汽車(chē)扭力扭轉(zhuǎn)梁懸架設(shè)計(jì)

. 摘 要懸架是現(xiàn)代汽車(chē)上的重要總成之一，它把車(chē)架和車(chē)輪彈性地連接起來(lái)。它的主要作用是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的力和力矩，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)身的沖擊載荷，以保證汽車(chē)能平順地行駛。本論文主要對(duì)普通輕型轎車(chē)的扭轉(zhuǎn)梁式后懸架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了懸架的基本構(gòu)成，懸架對(duì)汽車(chē)平順性和操作穩(wěn)定性的影響，并對(duì)減振器和彈性元件進(jìn)行了計(jì)算和選型。為了闡述此懸架的設(shè)計(jì)過(guò)程，說(shuō)明書(shū)從設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析等方面對(duì)扭轉(zhuǎn)梁后懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)。并熟練掌握三維設(shè)計(jì)軟件CATIA的功能，能夠從中獲取相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，諸如硬點(diǎn)位置信息。熟練掌握動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS，通過(guò)以上獲取的尺寸參數(shù)和特性參數(shù)建立該車(chē)懸架分析模型,并對(duì)轎車(chē)的外傾角、前束角等進(jìn)行仿真分析。關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)梁懸架 設(shè)計(jì)計(jì)算 仿真分析 AbstractSuspension is one of the important assembly on the modern car, it makes the frame and the wheel connected elastically. Its main functions are to transfer the force and moment between the frame and wheel and moderate impact load to the car body caused by uneven road , which ensure the vehicle travel smoothly.The thesis is mainly to design the twist beam suspension of the ordinary and light car,introduce the basic content of suspension,and the influence of suspension on the vehicle ride comfort and the stability of operation.Meanwhile,it calculates and selects the shock absorber and elastic element.In order to tell the process of suspension design,this specification design the twist beam suspension from the aspects of calculation and simulation.Master the functionality of CATIA ,three-dimensional design software, and the ability to derive the appropriate design parameters, such as the hard-point location information. Proficiency in dynamic analysis software ADAMS, obtained through the above parameters established dimensions and characteristics of the vehicle suspension model. And then simulate and analyse the camber angle, toe angle, and so on.Key words: Twist beam suspension Design and calculation Simulation .目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 懸架的重要性11.2 懸架的功能11.3 懸架的設(shè)計(jì)要求21.4懸架系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域2第2章 汽車(chē)懸架概述32.1懸架基本概念32.1.1懸架概念32.1.2懸架基本組成32.1.3傳力構(gòu)件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)32.1.4橫向穩(wěn)定器42.2懸架設(shè)計(jì)要求4第3章 懸架對(duì)汽車(chē)主要性能的影響53.1懸架對(duì)汽車(chē)平順性的影響53.1.1懸架彈性特性對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響63.1.2懸架系統(tǒng)中的阻尼對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響83.1.3非簧載質(zhì)量對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響93.1.4改善平順性的主要措施93.2懸架與汽車(chē)操縱穩(wěn)定性103.2.1 汽車(chē)的側(cè)傾103.2.2側(cè)傾時(shí)垂直載荷對(duì)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響123.3懸架特性143.4懸架彈性特性14第4章 懸架主要參數(shù)的確定154.1懸架靜撓度154.2懸架的動(dòng)撓度164.3懸架剛度計(jì)算174.4懸架主要分析參數(shù)174.4.1車(chē)輪外傾角174.4.2前束角174.4.3主銷(xiāo)后傾角174.4.4 主銷(xiāo)后傾拖距184.4.5 主銷(xiāo)內(nèi)傾角184.4.6側(cè)傾中心高度184.4.7 側(cè)傾外傾系數(shù)19第5章 懸架主要零件設(shè)計(jì)195.1螺旋彈簧的設(shè)計(jì)195.1.1螺旋彈簧的剛度195.1.2 計(jì)算彈簧鋼絲直徑d195.1.3 彈簧校核205.2減振器的設(shè)計(jì)215.2.1 相對(duì)阻尼系數(shù)的確定225.2.2 減振器阻尼系數(shù)的確定225.2.3 減振器最大卸荷力的確定235.2.4 減振器工作缸直徑D 的確定24第6章 多體動(dòng)力學(xué)及ADAMS256.