底盘平台设计的灵魂 郭孔辉.ppt

1、,郭 孔 辉 2003 年 2 月,底盘平台设计的灵魂 悬架与相关技术,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 二、轮荷转移 三、侧倾转向 四、侧向力转向 五、纵向力转向 六、车轮定位 七、轮胎特性与稳态转向特性 八、汽车操纵的瞬态响应,一、悬架的运动学,1. 传统的侧倾中心(R.C.)概念及其局限性 “单摆”模型不能解释车身 的垂向运动（Jacking effect） 非独悬架的R.C. 纵倾是否也有“摆动中心”？,2. 车身稳态位移的一般分析,车身受有三种力（达朗贝尔概念） 1. 重心处的重力与惯性力 2. 导向杆系的导向力 3. 弹性元件的弹簧力,P2,P

2、1,N,N1,N2,等效系统,将弹簧力简化 到车轮接地点(杠杆比为 1) 处,目的: 便于确定有效导向力的 方向与大小 初始弹簧力与重力抵消 便于由弹簧变形和轮距 (轴距)来确定车身位移,弹簧力的确定 三种力相平衡 弹簧力必等于惯性力与导向力 的总和 对于等效系统确定了导向力 就等于确定了弹簧力 确定了弹簧力就等于确定了 车身倾角 导向力的分解与“力矩中心” 导向力合力未必水平 在“中性面”处分解的意义： 车身的垂向平动与转动,S2,S2,N,S1,S1,N2,N1,“中性面”的确定 车身位移 其中：,中性面,2. 车身侧倾,通常对称面就是中性面 由单侧导向力方向可确定 (整车) 外加轮胎变形

3、 若左右载荷与弹簧刚度不对称?,N,S1,S1,N2,N1,S2,S2,c,悬上质心,h2,h1,a,b,3.侧倾性能小结,降低 的途径：降低 重心， 提高力矩中心 提高侧倾力矩中心的 限制,取决于 与,Benz600前悬架, 上下跳动时主肖后倾角 都会增大 具有明显的“抗点头角” 可安排所需要的侧倾力 矩中心高度,（前轮与车身纵向的相对瞬心）,“半独立”纵单臂后悬架 侧倾时横梁中点是一个“不 动点”,因此可看成一种“斜 置单臂”却只有一个铰点 横梁前移“臂长”增大,移至 铰点处 独纵单臂。移至 轮轴线 臂长为半轮距 （非独立悬架）, 虚擬主肖:上两杆与下两杆交点 尽量接近车轮中心面 纵向瞬心

4、与横向瞬心 位置可以任意选择 可以满足 , 引起的 弹性转向要求,多杆悬架满足多种要求,虚擬主肖,二、轮荷转移分析,1. 纵向轴荷转移,为何不能用侧向分析法？ 不对称,PZ2,PX1,PX2,PZ1,Mg,PZ2,PX1,PX2,PZ1,在坡道上的轴荷转移 在驱动与制动时的轴荷 转移,侧向轮荷转移的主要组成（ 时） 弹簧力转移（静不定问题 弹簧力转移取决于弹簧刚度分配,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） 高速时要计算空气力的作用 在同时存在 与 时，轮荷应叠加 当 增大时 大的轴,轮荷转移加剧,会导致侧偏角急 剧增大,2.侧向轮荷转移,三、侧倾转向,1.非独立悬架的

5、侧 倾转向 钣簧的侧倾转向 非独立悬架纵向单臂 非独立四连杆悬架 求轮心轨迹和 三杆机构需求三点座标,C,A,，,B,4.其它导向机构(侧倾)等效单横臂概念“刚化定理”,c,对称面,c,c,斜置单臂,俯视（等效）,俯视,侧视（等效）,后视,5. 车身纵倾,中性面,N1,N1,N2,X2,X2,Z2,N2,N1,Z1,X2,N,大侧倾角下力矩中心的变化,Z2,N2,S2,Z1,S1,N1,N,N2,c,N1,6. 其它导向机构 等效纵臂概念,7. 钣簧的导向作用,侧向反力作用线取决于吊耳、卷耳的刚性与弧高 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 纵向等效单臂，由车轮接地点运动学确

