的車輪可以獨立運動，大大提高了汽車的平穩(wěn)性和舒適性。（如圖2.1） 圖2.1懸架

5、的結(jié)構(gòu)形式簡圖 非獨立懸架是以縱置式鋼板彈簧為彈性元件兼起導向裝置，其主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便，工作可靠。缺點是：由于整車布置上的限制，鋼板彈簧不可能有足夠的長度（特別是前懸架），使之剛度變大，所以汽車平順性變差；簧下質(zhì)量大；在不平路面上行駛時，左、右車輪相互影響，并使車軸和車身傾斜；當兩側(cè)車輪不同時跳動時，車輪會左、右搖擺，使前輪容易產(chǎn)生擺振。前輪跳動時，懸架易與轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)產(chǎn)生運動干涉；當汽車直線行駛在凹凸不平的路段上時，由于左右兩側(cè)車輪反向跳動或只有一側(cè)車輪跳動時，不僅車輪外傾角有變化，還會產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，離心力也會產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；所以導致汽

6、車高速行駛時操作穩(wěn)定性差。非獨立懸架常用在貨車，大客車的前、后懸架以及某些轎車的后懸架[1]。 獨立懸架的結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)的車輪各自獨立地與車架或車身彈性連接。與非獨立懸架相比，獨立懸架很少用鋼板彈簧作為彈性元件，而多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧作為彈性元件，因而具有導向機構(gòu)。與非獨立懸架相比，獨立懸架具有更多優(yōu)點：簧下質(zhì)量??；懸架占用的空間?。粡椥栽怀惺艽怪绷?，所以可以使用剛度較小的彈簧，使車身振動頻率降低，改善了汽車的行駛平順性；由于采用的是斷開式車軸，降低了發(fā)動機的位置高度，使整車的質(zhì)心高度下降，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性；左、右車輪各自獨立運動，互不干涉，減少了車身的傾斜和振動，同時在不平路

7、面上能夠獲得良好的地面附著力；獨立懸架可以提供多種方案供設計人員挑選，以滿足不同的設計要求。獨立懸架的缺點是：結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，維修困難。獨立懸架主要用于乘用車和部分質(zhì)量較小的商用車上。 2.2獨立懸架結(jié)構(gòu)形式分析 獨立懸架又分為雙橫臂式、單橫臂式、雙縱臂式、單縱臂式、單斜臂式、麥弗遜式和扭轉(zhuǎn)隨動臂式等幾種類型。 對于不同結(jié)構(gòu)形式懸架而言，不僅結(jié)構(gòu)特點不同，而且許多基本特性也大不相同，常從以下幾個方面進行評價： 1. 車輪定位參數(shù)的變化 車輪相對車身上下跳動時，主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和車輪前束等定位參數(shù)會發(fā)生變化，若主銷后傾角變化較大時，易導致轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺振；若車輪

8、外傾角變化較大時，會影響汽車直線行駛的穩(wěn)定性，同時也會對輪距的變化和輪胎的磨損速度產(chǎn)生影響。 2. 側(cè)傾中心高度 汽車在側(cè)向力的作用下，車身在通過左、右車輪中心的橫向垂直平面內(nèi)發(fā)生側(cè)傾時，相對地面的瞬時轉(zhuǎn)動中心，稱為側(cè)傾中心。側(cè)傾中心距離地面的高度稱為側(cè)傾中心高度。側(cè)傾中心位置越高，它到車身質(zhì)心的距離就會縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，也會減小車身的側(cè)傾角。但是如果側(cè)傾中心過高，就會導致車身傾斜時輪距變化較大，加快輪胎的磨損。 3. 懸架側(cè)傾角剛度 當汽車作穩(wěn)態(tài)圓周行駛時，受到側(cè)傾力的作用下，車廂繞側(cè)傾軸線轉(zhuǎn)動，稱此轉(zhuǎn)動角度為車廂側(cè)傾角。車廂側(cè)傾角受到側(cè)傾力矩和懸架總的側(cè)傾角