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)綜述256.1.1多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)256.1.2 柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)266.2 多體動(dòng)力學(xué)在汽車(chē)研究中的應(yīng)用266.3 ADAMS軟件及其在懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)/彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中的應(yīng)用276.4 課題研究的主要內(nèi)容和意義29第7章 扭轉(zhuǎn)梁懸架模型的仿真307.1 懸架的建模原理307.2 懸架子系統(tǒng)的建立317.3懸架總成的建立337.4 車(chē)輪輪跳的懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析347.4.1設(shè)定參數(shù)357.4.2圖線分析38第8章 結(jié)論44參考文獻(xiàn)45附錄46致謝51.第1章 緒論1.1 懸架的重要性現(xiàn)代汽車(chē)除了保證其基本性能，即行駛性、轉(zhuǎn)向性和制動(dòng)性等之外，目前正致力于提高安全性與舒適性，向高附加價(jià)值、高性能和高質(zhì)量的方向發(fā)展。對(duì)此，尤其作為提高操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性的轎車(chē)懸架必須進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。舒適性是汽車(chē)最重要的使用性能之一。舒適性與車(chē)身的固有振動(dòng)特性有關(guān)，而車(chē)身的固有振動(dòng)特性又與懸架的特性相關(guān)。下圖為扭轉(zhuǎn)梁后懸架示意圖1.2 懸架的功能懸架的主要作用是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動(dòng)、保證乘員的舒適性、減小貨物和車(chē)輛本身的動(dòng)載荷。其主要任務(wù)是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架（或車(chē)身）之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車(chē)架（或車(chē)身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車(chē)的行駛平順性；保證車(chē)輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，使汽車(chē)獲得高速行駛能力。汽車(chē)在不平路面上行駛時(shí)，由于懸架的彈性作用，使汽車(chē)產(chǎn)生垂直振動(dòng)。為了迅速衰減這種振動(dòng)和抑制車(chē)身、車(chē)輪的共振，減小車(chē)輪的振幅，懸架應(yīng)裝有減振器，并使之具有合理的阻尼。利用減振器的阻尼作用，使汽車(chē)振動(dòng)的振幅連續(xù)減小，直至振動(dòng)停止。1.3 懸架的設(shè)計(jì)要求為了滿足汽車(chē)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，并盡可能低。前、后懸架固有頻率的匹配應(yīng)合理，對(duì)乘用車(chē)，要求前懸架固有頻率略低于后懸架的固有頻率，還要盡量避免懸架撞擊車(chē)架（或車(chē)身）。在簧上質(zhì)量變化的情況下，車(chē)身高度變化要小，因此，應(yīng)采用非線性彈性特性懸架。要正確地選擇懸架方案和參數(shù)，在車(chē)輪上、下跳動(dòng)時(shí)，使主銷(xiāo)定位角變化不大、車(chē)輪運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要協(xié)調(diào)，避免前輪擺振；汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)使之稍有不足轉(zhuǎn)向特性。懸架與汽車(chē)的多種使用性能有關(guān)，為滿足這些性能，對(duì)懸架提出的設(shè)計(jì)要求有：1）保證汽車(chē)有良好的行駛平順性。2）具有合適的衰減振動(dòng)的能力。3）保證汽車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性。4）汽車(chē)制動(dòng)或加速時(shí)，要保證車(chē)身穩(wěn)定，減少車(chē)身縱傾，轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)身側(cè)傾角要合適。5）有良好的隔聲能力。6）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸要小。7）可靠地傳遞車(chē)身與車(chē)輪之間的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命。1.4懸架系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域汽車(chē)懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要是為了提高汽車(chē)整車(chē)的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。汽車(chē)懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對(duì)汽車(chē)平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的懸架特性。前一部分主要是對(duì)懸架的彈性元件和阻尼元件特性展開(kāi)工作，主要是將路面、輪胎、非簧載質(zhì)量、懸架、簧載質(zhì)量作為一個(gè)整體進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激勵(lì)下，影響汽車(chē)平順性的彈性元件以及阻尼元件的力學(xué)特性，因此可以稱之為懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。后一部分主要是對(duì)懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，主要是研究在車(chē)輪與車(chē)身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如何引導(dǎo)和約束車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)、車(chē)輪定位及影響轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的一些懸架參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。這一部分的研究稱為懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究?？