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1、轎車前懸設(shè)計(jì)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(wù)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(dòng)，確保汽車的平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器、緩沖塊和橫向穩(wěn)定器組成。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向桿系組成，它決定了車輪相對(duì)車架的運(yùn)動(dòng)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(dāng)用縱置鋼板彈簧作彈性元件時(shí)，它兼起導(dǎo)向裝置的作用。緩沖塊的作用是用來減輕車軸對(duì)車架的直接沖撞，防
2、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(shí)的車身側(cè)傾角和橫向角振動(dòng)。對(duì)懸架的設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)：（1）保證汽車有良好的行駛平順性。（2）具有合適的衰減振動(dòng)能力。（3）保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。（4）汽車制動(dòng)或加速時(shí)能保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，即點(diǎn)頭或后仰；轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)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(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)在合適的頻段，并盡可能的低。前、后懸架固有頻率的匹配應(yīng)合
3、理，對(duì)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(yīng)盡量避免懸架撞擊車身。在簧上質(zhì)量變化時(shí)，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(shí)，由于懸架具有彈性特性，使汽車產(chǎn)生垂直振動(dòng)。為了迅速衰減這種振動(dòng)和防止車身、車輪的共振，減小車輪振動(dòng)的振幅，懸架應(yīng)當(dāng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，使主銷定位角變化不大、車輪運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，防止前輪擺振；汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)使之稍微有不足轉(zhuǎn)向特性。獨(dú)立懸架導(dǎo)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
4、的傳遞。近年來，主動(dòng)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(dú)立懸架和獨(dú)立懸架汽車的懸架分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩種，非獨(dú)立懸架的特點(diǎn)是：車輪裝在一根車軸的兩端，當(dāng)一邊車輪跳動(dòng)時(shí)，另一側(cè)車輪也隨之跳動(dòng)，使整個(gè)車身振動(dòng)或傾斜；獨(dú)立懸掛的特點(diǎn)是：車軸是分成兩段的，每只車輪由螺旋彈簧獨(dú)立安裝在車架下面，當(dāng)一邊車輪發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，另一邊車輪不隨之跳動(dòng)，兩邊的車輪可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，大大提高了汽車的平穩(wěn)性和舒適性。（如圖2.1）圖2.1懸架的結(jié)構(gòu)形式簡圖非獨(dú)立懸架是以縱置式鋼板彈簧為彈性元件兼起導(dǎo)向裝置，其主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易
5、，維修方便，工作可靠。缺點(diǎn)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(shí)，左、右車輪相互影響，并使車軸和車身傾斜；當(dāng)兩側(cè)車輪不同時(shí)跳動(dòng)時(shí)，車輪會(huì)左、右搖擺，使前輪容易產(chǎn)生擺振。前輪跳動(dòng)時(shí)，懸架易與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉；當(dāng)汽車直線行駛在凹凸不平的路段上時(shí)，由于左右兩側(cè)車輪反向跳動(dòng)或只有一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)，不僅車輪外傾角有變化，還會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，離心力也會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；所以導(dǎo)致汽車高速行駛時(shí)操作穩(wěn)定性差。非獨(dú)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(dú)立懸架的結(jié)
6、構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)的車輪各自獨(dú)立地與車架或車身彈性連接。與非獨(dú)立懸架相比，獨(dú)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)。與非獨(dú)立懸架相比，獨(dú)立懸架具有更多優(yōu)點(diǎn)：簧下質(zhì)量?。粦壹苷加玫目臻g?。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(dòng)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(dòng)機(jī)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(dú)立運(yùn)動(dòng)，互不干涉，減少了車身的傾斜和振動(dòng)，同時(shí)在不平路面上能夠獲得良好的地面附著力；獨(dú)立懸架可以提供多種方案供設(shè)計(jì)人員挑選，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。獨(dú)立懸架的缺點(diǎn)是：
7、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維修困難。獨(dú)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(dú)立懸架結(jié)構(gòu)形式分析獨(dú)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(dòng)臂式等幾種類型。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式懸架而言，不僅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，而且許多基本特性也大不相同，常從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：1. 車輪定位參數(shù)的變化 車輪相對(duì)車身上下跳動(dòng)時(shí)，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(huì)發(fā)生變化，若主銷后傾角變化較大時(shí)，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺振；若車輪外傾角變化較大時(shí)，會(huì)影響汽車直線行駛的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)對(duì)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
8、，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(shí)，相對(duì)地面的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，也會(huì)減小車身的側(cè)傾角。但是如果側(cè)傾中心過高，就會(huì)導(dǎo)致車身傾斜時(shí)輪距變化較大，加快輪胎的磨損。3. 懸架側(cè)傾角剛度 當(dāng)汽車作穩(wěn)態(tài)圓周行駛時(shí)，受到側(cè)傾力的作用下，車廂繞側(cè)傾軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，稱此轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響，若轉(zhuǎn)向軸上的懸架橫向剛度較小，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪發(fā)
