轿车悬架系设计系列2

..3．悬架系统与整车的匹配1．独立悬架导向机构的设计独立悬架导向机构的要求：车轮跳动时,轮距变化不超过±4mm以防止轮胎早期磨损。车轮跳动时,前轮定位角变化特性合理。转弯时,车身在0.4g侧向加速度作用下,车身侧倾角不大于3—4°,并保证车轮与车身倾斜同向,以增加不足转向效应。制动及加速时,车身应有"抗点头"及"抗后坐"效应。应具有足够的强度,以可靠地承受及传递除垂直力以外的力和力矩。2．侧倾中心与侧倾轴侧倾中心是指在横向垂直平面内,汽车在横向力〔例如转弯离心力作用下,车身在前、后轴处侧倾的瞬时迴转中心。前后、轴的侧倾中心距地面的高度,被称之为侧倾中心高度hg,如图1所示。图1前悬架侧倾中心高度hg可按图1中各参数计算获得。在前面计算悬架偏频时已知：m=150δ=5.36°P=2428B=740求hg在△EOW中,OW=PSinδ=2428Sin5.36°=226.8EW=PCosδ=2428Cos5.36°=2417.4OQ=OW+m=226.8+150=376.8QT=EW+mtgβ=2417.4+150tg11°=2446.56∵OQ/hg=QT/B,P/QT=k/B∴hg=376.8×740/2446.56=114mmk=PB/QT=2428×740/2446.56=734.7mm而后悬架采用纵置摆臂式非独立悬架,如图2所示。图2此类纵置摆臂式非独立悬架的侧倾中心,一般都大约在车轴中心处。如图3示。图3侧倾轴：将前、后轴侧倾中心连接成一条轴线,此轴线位于汽车横向对称中心面上,并与汽车重心在同一平面内。如图3所示。车身在侧向力〔侧风、转弯离心力等作用下围绕侧倾轴线的转角φ称为车身侧倾角。侧倾角φ直接影响到汽车的稳态转向效应。侧倾角过大,乘客感到不安全、不舒服；侧倾角过小,则悬架的侧倾角刚度过大,单轮遇到障碍物时,车身会受到强烈冲击,平顺性差。侧倾角过小会使驾驶员失去汽车将要发生侧滑、侧翻的警告信号。3．侧倾角φ汽车作稳态圆周行驶时,侧倾力矩Mφ除以悬架总角刚度Cφ〔前、后悬架,即得侧倾角φφ=Mφ/Cφ4．侧倾力矩Mφ侧倾力矩Mφ由三部分组成：1悬架质量离心力引起的侧倾力矩Mφ1汽车作匀速圆周行驶时,悬架质量的离心力为Fy为Fy=GSV2/gRNGS悬架重量kgV车速m/sg重力加速度9.8m/s2R转弯半径mMφ1=Fyhh悬架质量的质心至侧倾轴线的距离mas悬架质量的质心至前轴线的距离mbs悬架质量的质心至前轴线的距离mL轴距mh1前轴侧倾中心至地面的距离m h2后轴侧倾中心至地面的距离m hs悬架质量的质心至地面的距离mh=hs-〔h1bs+h2as/L2侧倾后,悬架质量引起的侧倾力矩Mφ2如图4所示。图4Mφ2=Ge≈Ghφ3独立悬架中,非悬架质量的离心力引起的侧倾力矩Mφ3汽车作稳态圆周运动时,其侧倾力矩为：Mφ=Mφ1+Mφ2+Mφ3为简化计算,一般取Mφ≈Mφ15．侧倾角刚度Cφ悬架的侧倾角刚度Cφ等于前、后悬架〔C1φ+C2φ及前、后横向稳定杆〔C1β+C2β的侧倾角刚度之和。Cφ=C1φ+C2φ+C1β+C2β悬架的侧倾角刚度Cφ的大小,及其在前后轮的分配比例,对车辆侧倾角的大小、侧倾时前、后轴及左、右车轮的载荷再分配,以及车辆的稳态响应特性有一定的影响。1求前悬架侧倾角刚度C1φ：在麦氏独立悬架中,已知车轮上的悬架刚度为C1〔具体验算见偏频计算实例,如图5所示。