汽车设计第四版吉林大学6

本章主要内容: 汽车 第四版 本章主要内容: 概述 悬架结构形式分析 悬架主要参数的确定 弹性元件的计算 独立悬架导向机构的设计 减振器; 悬架的结构元件 第一节 概述 一、基本功用: 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，使汽车获得高运行驶能力。 二、组成： 弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等 。 第一节 概述 导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架（或车身）的运动特性，并传递除弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。 当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。 缓冲块用来减轻车轴对车架（或车身）的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。 装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。 第一节 概述 四、措施 1）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，并尽可能低。 2）前、后悬架固有频率的匹配应合理。 3）应采用非线性弹性特性悬架。 4）悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。 5）要正确地选择悬架和参数，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。 6）独立悬架导向杆系铰接处多采用橡胶衬套，能隔绝车轮所受来自路面的冲击向车身的传递。 第一节结束！ 第二节 悬架结构形式分析 4、非独立悬架（纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置） 优点：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。 缺点：刚度较大，平顺性较差；簧下质量大；左、右车轮会相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜；车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振；前轮跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯 5、独立悬架 优点：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；由于采用断开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力；独立悬架可提供多种方案供设计人员选用，以满足不同设计要求。 缺点：结构复杂，成本较高，维修困难。 应用：主要用于乘用车和部分总质量不大的商用车上。 三、前、后悬架方案的选择 方案一、前轮和后轮均采用非独立悬架 方案二、 前、后轮均采用独立悬架 1、麦弗逊式前悬架 特点：侧倾中心高度比较高。车轮相对车身跳动时车轮定位参数的变化小。轮距变化很小。悬架侧倾角刚度较大，可不装横向稳定器。横向刚度大。占用的空间尺寸小。结构简单、紧凑。成本低。 应用：乘用车用得较多。 其弹性元件¡ª¡ª螺旋弹簧套装在减振器外部，下摆臂的球头伸到轮辋空间内，使结构非常紧凑。当主销轴线的延长线与地面的交点位于轮胎胎冠印迹中心线外侧时，具有负的主销偏移距rs，这对保证汽车制动稳定性有利。 2、扭转梁随动臂式后悬架 特点：侧倾中心高度比较低。左、右车轮同时跳动时车轮定位参数不变。轮距不变。悬架侧倾角刚度较大，可不装横向稳定器。横向刚度大。占用的空间尺寸小。结构简单，既具有隔振性能，又能防止汽车因后轴轴转向而产生过多转向。 装用这种橡胶衬套的汽车转弯行驶时，比装用传统橡胶衬套的汽车具有更好的操纵稳定性。 方案三、前轮采用独立悬架而后轮采用非独立悬架 案例：乘用车后悬架采用纵置钢板弹簧非独立悬架，而前悬架采用双横臂式独立悬架时，能够通过将上横臂支承销轴线在纵向垂直平面上的投影设计成前高后低状，使悬架的纵向运动瞬心位于有利于减少制动前俯角处；使制动时车身纵倾减少，保持车身有良好的稳定性能 。 四、辅助元件 1、横向稳定器 作用：可以做到在不增大悬架垂直刚度C的条件下，增大悬架的侧倾角刚度CΦ。 在汽车前悬架上设置横向稳定器，能增大前悬架的侧倾角刚度，以保证汽车有不足转向特性。 第二节 悬架结构形式分析 2．