9、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(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置產(chǎn)生影響，并且加大了發(fā)動(dòng)機(jī)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(píng)價(jià)指標(biāo)之一。表2-1分析了不同形式的特點(diǎn)。特性導(dǎo)向機(jī)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(dòng)臂式側(cè)傾中心高度比較低比較高比較低居單橫臂式和單縱臂式之間比較高比較低車輪相對(duì)車身跳動(dòng)時(shí)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(shí)跳動(dòng)時(shí)不變輪距變化小，故輪胎磨損速度慢變化大，故輪胎磨損
10、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高度空間占用的空間小其他結(jié)構(gòu)稍復(fù)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(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)乘用車的后懸架表2-1不同形式懸架特點(diǎn)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(dòng)固有頻率n（），達(dá)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
11、剛度c之間成正比關(guān)系，所以垂直剛度c的減小會(huì)引起側(cè)傾角剛度的減小，同時(shí)增加了車廂側(cè)傾角，從而導(dǎo)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(gè)橫向穩(wěn)定器。安裝橫向穩(wěn)定器的汽車，就可以在懸架垂直剛度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(shí)產(chǎn)生的側(cè)傾力矩，使內(nèi)、外側(cè)車輪的負(fù)荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而影響車輪側(cè)偏剛度K和車輪側(cè)偏角變化。前、后軸車輪負(fù)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(dāng)前懸架側(cè)傾角剛度大于后懸架側(cè)傾角剛度時(shí)，前軸的負(fù)荷轉(zhuǎn)移大于后軸上的負(fù)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
12、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(shí)就形成了致密的耐磨外層，它保護(hù)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(diǎn)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(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛
13、度之比，即。汽車前、后懸架與其簧上質(zhì)量構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一。因?yàn)楝F(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)近似等于1，所以汽車前、后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)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(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí)，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(dòng)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(duì)平順性的要求也會(huì)不相同。乘用車對(duì)平順性的要求最高
14、，客車次之，貨車更次之。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)排量越大，懸架的偏頻應(yīng)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(dòng)撓度懸架的動(dòng)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(shí)，車輪中心相對(duì)車架（或車身）的垂直位移。為了防止汽車行駛在壞路面上時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊，要求懸架要有足夠大的動(dòng)撓度。對(duì)乘用車，取79cm; 對(duì)客車，取58cm；對(duì)貨
15、車，取69cm。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(duì)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(dāng)懸架變形f與所受垂直外力F之間呈固定比例變化時(shí)，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特性，此時(shí)懸架剛度為常數(shù)。當(dāng)懸架變形f與所受垂直外力F之間不呈固定比例變化時(shí)，彈性特性如圖3-1所示。此時(shí)，懸架剛度是變化的，其特點(diǎn)是在滿載位置(圖中點(diǎn)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(yuǎn)的兩端，曲線變陡，剛度增大。這樣可在有限的動(dòng)撓度范圍內(nèi)，得到比線性懸架更多的動(dòng)容
16、量。懸架的動(dòng)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(dòng)容量越大，對(duì)緩沖塊擊穿的可能性越小?？蛰d與滿載時(shí)簧上質(zhì)量變化大的貨車和客車，為了減少振動(dòng)頻率和車身高度的變化，應(yīng)當(dāng)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(duì)車架的撞擊，減少轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的側(cè)傾與制動(dòng)時(shí)的前俯角和加速時(shí)的后仰角，也應(yīng)當(dāng)采用剛度可變的非線性懸架。鋼板彈簧非獨(dú)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彈簧彈性特性曲線第4章 彈性元件的計(jì)算4.1螺旋彈簧螺旋彈簧作為彈性元件，其廣泛應(yīng)用于獨(dú)立懸架，
17、特別是前輪獨(dú)立懸架。然而，在有些轎車的后輪非獨(dú)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(diǎn)：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(dǎo)向機(jī)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(yīng)具有足夠的韌性和塑性，以及良好的熱處理性。在
18、此初選彈簧材料為60Si2MnA。4.3彈簧參數(shù)的選擇一般對(duì)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(dòng)是相互獨(dú)立的。并用偏頻來表示各自的振動(dòng)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(jì)算空載剛度4.5計(jì)算滿載剛度4.6計(jì)算彈簧鋼絲直徑4.7螺旋彈簧校核第5章 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)要求對(duì)前輪獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求是：（1） 懸架上載荷變化時(shí)，保證輪距變化不超過，輪距變化大會(huì)引起輪胎早期磨損。（2） 懸架上載荷變化時(shí)，前輪定位參數(shù)要有合理的變化特性，車輪不應(yīng)產(chǎn)生縱向加
19、速度。（3） 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，應(yīng)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67，并使車輪與車身的側(cè)傾同向，增強(qiáng)不足轉(zhuǎn)向特性。（4） 加速時(shí)，應(yīng)使車身具有抗后仰作用；制動(dòng)時(shí)，應(yīng)使車身具有抗前俯作用。對(duì)后輪獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求是：（1） 懸架上載荷變化時(shí)，輪距無顯著變化。（2） 汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，應(yīng)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)還應(yīng)有足夠大的強(qiáng)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(dú)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(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的選擇方法，分析導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)前輪定位參數(shù)和輪距的變化。5.2導(dǎo)向機(jī)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
轎車前懸設(shè)計(jì)