9、剛度的影響，從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性。 4. 橫向剛度 懸架的橫向剛度對汽車的操縱穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響，若轉(zhuǎn)向軸上的懸架橫向剛度較小，容易導致轉(zhuǎn)向輪發(fā)生擺振現(xiàn)象。 不同類型的懸架所占用的空間不同，橫向尺寸大的懸架會對發(fā)動機的布置產(chǎn)生影響，并且加大了發(fā)動機從汽車上拆裝困難程度。高度尺寸小的懸架，可以使行李箱更加寬敞，底部更加平整，油箱更容易布置。因此，懸架所占用的空間尺寸也用來作為評價指標之一。表2-1分析了不同形式的特點。 特性 導向機構(gòu)形式 雙橫臂式 單橫臂式 單縱臂式 單斜臂式 麥弗遜式 扭轉(zhuǎn)梁隨動臂式 側(cè)傾中心高度 比較低 比較高 比較低 居單橫臂

10、式和單縱臂式之間 比較高 比較低 車輪相對車身跳動時車輪定位參數(shù)的變化 車輪外傾角與主銷內(nèi)傾角均有變化 車輪外傾角與主銷內(nèi)傾角變化大 主銷后傾角變化大 有變化 變化小 左、右輪同時跳動時不變 輪距 變化小，故輪胎磨損速度慢 變化大，故輪胎磨損速度快 不變 變化不大 變化很小 不變 懸架側(cè)傾角剛度 較小，需要用橫向穩(wěn)定器 較大，可不裝橫向穩(wěn)定器 較小，需要用橫向穩(wěn)定器 居單橫臂式和單縱臂式之間 較大，可不裝橫向穩(wěn)定器 橫向剛度 橫向剛度大 橫向剛度小 橫向剛度較小 橫向剛度大 占用的空間尺寸 占用較多的空間 占用較少的空間 幾乎不占用

11、高度空間 占用的空間小 其他 結(jié)構(gòu)稍復雜，前懸架用的較多 結(jié)構(gòu)簡單、成本低，前懸架上用得少 結(jié)構(gòu)簡單、成本低 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，乘用車上用的較多 結(jié)構(gòu)簡單，用于發(fā)動機前置前輪驅(qū)動乘用車的后懸架 表2-1不同形式懸架特點 2.3輔助元件 1. 橫向穩(wěn)定器 通過降低懸架垂直剛度c，從而降低了車身振動固有頻率n（），達到了提高平順性的目的。由于懸架的側(cè)傾角剛度和懸架垂直剛度c之間成正比關(guān)系，所以垂直剛度c的減小會引起側(cè)傾角剛度的減小，同時增加了車廂側(cè)傾角，從而導致車廂中的乘員感到不舒適和降低了行車安全感。解決這一問題的方法就是安裝一個橫向穩(wěn)定器。安裝橫向穩(wěn)定器的汽車，就可

12、以在懸架垂直剛度c不增大的情況下增大懸架側(cè)傾角剛度。 汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時產(chǎn)生的側(cè)傾力矩，使內(nèi)、外側(cè)車輪的負荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而影響車輪側(cè)偏剛度K和車輪側(cè)偏角δ變化。前、后軸車輪負荷轉(zhuǎn)移大小，主要受到前、后懸架側(cè)傾角剛度值的影響。當前懸架側(cè)傾角剛度大于后懸架側(cè)傾角剛度時，前軸的負荷轉(zhuǎn)移大于后軸上的負荷轉(zhuǎn)移，并使前輪側(cè)偏角大于后輪側(cè)偏角，保證汽車有不足轉(zhuǎn)向特性。在汽車前懸架上安裝橫向穩(wěn)定器，能增大前懸架的側(cè)傾角剛度。 2. 緩沖塊 緩沖塊通常由橡膠制造（如圖2-2），通過硫化將橡膠與鋼板連接為一體，再經(jīng)焊在鋼板上的螺釘將緩沖塊固定到車架（車身）或其它部位上，起到限制懸架最大行程的作用, 還有些由多