紤]了彈性襯套等連接件對(duì)懸架性能的影響，則懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)即為懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)。懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)是闡述由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車(chē)輪定位等主要懸架參數(shù)的變化特性。這樣懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究就包括了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面的內(nèi)容。第2章 汽車(chē)懸架概述懸架是汽車(chē)的車(chē)架與車(chē)橋或者車(chē)輪之間的一切傳力、連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的力和力矩，并且緩沖衰減由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架或車(chē)身的沖擊，以保證汽車(chē)能平順行駛。2.1懸架基本概念2.1.1懸架概念 保證車(chē)輪或車(chē)橋與汽車(chē)承載系統(tǒng)(車(chē)架或承載式車(chē)身)之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車(chē)行駛中的車(chē)身位置等有關(guān)裝置的總稱。 2.1.2懸架基本組成懸架主要由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器組成，有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。彈性元件受沖擊后會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，使乘坐不適，因此，設(shè)有減振器將振動(dòng)迅速衰減，使振幅迅速減小。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用來(lái)確定車(chē)輪相對(duì)于車(chē)架或車(chē)身的運(yùn)動(dòng)，傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。為減少車(chē)軸對(duì)車(chē)架或車(chē)身的直接沖撞，一些汽車(chē)懸架上裝有緩沖塊，起限制移動(dòng)行程。橫向穩(wěn)定桿的作用是減少轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)身的側(cè)傾，并提高輪胎對(duì)地面的附著力。2.1.3傳力構(gòu)件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)車(chē)輪相對(duì)于車(chē)架和車(chē)身跳動(dòng)時(shí)，車(chē)輪（特別是轉(zhuǎn)向輪）的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)符合一定的要求，否則對(duì)汽車(chē)某些行駛性能（特別是操縱穩(wěn)定性）有不利的影響。因此，懸架中某些傳力構(gòu)件同時(shí)還承擔(dān)著使車(chē)輪按一定軌跡相對(duì)于車(chē)架和車(chē)身跳動(dòng)的任務(wù)，因而這些傳力構(gòu)件還起導(dǎo)向作用，故稱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。對(duì)前輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求（1）懸架上載荷變化時(shí)，保證輪距變化不超過(guò)+4.0mm，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(chē)輪不應(yīng)產(chǎn)生縱向加速度；（3）汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，應(yīng)使車(chē)身側(cè)傾角小。在0.4g側(cè)向加速度作用下，車(chē)身側(cè)傾角6-7度。并使車(chē)輪與車(chē)身的傾斜同向，以增強(qiáng)不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。（4）制動(dòng)時(shí)，應(yīng)使車(chē)身有抗前俯作用；加速時(shí)，有抗后仰作用。（5）具有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命，可靠地傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。2.1.4橫向穩(wěn)定器在多數(shù)的轎車(chē)和客車(chē)上，為防止車(chē)身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜，在懸架中還設(shè)有輔助彈性元件橫向穩(wěn)定器。橫向穩(wěn)定器實(shí)際是一根近似U型的桿件，兩個(gè)端頭與車(chē)輪剛性連接，用來(lái)防止車(chē)身產(chǎn)生過(guò)大側(cè)傾。其原理是當(dāng)一側(cè)車(chē)輪相對(duì)車(chē)身位移比另外一側(cè)位移大時(shí)，穩(wěn)定桿承受扭矩，由其自身剛性限制這種傾斜，特別是前輪，可有效防止因一側(cè)車(chē)輪遇障礙物時(shí)，限制該側(cè)車(chē)輪跳動(dòng)幅度。2.2懸架設(shè)計(jì)要求如前所述，汽車(chē)懸架和簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，該振動(dòng)系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車(chē)的行駛平順性，并進(jìn)一步影響到汽車(chē)的行駛車(chē)速、燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。該振動(dòng)系統(tǒng)也決定了汽車(chē)承載系和行駛系許多零部件的動(dòng)載，并進(jìn)而影響到這些零件的使用壽命。此外，懸架對(duì)整車(chē)操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計(jì)懸架時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面的要求： 1 通過(guò)合理設(shè)計(jì)懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車(chē)具有良好的行駛平順性，具有較低的振動(dòng)頻率、較小的振動(dòng)加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點(diǎn)發(fā)生硬沖擊，同時(shí)還要保證輪胎具有足夠的接地能力； 2 合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保車(chē)輪與車(chē)架或車(chē)身之間力和力矩可靠傳遞。 