图5前悬架侧倾角刚度可按下式计算Cφ1=2〔uk/p2C将偏频计算实例中的参数结果,u=2331k=734.7C1=22.08N/mm代入上式后得出前悬架角刚度Cφ1=2〔2331×734.7/24282×22.08=21970317N.mm=21970N.m/rad2求后悬架角刚度C2φ由于后悬架为扭梁式非独立悬架结构,其悬架角刚度C2φ计算方法与纵向摆臂式非独立悬架相同,可按下式计算：如图6所示图6C2φ=S2C2已知：S=1134后弹簧刚度Cs=24.25N/mmm=398mmn=322mm空载单轮悬架质量G02=1430N满载单轮悬架质量G2=2980N验算:其悬架刚度C2=Cs<n/m>2=24.25<322/398>2=15.87N/mm空载挠度f02=G02/C2=1430/15.87=106mm=10.6cm满载挠度f2=G02/C2=2980/15.87=188mm=18.8cm空载偏频n02=300/√f02=300/√10.6=92次/分满载偏频n2=300/√f2=300/√18.8=69次/分悬架角刚度C2φ=S2C2=1.1342×15870/2=10204N.m/rad3.求前稳定杆角刚度C1β如图7、8所示图7图8已知:B=670mmm=256mmd=18mm车轮上跳挠度S1=100mm稳定杆连接点上行挠度S2=96mm由作图得知,稳定杆最大工作扭转角为ψ=22°=0.384rad验算：前稳定杆角刚度C1β=πd4G前稳定杆扭转应力τ=16M/πd3N/mm2式中G剪切弹性模数G=75460N/mm2d稳定杆直径mmM作用在稳定杆上的扭矩N.mmB稳定杆有效工作长度mm将已知数代入后得:前稳定杆角刚度C1β=πd4G/32B=π×184×75460/32×=1160732N.mm/rad=1160.7N.m/rad作用在稳定杆上的扭矩M=C1βψ=1160732×0.384=445721N.mm=445.7N.m前稳定杆扭转应力τ=16M/πd3=16×445721/π183=389.2N/mm24．悬架系统减震器的匹配4－1.减震器的工作特性根据前述单自由度振动方程：质量系统的自由振动是由悬架质量M、弹簧刚度C、减震器阻尼系数δ组成。该系统的自由振动可由以下齐次方程来描述：Mz’’+δz‘+Cz=0令2n=δ/M,ω02=C/M后可以置代为下式z’’+2nz‘+ω02z=0该微分方程的解为：z=Ae-ntSin〔〔ω02–n21/2t+a〕z=Ae-ntSin〔〔ω02–n21/2t+a〕将上式绘制成A-t〔振幅—时间曲线,如图9所示。曲线指出：有阻尼自由振动时,质量M以圆频率〔ω02–n21/2振动,其振幅按e-nt衰减。式中n=δ/2M有阻尼自由振动时的固有频率ωd=〔ω02–n21/2,若改写为ωd=〔ω02–n21/2=ω0〔1-ψ21/2----------------〔1式中ψ=n/ω0起名为相对阻尼系数ω0=√C/M称之为无阻尼自由振动的固有圆频率rad/s〔转换为的固有频率f0=ω0/2π=1/2π×√C/Mc/s或Hz图9由〔1式中,相对阻尼系数ψ=n/ω0=n/〔√C/M将n=δ/2M代入并整理后得：ψ=δ/2√CMC悬架刚度N/mmM悬架质量kg.s2/9800mmδ减震器阻尼系数N.s/mm减震器的性能常用阻力—位移、阻力—速度特性来描述。前者称为"示功图",后者称为"速度特性图"。δ减震器阻尼系数的物理意义是：悬架在自由振动的条件下,如果减震器活塞速度V与阻力F之间的特性关系是线性的,换句话说是直线关系,即F=δVδ是该直线的比例常数,即斜率。如果减震器速度特性是非线性的即曲线关系,则F=δvi减震器阻尼系数δ仍然代表曲线的斜率。在悬架小幅度振动范围内,速度特性可视为线性的关系。这样一来指数i在减震器卸荷阀打开时i=1此时称为线性阻尼特性,如图10所示。图10速度特性图11示功图图11表示减震器行程为100mm以每分钟100次、25次振动测得的阻力—位移特性〔示功图。