13、孔聚氨脂制成（如圖2-3） ，它兼有輔助彈性元件的作用。這種材料起泡時就形成了致密的耐磨外層，它保護內(nèi)部的發(fā)泡部分不受損傷。由于在該材料中有封閉的氣泡，在載荷作用下彈性元件被壓縮，但其外廓尺寸增加卻不大，這點與橡膠不同。有些汽車的緩沖塊裝在減振器上[1]。 圖2-2橡膠緩沖塊 圖2-3由多空聚氨酯制成的輔助彈性元件形狀 第3章 懸架主要參數(shù)的確定 3.1懸架靜撓度 懸架靜撓度是指汽車滿載靜止時懸架上的載荷與此時懸架剛度之比，即。 汽車前、后懸架與其簧上質(zhì)量構(gòu)成的振動系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之

14、一。因為現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配ε系數(shù)近似等于1，所以汽車前、后軸上方車身兩點的振動不相互影響。因此，汽車前部分車身的固有頻率可用下式表示 （3-1） 式中，為前懸架的剛度（）；為前懸架的簧上質(zhì)量（kg）。 當采用彈性特性為線性變化的懸架時，前、后懸架的靜撓度可用下式表示 式中，g為重力加速度，。 將代入式（3-1）得到 （3-2） 分析（3-2）可得：懸架的靜撓度直接影響車身振動的偏頻n。因此，要保證汽車有良好的行駛平順性，必須正確選取懸架的靜撓度。 用途不同的汽車，對平順性的要求也

15、會不相同。乘用車對平順性的要求最高，客車次之，貨車更次之。對發(fā)動機排量在1.6L以下的乘用車，前懸架滿載偏頻要求在1.00-1.45Hz，后懸架則要求在1.17-1.58Hz。原則上，乘用車的發(fā)動機排量越大，懸架的偏頻應越小，要求滿載前懸架偏頻在0.80-2.10Hz，后懸架則要求在0.98-1.30Hz。在此選擇前懸架滿載偏頻為1.1Hz。 3.2懸架的動撓度 懸架的動撓度：從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形（通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或2/3）時，車輪中心相對車架（或車身）的垂直位移。為了防止汽車行駛在壞路面上時經(jīng)常碰撞緩沖塊，要求懸架要有足夠大的動撓度。對乘用

16、車，取7~9cm; 對客車，取5~8cm；對貨車，取6~9cm。這里取=8cm. 3.3懸架彈性特性 懸架受到的垂直外力F與由此所引起的車輪中心相對于車身位移f(即懸架的變形)的關(guān)系曲線稱為懸架的彈性特性。其切線的斜率是懸架的剛度。 懸架的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當懸架變形f與所受垂直外力F之間呈固定比例變化時，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特性，此時懸架剛度為常數(shù)。當懸架變形f與所受垂直外力F之間不呈固定比例變化時，彈性特性如圖3-1所示。此時，懸架剛度是變化的，其特點是在滿載位置(圖中點8)附近，剛度小且曲線變化平緩，因而平順性良好；距滿載較遠的兩端，曲線變陡，剛

17、度增大。這樣可在有限的動撓度范圍內(nèi)，得到比線性懸架更多的動容量。懸架的動容量系指懸架從靜載荷的位置起，變形到結(jié)構(gòu)允許的最大變形為止消耗的功。懸架的動容量越大，對緩沖塊擊穿的可能性越小。 空載與滿載時簧上質(zhì)量變化大的貨車和客車，為了減少振動頻率和車身高度的變化，應當選用剛度可變的非線性懸架二轎車簧上質(zhì)量在使用中雖然變化不大，但為了減少車軸對車架的撞擊，減少轉(zhuǎn)彎行駛時的側(cè)傾與制動時的前俯角和加速時的后仰角，也應當采用剛度可變的非線性懸架。 鋼板彈簧非獨立懸架的彈性特性可視為線性的，而帶有副簧的鋼板彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧等，均為剛度可變的非線性彈性特性懸架。 圖3-1彈簧彈性特性曲線