3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，否則可能引起轉(zhuǎn)向輪擺振；4 側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車(chē)制動(dòng)和加速時(shí)能保持車(chē)身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車(chē)在制動(dòng)和加速時(shí)的車(chē)身縱傾(即所謂“點(diǎn)頭”和“后仰”)；5 懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量??； 6 便于布置7 所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命； 8 制造成本低； 9 便于維修、保養(yǎng)。懸架設(shè)計(jì)可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，有時(shí)還要反復(fù)交叉進(jìn)行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車(chē)特性，并且涉及其他總成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。 第3章 懸架對(duì)汽車(chē)主要性能的影響懸架型式、導(dǎo)向桿系的布置以及懸架參數(shù)的選擇等對(duì)汽車(chē)性能的影響，并不是孤立的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。為此從不同角度去分析汽車(chē)各種性能的影響。3.1懸架對(duì)汽車(chē)平順性的影響良好的汽車(chē)行駛平順性不僅能保證乘員的舒適與所運(yùn)貨物的完整無(wú)損，而且還可以提高汽車(chē)的運(yùn)輸生產(chǎn)率、降低燃油消耗、延長(zhǎng)零件的使用壽命及提高零件的工作可靠性等。目前主要參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)平順性，它把乘員承受的疲勞-降低工效界限表示為振動(dòng)加速度均方根值隨頻率變化的函數(shù)。對(duì)垂直振動(dòng)而言，人體對(duì)48Hz的振動(dòng)最敏感，所以這一頻帶的界限值最低。為使人體承受的振動(dòng)不超過(guò)規(guī)定的界限值，主要靠懸架來(lái)降低車(chē)身振動(dòng)加速度均方根值。在一定隨機(jī)路面不平度的輸入下，車(chē)身加速度的均方根值的大小，取決于車(chē)身加速度對(duì)路面不平度g的幅頻特性“/g”，與車(chē)身在懸架上振動(dòng)的固有頻率n、非周期性系數(shù)及非簧載質(zhì)量m的大小有關(guān)。從下圖可以看出，當(dāng)車(chē)身固有頻率越低曲線越低，車(chē)身加速度均方根值越小。圖3-1 幅頻特性曲線3.1.1懸架彈性特性對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響1車(chē)身固有振動(dòng)頻率若不考慮輪胎和減震器的影響，則車(chē)身固有頻率 = Hz (3-1)式中 固有角振動(dòng)頻率，rad/s C懸架剛度，N/m M簧載質(zhì)量，kg由于在靜載荷作用下懸架的靜撓度= (3-2)則 = (3-3)當(dāng)以每秒振動(dòng)次數(shù)表示時(shí)， = Hz (3-4)式中靜撓度，cm。是指汽車(chē)滿載靜止時(shí)懸架上的載荷F與此時(shí)的懸架剛度c之比。從上述公式中可見(jiàn)，車(chē)身振動(dòng)的固有頻率由簧載質(zhì)量M、懸架剛度c或由懸架靜撓度決定。由試驗(yàn)得知，為了保持汽車(chē)具有良好的平順性，車(chē)身振動(dòng)的固有頻率應(yīng)接近人體所習(xí)慣的步行時(shí)的身體上、下運(yùn)動(dòng)的頻率11.4Hz(6085次/min)，振動(dòng)的加速度的極限允許值為0.30.4g。從保持所運(yùn)貨物完整性的觀點(diǎn)出發(fā)，車(chē)身振動(dòng)加速度也不能過(guò)大，如果車(chē)身加速度達(dá)到1g，則未經(jīng)固定的貨物可能離開(kāi)車(chē)廂底板。因此為保證所運(yùn)貨物完整無(wú)損，振動(dòng)加速度的極限值不應(yīng)超過(guò)0.60.7g。懸架的動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開(kāi)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12或23)時(shí)，車(chē)輪中心相對(duì)車(chē)架(或車(chē)身)的垂直位移。從圖3-1可知，車(chē)身固有頻率低于3Hz就可以保證人體最敏感的48Hz處于減震區(qū)。值越低，車(chē)身加速度的均方根值越小。但在懸架設(shè)計(jì)時(shí)，值不能選得太低，這主要是值降低，懸架的動(dòng)撓度就增大，在布置上若不能保證足夠大小的限位行程，就會(huì)使限位塊撞擊的概率增加。另外，值選得過(guò)低，懸架設(shè)計(jì)不選取一定措施，就會(huì)增大制動(dòng)“點(diǎn)頭“角和轉(zhuǎn)彎側(cè)傾角，使空、滿載是車(chē)身高度的變化過(guò)大。各種車(chē)型車(chē)身固有頻率的實(shí)用范圍為：貨車(chē)1.52Hz；旅行客車(chē)1.21.8Hz；高級(jí)轎車(chē)11.3Hz。 2 彈性特性 在懸架設(shè)計(jì)中，通常把力和變形的關(guān)系的關(guān)系曲線，即車(chē)輪受到的垂直外力與由此所引起的車(chē)輪中心相對(duì)于車(chē)身位移的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈性特性曲線，曲線的斜率為懸架的剛度。a、線性彈性特性線性彈性特性，即懸架變形與所受載荷成比例地變化。其剛度G是常數(shù)。一般鋼板彈簧懸架即屬此類(lèi)。具有線性彈性特性的汽車(chē)，在使用中其車(chē)身振動(dòng)的固有頻率將隨裝載的多少而改變，尤其是后懸架載荷變化很大的貨車(chē)和大客車(chē)，這種變化會(huì)使汽車(chē)前后懸架的頻率相差過(guò)大，結(jié)果導(dǎo)致汽車(chē)車(chē)身的猛烈顛簸(縱向角振動(dòng))，因而使汽車(chē)行駛平順性變壞。圖3-2 彈性特性曲線a線性彈性彈性 b非線性彈性特性b、非線性彈性特性非線性彈性特性的懸架，即懸架的剛度可隨載荷的改變而變化，也稱變剛度懸架。由于剛度c隨載荷而改變，可以使得在載荷變化時(shí)，保持車(chē)身振動(dòng)的固有頻率不變，從而獲得良好的汽車(chē)行駛平順性。這時(shí)，在曲線上任意點(diǎn)M，必須滿足P=f=常數(shù) (3-5)式中 P特性曲線上任意點(diǎn)M的載荷； 任意點(diǎn)M的懸架剛度；f求剛度時(shí)的次切矩(不是懸架從原點(diǎn)的變形)，也有人稱f為懸架的折算靜撓度； 在靜載荷時(shí)，為汽車(chē)獲得較為良好平順性所要求的懸架靜撓度。因?yàn)?