通常减震器的试验速度V,常选定在0.05m/s、0.1m/s、0.3m/s、0.52m/s、0.6m/s的范围内进行。4－2减震器相对阻尼系数ψ的确定由上节得知：相对阻尼系数ψ=δ/2√CM实践中,常常通过所测得的A—T〔振幅—时间曲线如图1所示,根据两个相邻振幅的比值m=A1/A2来求出相对阻尼系数ψ值。然后再算出减震器阻尼系数δ的大小。具体计算公式如下：ψ=1/〔1+4π2/ln2mm=A1/A2ln自然对数相对阻尼系数ψ的物理意义是指减震器的阻尼作用,同样大小的减震器阻尼系数δ,在与不同刚度、不同质量的悬架系统匹配时,会产生不同的阻尼效果。一般减震器的ψ值在0—1之间选择,ψ值越大,运动性质就越接近非周期性〔即不等时性,故ψ也称为非周期性系数。相对阻尼系数ψ值取得大,能使振动迅速衰减,但会给车身带来较强烈的路面冲击力,ψ值取得小,振荡衰减慢,平顺性变差。通常在压缩行程选择较小的ψ值,在伸张行程选择较大的ψ值。但是当代轿车由于广泛采用前置前驱动结构,前轴负荷较重且离地间隙较小,为避免汽车行驶在不平路面上底盘与地相刮碰,往往采取相反的措施,将伸张行程的ψ值大于压缩行程的ψ值,例如花冠轿车就是这样的。通常ψ=0.25-0.5,对于无内摩擦的弹性元件悬架〔如麦氏悬架,取ψ=0.25-0.5；对于有内摩擦的钢板弹簧悬架,ψ值可取小些。对于越野车,ψ值应当取大些,且ψ值大于0.3。为迅速衰减汽车振动又不把大的路面冲击传递到车身上,一般把减震器拉伸和压缩阻力按8∶2～6∶4的比例关系分配。4－3减震器阻尼系数δ的确定减震器阻尼系数δ=2ψ√CM由于存在导向机构的杠杆比关系〔图12,悬架阻尼系数δ可由下式计算：δ=〔2ψ√CMi2/cos2i=n/ba减震器安装角图124－4计算实例以某款轿车前减震器为例,4－4－1已知：满载前单轮悬架质量G=308kg悬架弹簧刚度C=22.08N/mm减震器试验速度V=0.3m/s时拉伸阻力Fr=684N压缩阻力Fp=640NV=0.6m/s时拉伸阻力Fr=925N压缩阻力Fp=950N4－4－2计算：根据前述,减震器阻尼系数δ代表速度〔V—阻力〔F曲线的斜率〔导数,因此,拉伸行程时的阻尼系数δδ相对阻尼系数ψ=δ/2√CMC悬架刚度N/mmM悬架质量kg.s2/9800mmδ减震器阻尼系数N.s/mm拉伸行程的相对阻尼系数ψ=δ/2√CM=0.8/2√22.08×308/9800=0.48同样方法可将压缩行程的减震器阻尼系数δ和相对阻尼系数ψ值。δψ=δ/2√CM=1.033/2√22.08×308/9800=0.62由于存在导向机构的杠杆比关系,悬架相对阻尼系数ψ可由下式计算：ψ0=δcos2a/〔2ψ√CMii=n/b=398/361=1.1a=110拉伸行程的悬架相对阻尼系数ψ0=0.8cos2110/<2√22.08×308/9800>1.12=0.38该计算值符合推荐值ψ=0.25-0.5范围内。4－4－3减震器缸内工作油压p的计算已知:缸径d=25mmV=0.6m/s时拉伸阻力Fr=925N压缩阻力Fp=950N拉伸时,Fr=0.78d2prpr=Fr/0.78d22=190N/cm2压缩时,FP=0.78d2pPpp=Fr/0.78d22=195N/cm24－4－4最大卸荷力F0的确定为了减少传给车身的冲击力,当减震器活塞振动速度达到一定值时,减震器应打开卸荷阀,此时活塞速度称为卸荷速度VxVx=Aωcosα/iA车身振幅取±40mmVx卸荷速度一般为0.15-0.3m/sω悬架固有圆频率rad/s若伸张行程时的阻尼系数为δ0,则最大卸荷力F0=δ