18、第4章 彈性元件的計算 4.1螺旋彈簧 螺旋彈簧作為彈性元件，其廣泛應用于獨立懸架，特別是前輪獨立懸架。然而，在有些轎車的后輪非獨立懸架中，其彈性元件也采用螺旋彈簧。螺旋彈簧和鋼板彈簧相比較具有以下優(yōu)點：無需潤滑，不忌泥垢；它需要的縱向安裝空間不大；并且彈簧質(zhì)量小。 螺旋彈簧本身沒有減振作用，因此在螺旋彈簧懸架中必須另裝減振器。此外，螺旋彈簧只能承受垂直載荷，故必須安裝導向機構(gòu)以傳遞垂直力以外的各種力和力矩。 螺旋彈簧由彈簧鋼棒卷制而成，可做成等螺距或變螺距。等螺距螺旋彈簧剛度不變，變螺距螺旋彈簧剛度是可變的。在此選擇等螺距螺旋彈簧。 4.2螺旋彈簧材料的選擇 為了使彈簧能夠

19、可靠的工作，彈簧的材料必須具有足夠高的彈性極限和疲勞極限，并且還應具有足夠的韌性和塑性，以及良好的熱處理性。在此初選彈簧材料為60Si2MnA。 4.3彈簧參數(shù)的選擇 一般對汽車來說，它的懸掛質(zhì)量分配系數(shù)，在這取，即前后橋上方車身部分的集中質(zhì)量的垂直振動是相互獨立的。并用偏頻來表示各自的振動頻率。偏頻越小，汽車平順性越好。 由公式推出 式中 -------汽車前懸架剛度（） -------汽車前懸架簧上質(zhì)量（kg） N--------汽車前懸架偏頻（Hz） 4.4計算空載剛度 4.5計算滿載剛度 4.6計算彈簧鋼絲直徑 4.7螺旋彈簧校

20、核 第5章 導向機構(gòu)的設計 5.1設計要求 對前輪獨立懸架導向機構(gòu)的要求是： （1） 懸架上載荷變化時，保證輪距變化不超過，輪距變化大會引起輪胎早期磨損。 （2） 懸架上載荷變化時，前輪定位參數(shù)要有合理的變化特性，車輪不應產(chǎn)生縱向加速度。 （3） 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，應使車身側(cè)傾角小。在0.4g側(cè)傾加速度作用下，車身側(cè)傾角要≦6～7，并使車輪與車身的側(cè)傾同向，增強不足轉(zhuǎn)向特性。 （4） 加速時，應使車身具有抗后仰作用；制動時，應使車身具有抗前俯作用。 對后輪獨立懸架導向機構(gòu)的要求是： （1） 懸架上載荷變化時，輪距無顯著變化。 （2） 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，應使汽車車身側(cè)傾角小，并使車輪與車身的傾斜反向，以減小過多轉(zhuǎn)向特性。 此外，導向機構(gòu)還應有足夠大的強度，可靠地傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。 目前，汽車上廣泛采用上、下臂不等長的雙橫臂式獨立懸架（主要用于前懸架）和麥弗遜式懸架。下面以麥弗遜式為例，討論獨立懸架導向機構(gòu)參數(shù)的選擇方法，分析導向機構(gòu)參數(shù)對前輪定位參數(shù)和輪距的變化。 5.2導向機構(gòu)的布置參數(shù) 1. 側(cè)傾中心 2. 側(cè)傾軸線 3. 縱傾中心 4. 第6章 減振器 第7章 懸架的結(jié)構(gòu)元件