= (3-6)可將上式改寫(xiě)成 = (3-7)積分得 ln P=+A (3-8)因?yàn)楫?dāng)f=時(shí)，P=所以 A= ln-1 (3-9)因此 P=這就是說(shuō)不管載荷如何變，為保持車(chē)身固有頻率不變，當(dāng)載荷P等于大于時(shí)，懸架的特性應(yīng)該是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化。然而，這種較為理想的彈性特性的懸架是難于實(shí)現(xiàn)的。目前，在懸架設(shè)計(jì)中，只不過(guò)是力求減小固有頻率隨載荷而變化的幅度(或范圍)，從而不同程度地改善汽車(chē)行駛平順性。非線性的懸架撣性特性可以采用適當(dāng)?shù)膽壹芙Y(jié)構(gòu)(導(dǎo)向機(jī)構(gòu))或彈性元件(如加輔助彈簧、調(diào)節(jié)彈簧、空氣彈簧等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.1.2懸架系統(tǒng)中的阻尼對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響減震器起衰減振動(dòng)的作用，對(duì)汽車(chē)平順性有影響，其主要參數(shù)為阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)的選取要根據(jù)具體汽車(chē)的型號(hào)來(lái)選取。下圖是減振器阻尼對(duì)車(chē)身振動(dòng)衰減的曲線示圖圖3-3 減震器阻尼對(duì)振動(dòng)的衰減作用a振動(dòng)完全沒(méi)有衰減的曲線，車(chē)身按懸架的固有振動(dòng)頻率不斷振動(dòng)；b有衰減的情況，車(chē)身振動(dòng)的振幅逐漸減小。c減振器的衰減能力很強(qiáng)的情況，車(chē)身沒(méi)有振動(dòng)，車(chē)身的位移很快恢復(fù)到原位。為了衰減車(chē)身由路面反饋來(lái)的自由振動(dòng)和抑制車(chē)身、車(chē)輪、車(chē)架等的共振，以減小車(chē)身的垂直振動(dòng)所引起的加速度和車(chē)輪垂直方向振動(dòng)的振幅(減小車(chē)輪對(duì)地面壓力的變化，防止車(chē)輪過(guò)于跳離地面)，懸架系統(tǒng)中應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖枘?。?dāng)增大時(shí)，動(dòng)撓度的幅頻特性/在高、低兩個(gè)共振區(qū)幅值均顯著下降，在兩個(gè)共振區(qū)幅值之間變化很小。隨阻尼比增大，在低頻共振區(qū)幅頻特性/峰值下降，車(chē)身加速度均方根值，提高平順性。下圖示出了車(chē)身加速度、車(chē)輪相對(duì)動(dòng)載荷和彈簧行程與阻尼比(相對(duì)阻尼系數(shù))之間的關(guān)系。圖3-5 、和(Z-)與阻尼比的關(guān)系圖中曲線走向表示，只是彈簧行程(Z-)曲線是隨阻尼比單調(diào)變化，阻尼比愈大，所要求的彈簧行程愈小，相反，對(duì)于車(chē)身加速度和車(chē)輪動(dòng)載而言，可找到一個(gè)最佳阻尼比值。然面對(duì)車(chē)身加速度和車(chē)輪動(dòng)載的最佳阻尼比值也是不同的，前者為0.18，后者為0.4以上，故設(shè)計(jì)人員只能從中采取拆衷方案。3.1.3非簧載質(zhì)量對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響由懸架支承的部件、總成等稱為簧載質(zhì)量(或懸掛質(zhì)量)，不是由懸架支承的部分稱為非簧載質(zhì)量(或非懸掛質(zhì)量)。減小非懸掛質(zhì)量，使懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量的比值較大，可以減小高頻共振區(qū)車(chē)身振動(dòng)加速度和減少車(chē)輪離開(kāi)地面的機(jī)率。因此，在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，為提高汽車(chē)行駛平順性，采用非簧載質(zhì)量較小的獨(dú)立是架更為有利。3.1.4改善平順性的主要措施(1) 增大懸架靜撓度(降低固有頻率)。使其頻率接近人體所習(xí)慣的步行時(shí)的身體上、下運(yùn)動(dòng)的頻率。(2) 盡量減少非簧載質(zhì)量。由頻率公式得到減少非簧載質(zhì)量，進(jìn)而增大了簧載質(zhì)量，同樣有降低汽車(chē)固有頻率的效果，從而也有使頻率接近人體習(xí)慣的運(yùn)動(dòng)頻率。(3)配合適當(dāng)?shù)淖枘岷拖尬恍谐獭Ｍㄟ^(guò)減震器來(lái)吸收路面?zhèn)鞯杰?chē)上的振動(dòng)能量，使汽車(chē)振動(dòng)得到衰減。3.2懸架與汽車(chē)操縱穩(wěn)定性所謂的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性，是指汽車(chē)能正確地按照駕駛員通過(guò)操縱轉(zhuǎn)向系所確定的方向行駛，且在外力干擾下，能保持穩(wěn)定或經(jīng)過(guò)干擾后在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)工況的性能。影響操縱穩(wěn)定性的主要參數(shù)是車(chē)輪偏離角、前輪定位角、導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。當(dāng)汽車(chē)曲線行駛時(shí)，在離心力的作用下，由于輪胎的橫向彈性和前、后懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)特性，一般會(huì)使轉(zhuǎn)彎半徑發(fā)生變化。在離心力的作用下，使轉(zhuǎn)彎半徑變大的特性稱為不足轉(zhuǎn)向，反之，稱為過(guò)度轉(zhuǎn)向。3.2.1 汽車(chē)的側(cè)傾1 車(chē)身側(cè)傾軸線車(chē)身相對(duì)地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)軸線稱為車(chē)身側(cè)傾軸線。該軸線通過(guò)車(chē)身在前、后軸處橫斷面上的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，這兩個(gè)瞬時(shí)中心稱為側(cè)傾中心。側(cè)傾中心到地面的距離稱為側(cè)傾中心高度。側(cè)傾中心位置高，它到車(chē)身質(zhì)心的距離縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，車(chē)身的側(cè)傾角也會(huì)減小。但側(cè)傾中心過(guò)高會(huì)使車(chē)身傾斜時(shí)輪距變化大，加速輪胎的磨損。2 懸架的側(cè)傾角剛度懸架的側(cè)傾角剛度是指?jìng)?cè)傾時(shí)(車(chē)輪保持在地面上)，單位車(chē)身轉(zhuǎn)角時(shí)，懸架系統(tǒng)給車(chē)身總的彈性恢復(fù)力偶矩。若令T為懸架系統(tǒng)作用于車(chē)身的總彈性恢復(fù)力偶矩，為車(chē)身轉(zhuǎn)角，則懸架的側(cè)傾角剛度為=可以通過(guò)懸架的線剛度來(lái)計(jì)算側(cè)傾角剛度。(1) 懸架的線剛度懸架的線剛度指的是車(chē)輪保持在地面上,車(chē)身作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位車(chē)身位移時(shí)，懸架系統(tǒng)給車(chē)身的總彈性恢復(fù)力。