6、定。,N,侧倾轴的倾角 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）,C1,C2,8. 结构比较与案例分析,独立悬架与非独立悬架的特点 侧倾力矩中心的高度: 多数非独立悬架和横单臂 独立悬架都较高, 其它独 立悬架(双横臂, 纵单臂, 纵双臂等）较低 有效弹簧距, 独立悬架的 有效弹簧距等于轮距, 非 独立悬架 通常较小,特 殊布置可以不同, 独立纵单臂 水平轴 前后移动不产生转角 非水平轴 “八”字轴的不足转向性 横向单臂和斜单臂独立悬架 侧倾转向性、等效臂长 铰轴的垂直分量 前独立悬架与转向杆系的干涉转向 多杆机构的杆涉转向 等效简化原理,2.独立悬

7、架的侧倾转向,转向系弹性引起的附加转角 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 侧向力导致轮胎侧倾,四、侧向力转向,Fy2,Fy1, 随动转向后悬架 逆向弹性转向 桑塔那的后悬架 富康的随动转向后悬架,刹车转舵问题:太大 盘式制动的优点 纵向力引起车轮侧倾 ABS引起的转向扰动 DYC引起的转向扰动 多杆悬架 制动时的板簧卷曲,五、纵向力转向,0,制动时的板簧卷曲 造成制动转向,五、纵向力转向, 加大前拉杆的柔性, 使后轮在侧向 力作用下产生向内转向角 通过弹性转角来抵消侧偏角, 以提高后轮有效侧偏刚度 可以设计虚擬主肖位置,引起适当 的弹性转向以增进制动稳定性,多杆

8、随动转向后悬架,V,虚擬主肖,.,(,外张）,(,外向,),g,1 .车轮定位参数 车轮前束 toe 车轮外倾 主销后倾 主销内倾 主销纵偏距 主销侧偏距,g,六、车轮定位,2.车轮外倾与轮胎侧倾特性,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,外倾原因:“传统”,间隙，弹性，路拱,3.前束与轮胎侧偏特性,前束原因:平衡外倾 载荷变化与车轮跳动时前束的变化 干涉转向 干涉转向的合理值 滚动阻力要求适当增大前束，制动 时车轮前张( ), 主销拖距 高速回正原理 载荷变化（制动）与车轮跳动 的变化 主销拖距与撒手稳定性 与前轮摆振,xk,k,tan,R,D,+,=,x,5主销内

9、倾与侧偏距 低速回正性 作用的消失 重力弹簧 回正力距与 还是 成比例？ 计算方法,4主销后倾与纵偏距, 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） 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 尼器是近代趋势 减小 （地面主销侧偏距）的意义和“负偏 距”的优点 盘式制动的必要性,6主销定位参数的选择与近代趋势,七、轮胎特性与稳态转向特性,d,中性转向点,-,临界车速 开环增益,时,不稳定:,-,U.S,过度转向区,影响稳态转向特性的因素,轮胎特性与稳态转向特性,稳态转向特性转折的原因, 侧倾刚度比 侧倾力矩中心高度 随 的 而 轮胎侧偏特性的饱和 驱

10、动力对饱和的影响 制动力分配,改善稳态转向特性的措施,轮胎特性与稳态转向特性, 前置横向稳定器 后非独立悬架 Bs2 后非独立悬架板簧下置 后板簧前低后高 后非独立中心弹簧 老Benz的后悬架： h2,中心弹簧, “随动转向” 后悬架的反稳定杆,轮胎特性与稳态转向特性,轮向 油门 制动 离合器 变速杆,汽车 m个 刚体,弹性耦合,几何耦合,气动 反馈,几个 轮胎,操纵指令,6n个 轮胎运动,轮胎 附加 运动,6n个 轮 胎 力,6m个 运动参数,空气六分力,风扰,v,八、汽车操纵动态响应的基本分析,二自由度角输入运动 （线性模型） 运动模型与座标,XYZ固定于汽车重心,),r,(,+,b,&,

11、侧偏角：,b,绝对座标,d,y,y,L,b,a,j,Y,X,v,x,v,二自由度角输入运动,微分方程、传递函数,其中,拉氏变换得传递函数,1,相位,w,20,40,60,80,频率特性：传递函数中令Sj,其实部,与虚部 均为 的函数，,二自由度角输入运动,即实频特性与虚频特性：,幅频特性： 宽平为优 相频特性： 以小为优 频率特性：,低速：增益平坦 相位滞后 高速：增益高峰 低度频超前 高频滞后,2 4 6 8 10 12 14 16,v,v,v,v,A,二自由度角输入运动,角输入运动特征 稳定条件：传递函数分母为特征函数,，根的实部不大于0的条件为：,名义自然频率 过渡时间,即,反应速度与反应时间 相对阻尼系数,t,当,二自