缓冲块 作用：限制悬架最大行程。兼有辅助弹性元件的作用。 第二节结束！ 一、悬架静挠度ƒc 是指汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即ƒc＝Fw／c。 汽车前、后部分车身的固有频率n1和n2（亦称偏频） 二、悬架的动挠度ƒd 定义：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1／2或2／3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。 要求：悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。 乘用车：ƒd＝7～9cm 客车： ƒd ＝ 5～8cm 货车： ƒd ＝ 6～9cm 四、后悬架主、副簧刚度的分配 第四节 弹性元件的计算 一、钢板弹簧的设计 （一）钢板弹簧的布置方案 布置方案：纵置或者横置。 应用：横置钢板弹簧结构复杂、质量加大，所以只在极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。 纵置钢板弹簧分类：对称式与不对称式。 应用：多数情况下，汽车采用对称式钢板弹簧。极少数情况采用不对称式钢板弹簧。 2．钢板弹簧长度L的确定 定义：是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。 钢板弹簧的纵向角刚度：系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。 L的取值范围：原则上，在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度： 3．钢板断面尺寸及片数的确定 （1）钢板断面宽度b的确定 对于对称钢板弹簧 总惯性矩 （3）钢板断面形状 （2）钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同（图6-15），装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径R i。 各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。 2）汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在其前半段出现的最大应力σmax用下式计算 对钢板弹簧销，要验算钢板弹簧受静载荷时它受到的挤压应力σz＝Fs／（bd）。其中，Fs为满载静止时钢板弹簧端部的载荷；b为卷耳处叶片宽；d为钢板弹簧销直径。 （八）少片弹簧 少片弹簧在乘用车和部分商用车上得到越来越多的应用。 特点：是叶片由等长、等宽、变截面的1～3片叶片组成。利用变厚断面来保持等强度特性，并比多片弹簧减少20％～40％的质量。片间放有减摩作用的塑料垫片，或做成只在端部接触，以减少片间摩擦。 变厚截面BC段厚度可按抛物线形或线性变化。 （1）按抛物线形变化 厚度 hx＝h2（x／l2）1／2， 惯性矩 Jx＝J2（x／l2）3／2， 单片刚度为 （2）按线性变化 厚度 hx＝A 'x＋B'， A '＝（h2－h1）／（l2－l1）， B '＝(h1 l2－h2 l1）／（l2－l1）。 单片钢板弹簧的刚度 当l1＞l2（2β－1）或2 h1＜h2时，弹簧最大应力点发生在x＝B'／A'处，此处hx＝A'x十B'＝2B'， 其应力值σmax＝3 Fs／2b A'B'。 当l1≤l2（2β－1）时，最大应力点发生在B点，其值 σmax＝3 Fs l2／2b h22。 σmax＜［σ］。 第四节 弹性元件的计算 扭杆弹簧的设计要点： 设计前应当根据对汽车平顺性的要求，先行选定悬架的刚度c。设计扭杆弹簧需要确定的主要尺寸有扭杆直径d和扭杆长度L。 设计时应当根据最大扭矩计算扭杆直径d， 即 （二）有效长度Le也可以用图6-23所示线图求出。 第四节 弹性元件的计算 三、空气弹簧 （－）空气悬架的组成与空气弹簧的分类 分类： 2．使用特点 （1）当多轴货车或挂车采用空气悬架时，在空载或部分承载工况下，能够进行单轴或多轴提升，这有利于减少提升轴和未提升桥上轮胎的磨损，同时增加驱动桥的附着力。当未提升桥过载的条件下，被提升的车轴能自动回位并参与承载。 （2）通过对气囊充气或放气，可以实现变换车身高度。 （3）采用空气弹簧以后，在汽车左、右侧的簧载质量不均匀时，通过高度控制阀的作用，可以保证整车车身处于水平状态。在汽车高速转弯的行驶条件下，与采用钢板弹簧悬架的汽车比较，采用空气弹簧悬架的汽车车身侧倾角明显减小。 （4）装用空气悬架的汽车，因空气悬架的刚度低，所以车轮对路面作用的动载荷要小，这就使路面受到的破坏程度得以减轻。 3．空气弹簧的特点 优点：有比较理想的非线性弹性特性。平顺性好。乘坐舒适性好。单位质量储能量比较大，质量比较轻，因而簧下质量小。工作噪声小，寿命长。 缺点：悬架结构复杂；空气弹簧对密封要求严格，不得漏气。还有悬架制造复杂、成本较高等。 第四节 弹性元件的计算 （三）空气弹簧的布置 1、为了获得足够大的车身侧倾角刚度，在可能的条件下，要求将空气弹簧布置在车架外侧。在两侧空气弹簧中心距加大的同时，可以获得比较大的车身侧倾角刚度。 2、转向轴上的空气弹簧常布置在主销所在位置的内侧 。 3、在驱动桥上，空气弹簧可以布置在其后面，或在驱动桥前方、后面各布置一个 。 第四节 弹性元件的计算 （四）高度控制阀 高度控制阀的分类： 无阻尼高度控制阀的工作原理： 无阻尼高度控制阀的工作位置可分为中立、充气和排气三种位置。 目前常用的高度控制阀结构 第四节 弹性元件的计算 （五）囊式、膜式、组合式空气弹簧 1、囊式空气弹簧 优点：结构比较简单，制造容易，成本低；使用寿命长。 2、膜式空气弹簧 优点：刚度低，并且可以通过改变底座形状的方法控制有效面积变化率来获得较为理想的弹性特性。 3、复合式空气弹簧 优缺点：刚度较低 ，制造复杂，成本略高。 第四节 弹性元件的计算 （六）空气弹簧的刚度C 在空气弹簧内充满气体，同时在空气弹簧上作用有载荷F0。当达到静平衡位置时，空气弹簧的刚度C0（N／mm）为 空气弹簧有比较理想的弹性特性。在给定P0、V0条件下，由试验得到的囊式（膜式）空气弹簧的弹性特性曲线。 第四节结束！ 第五节 独立悬架导向机构的设计 一、设计要求 对前轮独立悬架导向机构的要求： 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侧向加速度作用下，车身侧倾角≤7°，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。 对后轮独立悬架导向机构的要求： 1）悬架上载荷变化时，轮距无显著变化。 2）汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小，并使车轮与车身的倾斜反向，以减小过多转向。 此外，导向机构还应有足够强度，并可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。 应用： 目前，汽车上广泛采用上、下臂不等长的双横臂式独立悬架（主要用于前悬架）和麦弗逊独立悬架。 二、导向机构的布置参数 1．侧倾中心 （1）双横臂式独立悬架侧倾中心 （W点） 双横臂式独立悬架的侧倾中心高度hw为 2．侧倾轴线 定义：在独立悬架中，汽车前部与后部侧倾中心的连线。 要求：侧倾轴线应大致与地面平行，且尽可能离地面高些。 目的：平行是为了使得在曲线行驶时前、后轴上的轴荷变化接近相等，从而保证中性转向特性；而尽可能高则是为了使车身的侧倾限制在允许范围内。 侧倾中心的高度hW的取值范围 在独立悬架（纵臂式悬架除外）中，侧倾中心高度hW为 前悬架0～120mm 后悬架80～150mm 设计要求：首先要确定（与轮距变化有关的）前悬架的侧倾中心高度，然后确定后悬架的侧倾中心高度。当后悬架采用独立悬架时，其侧倾中心高度要稍大些。如果用钢板弹簧非独立悬架时，后悬架的侧倾中心高度要取得更大些。 4、抗制动纵倾性（抗制动前俯角） 抗制动纵倾性可使制动过程中汽车车头的下沉量及车尾的抬高量减小。只有在前、后悬架的纵倾中心位于两根车桥（轴）之间时，这一性能方可实现。 当h、L、β等参数已定，悬架设计师可通过选择悬架纵倾中心位置（e，d）来获得预期的抗前俯效果。为了减少车轮传到车身上的冲击力，纵倾中心位置的选择不能达到理想的无前俯效果。一般是使e1／dl＞h／βL，即制动时仍有一定程度的前俯现象，并用e1／d1和h／βL的比值的百分数来表示抗前俯的效率，简称抗前俯率ηd，即 第五节 独立悬架导向机构的设计 三、双横臂式独立悬架导向机构设计 1、纵向平面内上、下横臂轴布置方案 上、下横臂轴抗前俯角的匹配对主销后倾角γ的变化有较大影响。 2．横向平面内上、下横臂的布置方案 上、下横臂布置不同，所得侧倾中心的位置也不同。 3．水平面内上、下横臂轴的布置方案 上、下横臂轴线在水平面内的布置方案有三种。 导向机构上、下横臂轴的水平斜置角：α'1和α'2 一般规定，轴线前端远离汽车纵轴线的夹角为正，反之为负；与汽车纵轴线平行者，夹角为零。 为了综合上述要求，选择适当的抗前俯角，国外已根据设计制定出一套列线图 。 运用此图的步骤如下： ①先根据设计的容许前俯角确定ƒ1； ②然后找到相应的ηd，并在图b上初选β'1，求出主销后倾角变化率（推荐悬架每压缩10mm时为10'～40'）； ③如超出范围，即重选β'1，直至达到要求为止。 ④接着可用图c先选定球销中心距，从图b确定的dγ／d ƒ1值与初选的球销中心距 4、上、下横臂长度的确定 双横臂式悬架上、下横臂的长度对车轮上、下跳动时的定位参数影响很大。现代乘用车所用的双横臂式前悬架，一般设计成上横臂短、下横臂长。 分析： （1）当上、下横臂的长度之比为0.6时，By曲线变化最平缓； （2）l2／l1增大或减小时，By曲线的曲率都增加。 （3）当l2／l1＝1.0时，α和β均为直线并与横坐标垂直，α和β在悬架运动过程中保持定值。 设计汽车悬架时：综合以上分析，该悬架的l2／l1应在0.6～1.0范围内。 美国克莱斯勒和通用汽车公司分别认为：上、下横臂长度之比取0.70和0.66为最佳。 我国乘用车设计的经验：在初选尺寸时， l2／l1取0.65为宜。 第五节 独立悬架导向机构的设计 四、麦弗逊式独立悬架导向机构设计 1．导向机构受力分析 作用在导向套上的横向力F3，可根据图上的布置尺寸求得 分析：为了减小F3，要求尺寸c十b越大越好，或者减小尺寸a。 采取措施与方法： （1）增大c十b。 （2）增加减振器轴线倾斜度，以减小a 。 （3）增加距离s，有助于减小作用到导向套上的横向力F3。 （4）将弹簧下端布置得尽量靠近车轮，从而造成弹簧轴线及减振器轴线成一角度。发挥弹簧反力减小横向力F3。 2、横臂轴线布置方式的选择 麦弗逊式独立悬架的横臂轴线与主销后倾角的匹配，影响汽车的纵倾稳定性。 3、横臂长度的确定 分析：横臂越长，By曲线越平缓，即车轮跳动时轮距变化越小，有利于提高轮胎寿命。主销内倾角β、车轮外倾角α和主销后倾角γ曲线的变化规律也都与By类似，说明摆臂越长，前轮定位角度的变化越小，将有利于提高汽车的操纵稳定性。 第五节结束！ 第六节 减振器 一、分类 汽车悬架中用得最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。 工作原理：汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。 分类：1）单向作用式减振器；2）双向作用式减振器。 根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。 筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。 基本要求：在使用期间保证汽车的行驶平顺性的性能稳定，有足够的使用寿命。 第六节 减振器 二、相对阻尼系数ψ 阻力F与减振器振动速度υ之间的关系为 F＝δυ 第六节 减振器 三、减振器阻尼系数δ的确定 （案例2）如图6-53b ： 第六节 减振器 五、筒式减振器工作缸直径D的确定 根据伸张行程的最大卸荷力F0计算工作缸直径D为 第六节结束！ 第七节 悬架的结构元件 一、控制臂与推力杆 功用：将车轮（或车轴）与车架（或车身）连接起来。在车轮（或车轴）与车架（或车身）之间传递力和力矩，并决定了它们的结构形式。 结构形式：接头加钢管、板材制作。 要求：为了保证顺利的装配和补偿制造与安装时可能产生的误差，有时要求推力杆具有调节长度的功能。 为了提高控制臂的刚度，臂的横断面应该采用具有较深结构的构件或者用封闭式的箱形断面结构。 第七节 悬架的结构元件 二、接头 要求：应当有较小的摩擦；在使用期间不需要进行保养，以减少使用成本或降低劳动强度；接头应有一定的弹性；具有隔声性能。 结构特点：目前，在接头内设计有橡胶衬套或者塑料衬套，橡胶衬套使接头有弹性变形，并有隔声性能；塑料村套应该用聚胺脂、聚酰胺脂或聚四氟乙烯材料制造。 分类：根据结构不同，接头有轴销式接头和球销式接头两种。 选择应用：由于转向时车轮绕主销轴线回转，同时车轮在垂直面内有位移，因此要求此处接头能够完成空间运动，采用球销式接头能够很好地满足上述要求。 球销式接头的特点：用塑料制成整体式球碗，利用塑料的弹性将球头销压入球头碗后再装到球座上，工作时球头销的球面部分在球头碗内滑动。这种接头能承受各个方向的作用力，在使用中又不要求保养。 接头所连接的两部分，若其中之一仅是绕某一轴线相对另一部分转动时，应该用轴销式接头。 橡胶衬套的外侧可以做成凸肩状。凸肩可以用来阻止橡胶衬套相对外套移动，使之在轴向有可靠的固定位置，此时橡胶衬套的凸肩可以做得窄些。当要求承受轴向力时，橡胶衬套上的凸肩应该做得宽些。 有些汽车采用结构简单、拆装方便、不必润滑的滑板式支承结构。 第七节 悬架的结构元件 三、钢板弹簧的叶片端部形状与卷耳 1、叶片端部的形状 2、卷耳 钢板弹簧端部做成卷耳状，再通过钢板弹簧销固定在车架上的托架或者吊耳的孔中。如图6-68所示，卷耳有多种形式。卷耳主要对制造工艺性，叶片的应力状况，主片的工作条件等产生影响。 本章作业： P218：第2、3、4