a 非獨(dú)立懸架 具有非獨(dú)立懸架的汽車(chē)車(chē)身作垂直位移時(shí)所受到的彈性恢復(fù)力，就是彈簧直接作用于車(chē)身的彈性力。所以，懸架的線剛度就等于兩個(gè)彈簧線剛度之和。若一個(gè)彈簧的線剛度為 ks,則懸架的線剛度為 ：K=2ks (3-10) 圖3-6非獨(dú)立懸架b 獨(dú)立懸架具有獨(dú)立懸架的汽車(chē)車(chē)身作垂直位移時(shí)，在垂直方向上車(chē)身受到的隨位移而變的力包括兩部分：彈簧直接作用于車(chē)身的彈性力在垂直方向的分量和導(dǎo)向桿系約束反力在垂直方向的分量。若能求出車(chē)身作垂直位移時(shí)地面作用于輪胎的反作用力，就可以求出懸架的線剛度。即： (3-11)(2) 懸架的側(cè)傾角剛度車(chē)身側(cè)傾時(shí)受到懸架的彈性恢復(fù)力偶矩，可以用等效彈簧的概念來(lái)進(jìn)行分析。車(chē)身上一側(cè)受到的彈性恢復(fù)力，相當(dāng)于一個(gè)上端固定于車(chē)身，下端固定于輪胎接地點(diǎn)且垂直于地面，具有懸架線剛度的螺旋彈簧施加于車(chē)身的彈性力。這個(gè)相當(dāng)?shù)膹椈煞Q為等效彈簧。 圖3-7等效彈簧參照上圖3-7，當(dāng)車(chē)廂發(fā)生小側(cè)傾角d時(shí)，等效彈簧的變形量為d,故車(chē)廂受到的彈性恢復(fù)力偶矩為dT=d懸架側(cè)傾角剛度為 = (3-12)式中 一側(cè)懸架的線剛度；B為輪距。若已知懸架的線剛度，即可算出該懸架的側(cè)傾角剛度。例如，單橫臂獨(dú)立 懸架的側(cè)傾角剛度為 = (3-13)應(yīng)該指出，上面的計(jì)算只適用于小傾角，而且在分析中沒(méi)有考慮導(dǎo)向桿系中鉸接點(diǎn)處彈性村套的影響。實(shí)際轎車(chē)的前側(cè)傾角剛度為300-1200Nm（0），后側(cè)傾角剛度為180-700Nm（0）3.2.2側(cè)傾時(shí)垂直載荷對(duì)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響在正常工作狀態(tài)下，汽車(chē)左、有車(chē)輪的垂直載荷大體上是相等的。但曲線行駛時(shí)，由于側(cè)傾力矩的作用，作用在前、后軸左、右車(chē)輪上的垂直反力，將是靜止?fàn)顟B(tài)下的垂直反力及由側(cè)傾引起的垂直反力變動(dòng)量之和。這將使車(chē)輪垂直載荷在左、右車(chē)輪上是不相等（外側(cè)車(chē)輪是增加垂直反力的，而在內(nèi)側(cè)車(chē)輪則是減少垂直反力的），將影響輪胎的側(cè)偏特性，導(dǎo)致汽車(chē)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)發(fā)生變化。有的汽車(chē)甚至?xí)牟蛔戕D(zhuǎn)向變?yōu)檫^(guò)多轉(zhuǎn)向。垂直載荷的變化對(duì)輪胎側(cè)偏特性有顯著影響。如下圖3-8所示：圖3-8垂直載荷對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響垂直載荷增大后，側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；但垂直載荷過(guò)大時(shí)，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得極不均勻，使輪胎側(cè)偏剛度反而有所減小。無(wú)側(cè)向力作用時(shí)，令為車(chē)軸左、右車(chē)輪的垂直載荷，為每個(gè)車(chē)輪的側(cè)偏剛度有側(cè)向力作用時(shí)，設(shè)左、右車(chē)輪垂直載荷沒(méi)有發(fā)生變化，則相應(yīng)的側(cè)偏角為= (3-14)實(shí)際上，在側(cè)向力作用下，左、右車(chē)輪垂直載荷均發(fā)生變化。內(nèi)側(cè)車(chē)輪減少W，外側(cè)車(chē)輪增加W，兩個(gè)車(chē)輪的側(cè)偏剛度隨之變?yōu)?、。由于左、右?chē)輪的側(cè)偏角相等，故有 =+ (3-15)或 = (3-16)若令=，為垂直載荷重新分配后每個(gè)車(chē)輪的平均側(cè)偏剛度，則兩個(gè)車(chē)輪的側(cè)偏角為= (3-17)垂直載荷W側(cè)偏剛度K由上圖3-9可知，平均側(cè)偏剛度即為梯形abcd中線ef的高度。顯然>，即>。進(jìn)一步分析可知，左、右車(chē)輪垂直載荷差別越大，平均側(cè)偏剛度越小。由此可知，在側(cè)向力作用下，若汽車(chē)前軸左、右車(chē)輪垂直載荷變動(dòng)量較大，汽車(chē)趨向于增加不足轉(zhuǎn)向量；若后鈾左、右車(chē)輪垂直載荷變動(dòng)量較大，汽車(chē)趨于減少不足轉(zhuǎn)向量一般應(yīng)使汽車(chē)有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。汽車(chē)前軸及后軸左、右車(chē)輪載荷變動(dòng)量決定于：前、后懸架的側(cè)傾角剛度、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、質(zhì)心位置以及前、后懸架側(cè)傾中心位置等一系列參數(shù)的數(shù)值。3.3懸架特性懸架系統(tǒng)是底盤(pán)的靈魂，也是汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的靈魂，要研究操穩(wěn)必須研究懸架。K代表英文Kinematics,即不考慮力和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，而只限懸架連桿有關(guān)的車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。C代表英文Compliance,也就是由于施加力導(dǎo)致的變形，跟懸架系統(tǒng)的彈簧、橡膠襯套以及零部件的變形有關(guān)的車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。懸架系統(tǒng)試驗(yàn)就是在臺(tái)架上模擬道路 激勵(lì)導(dǎo)致的懸架運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)仿真 技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以運(yùn)用軟件對(duì)懸架系統(tǒng) 架必須研究其特性。試驗(yàn)主要分六個(gè)方面：垂直加 載試驗(yàn)、側(cè)傾試驗(yàn)、側(cè)向力試驗(yàn)、回正力矩試驗(yàn)、縱向力加載試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向幾何特性試驗(yàn)。 國(guó)內(nèi)關(guān)于懸架的研究非常多，從被動(dòng)懸架到主動(dòng)懸架，從仿真計(jì)算到數(shù)值模擬，從麥弗遜懸架到多連桿懸架，無(wú)所不有無(wú)所不包，但都沒(méi)有回答一個(gè)問(wèn)題，那就是怎樣評(píng)價(jià)懸架。通過(guò)特性的研究，可以起到如下作用：（）整車(chē)前期開(kāi)發(fā)階段懸架系統(tǒng)的架構(gòu)； （）在虛擬評(píng)審階段驗(yàn)證懸架和整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型；（）在逆向設(shè)計(jì)和對(duì)比車(chē)型的研究中，進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型調(diào)查研究；（）在樣車(chē)試制的各個(gè)不同階段，支持底盤(pán)調(diào)試工作。3.4懸架彈性特性 懸架受到的垂直外力F與由此所引起的車(chē)輪中心相對(duì)于車(chē)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)，彈性特性如下圖所示。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。 空載與滿載時(shí)簧上質(zhì)量變化大的貨車(chē)和客車(chē)，為了減少振動(dòng)頻率和車(chē)身高度的變化，應(yīng)當(dāng)選用剛度可變的非線性懸架。轎車(chē)簧上質(zhì)量在使用中雖然變化不大，但為了減少車(chē)軸對(duì)車(chē)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。第4章 懸架主要參數(shù)的確定4.1懸架靜撓度 懸架靜撓度 ，是指汽車(chē)滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度c之比， 即 =c。 汽車(chē)前、后懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車(chē)行駛平順性的主要參數(shù)之一。因現(xiàn)代汽車(chē)的質(zhì)量分配系數(shù)近似等于1，于是汽車(chē)前、后軸上方車(chē)身兩點(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。因此，汽車(chē)前、后部分的車(chē)身的固有頻率n1和n2(亦稱偏頻)可用下式表示 （4-1）式中，c1、c2為前、后懸架的剛度(Ncm)；m1、m2為前、后懸架的簧上質(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 （4-2）式中，g為重力加速度 將（4-2）代入（4-1）得 （4-3）分析上式可知：懸架的靜撓度 直接影響車(chē)身振動(dòng)的偏頻n。因此，欲保證汽車(chē)有良好的行駛平順性，必須正確選取懸架的靜撓度。 在選取前、后懸架的靜撓度值 和 時(shí)，應(yīng)當(dāng)使之接近，并希望后懸架的靜撓度比前懸架的靜撓度 小些，這有利于防止車(chē)身產(chǎn)生較大的縱向角振動(dòng)。理論分析證明：若汽車(chē)以較高車(chē)速駛過(guò)單個(gè)路障，<1時(shí)的車(chē)身縱向角振動(dòng)要比n1/n2>1時(shí)小，故推薦取 =(0809) 。考慮到貨車(chē)前、后軸荷的差別和駕駛員的乘坐舒適性，取前懸架的靜撓度值大于后懸架的靜撓度值，推薦 =(0608) 。為了改善微型轎車(chē)后排乘客的乘坐舒適性，有時(shí)取后懸架的偏頻低于前懸架的偏頻。 用途不同的汽車(chē)，對(duì)平順性要求不一樣。以運(yùn)送人為主的轎車(chē)對(duì)平順性的要求最高，大客車(chē)次之，載貨車(chē)更次之。對(duì)普通級(jí)以下轎車(chē)滿載的情況，前懸架偏頻要求在100145Hz，后懸架則要求在117158Hz。原則上轎車(chē)的級(jí)別越高，懸架的偏頻越小。對(duì)高級(jí)轎車(chē)滿載的情況，前懸架偏頻要求在080115Hz，后懸架則要求在098130Hz。貨車(chē)滿載時(shí)，前懸架偏頻要求在150210Hz，而后懸架則要求在170217Hz。選定偏頻以后，再利用式（4-3）即可計(jì)算出懸架的靜撓度。 現(xiàn)取n=1.3，于是可以得出，后懸架靜撓度=147.93mm4.2懸架的動(dòng)撓度 懸架的動(dòng)撓度 是指從滿載靜平衡位置開(kāi)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12或23)時(shí)，車(chē)輪中心相對(duì)車(chē)架(或車(chē)身)的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)轎車(chē)， 取79cm；對(duì)大客車(chē), 取58cm；對(duì)貨車(chē)， 取69cm。又由于懸架動(dòng)撓度：=（0.50.7）取=0.5=0.5147.9373.97mm為了得到良好的平順性，因當(dāng)采用較軟的懸架以降低偏頻，但軟的懸架在一定載荷下其變形量也大，對(duì)于一般轎車(chē)而言，懸架總工作行程（靜擾度與動(dòng)擾度之和）應(yīng)當(dāng)不小于160mm。而=147.93+73.97221.90mm>160mm 符合要求4.3懸架剛度計(jì)算已知：已知整車(chē)裝備質(zhì)量：m =1109kg，取簧上質(zhì)量為1270kg；軸荷分配：前軸軸荷765Kg，后軸軸荷719Kg?？蛰d后軸單輪軸荷為48%： =266kg滿載后軸單輪軸荷為48%：懸架滿載剛度：= （減震器安裝角度15 ）空載剛度=4.4懸架主要分析參數(shù)4.4.1車(chē)輪外傾角后輪外傾角示意圖見(jiàn)圖4.1所示。 車(chē)輪外傾角是車(chē)輪平面與車(chē)輛坐標(biāo)軸的垂直軸Z軸的交角，當(dāng)車(chē)輪的上部向外傾斜時(shí)車(chē)輪外傾角為正。 4.4.2前束角前束角的示意圖見(jiàn)圖4.2所示。 前束角是車(chē)輛的縱向軸與車(chē)輪平面在車(chē)輛XOY面上投影線的夾角，用弧度表示。并且當(dāng)車(chē)輪前方向縱向軸轉(zhuǎn)時(shí)為正。 4.4.3主銷(xiāo)后傾角主銷(xiāo)后傾角示意圖見(jiàn)圖4.3所示。 主銷(xiāo)后傾角是指在車(chē)輛的側(cè)面（車(chē)輛的XOZ平面）內(nèi)主銷(xiāo)與車(chē)輛Z軸的交角，并且當(dāng)主銷(xiāo)向上、向后傾斜時(shí)為正。 圖4.1車(chē)輪外傾角 圖4.2 前束角 圖4.3 主銷(xiāo)后傾角 圖4.4 主銷(xiāo)后傾拖距 4.4.4 主銷(xiāo)后傾拖距主銷(xiāo)后傾拖距示意圖見(jiàn)圖4.4所示。 主銷(xiāo)后傾拖距，是指沿著輪胎平面與道路平面的交線，從主銷(xiāo)與道 路平面的交點(diǎn)到輪胎接地中心處的距離。當(dāng)主銷(xiāo)與道路平面的交點(diǎn)在輪胎接地印跡的中心的前方時(shí)為正。 4.4.5 主銷(xiāo)內(nèi)傾角主銷(xiāo)內(nèi)傾角示意圖見(jiàn)圖4.5所示。 主銷(xiāo)內(nèi)傾角是在車(chē)輛橫向平面內(nèi)主銷(xiāo)與車(chē)輛Z軸的交角，并且當(dāng)主銷(xiāo)向上、向內(nèi)傾斜時(shí)為正。圖4.5 主銷(xiāo)內(nèi)傾角 圖4.6 側(cè)傾中心高度 4.4.6側(cè)傾中心高度側(cè)傾中心高度示意圖見(jiàn)圖4.6所示。 側(cè)傾中心是通過(guò)懸架連桿作用于車(chē)身上的側(cè)向力與垂直力的合力矩為零的車(chē)身上的那一點(diǎn)。通過(guò)在輪胎接觸處施加垂直于道路的單位垂直力，測(cè)量最終在輪胎接觸處的垂直方向與側(cè)向方向位移。延長(zhǎng)垂直于左右輪輪胎接觸處位移的兩條直線，交點(diǎn)即為側(cè)傾中心。 4.4.7 側(cè)傾外傾系數(shù)側(cè)傾外傾系數(shù)示意圖見(jiàn)圖4.7所示。 圖4.7側(cè)傾外傾系數(shù) 側(cè)傾外傾系數(shù)是車(chē)輪外傾角相對(duì)于汽車(chē)側(cè)傾角的變化率。當(dāng)每增加一度的車(chē)輛側(cè)傾角時(shí)車(chē)輪外傾角增加，則側(cè)傾外傾系數(shù)為正。 第5章 懸架主要零件設(shè)計(jì)5.1螺旋彈簧的設(shè)計(jì)5.1.1螺旋彈簧的剛度由于存在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的關(guān)系，懸架剛度C與彈簧剛度是不相等的，其區(qū)別在于懸架剛度C是指車(chē)輪處單位撓度所需的力；而彈簧剛度僅指彈簧本身單位撓度所需的力。5.1.2 計(jì)算彈簧鋼絲直徑d根據(jù)下面的公式可以計(jì)算： 式中 i彈簧有效工作圈數(shù)，先取8 G彈簧材料的剪切彈性模量，查表取Mpa 彈簧中徑，取100mm代入計(jì)算得：d=11.78mm計(jì)算結(jié)果圓整為鋼絲直徑d=12mm，彈簧外徑D=112mm，彈簧有效工作圈數(shù)n=8；5.1.3 彈簧校核 （1）彈簧剛度校核 彈簧剛度的計(jì)算公式為：代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得彈簧剛度為： N/mm所以彈簧選擇符合剛度要求。（2）彈簧表面剪切應(yīng)力校核彈簧在壓縮時(shí)其工作方式與扭桿類(lèi)似，都是靠材料的剪切變形吸收能量，彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力為： 式中 C彈簧指數(shù)（旋繞比）， 曲度系數(shù)，為考慮簧圈曲率對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù)， P彈簧軸向載荷已知=110mm，d=12mm，可以算出彈簧指數(shù)C和曲度系數(shù)： =100/12=8.33 P=N則彈簧表面的剪切應(yīng)力：Mpa查表可知=635 Mpa，因?yàn)?lt;，所以彈簧滿足要求。 綜上可以最終選定彈簧的參數(shù)為：彈簧鋼絲直徑d=12mm，彈簧外徑D=112mm，彈簧有效工作圈數(shù)n=8。5.2減振器的設(shè)計(jì)減振器的功能是吸收懸架垂直振動(dòng)的能量，并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動(dòng)迅速衰減。汽車(chē)懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力式減震器。其作用原理是，當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減震器中的活塞在缸筒內(nèi)業(yè)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，于是減震器殼體內(nèi)的油液反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)另一些狹小的孔隙流入另一個(gè)內(nèi)腔。此時(shí)，孔與油液見(jiàn)的摩擦力及液體分子內(nèi)摩擦便行程對(duì)振動(dòng)的阻尼力，使車(chē)身和車(chē)架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，被油液所吸收，然后散到大氣中。減振器大體上可以分為兩大類(lèi)，即摩擦式減振器和液力減振器。故名思義，摩擦式減振器利用兩個(gè)緊壓在一起的盤(pán)片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力提供阻尼。由于庫(kù)侖摩擦力隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高而減小，并且很易受油、水等的影響，無(wú)法滿足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價(jià)低、易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)代汽車(chē)上已不再采用這類(lèi)減振器。液力減振器首次出現(xiàn)于1901年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減減振器振器相比，搖臂式減振器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達(dá)75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式減振器的質(zhì)量?jī)H為擺臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長(zhǎng)，因而現(xiàn)代汽車(chē)幾乎都采用筒式減振器。筒式減振器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。雙筒式液力減振器雙筒式液力減振器的工作原理如圖1所示。其中A為工作腔，C為補(bǔ)償腔，兩腔之間通過(guò)閥系連通，當(dāng)汽車(chē)車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)活塞1在工作腔A中上下移動(dòng)，迫使減振器液流過(guò)相應(yīng)閥體上的阻尼孔，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?。?chē)輪向上跳動(dòng)即懸架壓縮時(shí)，活塞1向下運(yùn)動(dòng)，油液通過(guò)閥進(jìn)入工作腔上腔，但是由于活塞桿9占據(jù)了一部分體積，必須有部分油液流經(jīng)閥進(jìn)入補(bǔ)償腔C;當(dāng)車(chē)輪向下跳動(dòng)即懸架伸張時(shí)，活塞1向上運(yùn)動(dòng)，工作腔A中的壓力升高，油液經(jīng)閥流入下腔，提供大部分伸張阻尼力，還有一部分油液經(jīng)過(guò)活塞桿與導(dǎo)向座間的縫隙由回流孔6進(jìn)人補(bǔ)償腔，同樣由于活塞桿所占據(jù)的體積，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，必定有部分油液經(jīng)閥流入工作腔下腔。減振器工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量靠貯油缸筒3散發(fā)。減振器的工作溫度可高達(dá)120攝氏度，有時(shí)甚至可達(dá)200攝氏度。為了提供溫度升高后油液膨脹的空間，減振器的油液不能加得太滿，但一般在補(bǔ)償腔中油液高度應(yīng)達(dá)到缸筒長(zhǎng)度的一半，以防止低溫或減振器傾斜的情況下，在極限伸張位置時(shí)空氣經(jīng)油封7進(jìn)入補(bǔ)償腔甚至經(jīng)閥吸入工作腔，造成油液乳化，影響減振器的工作性能。雙筒式減振器工作原理圖1-活塞；2-工作缸筒；3-貯油缸筒；4-底閥座；5-導(dǎo)向座；6-回流孔活塞桿；7-油封；8-防塵罩；9-活塞桿5.2.1 相對(duì)阻尼系數(shù)的確定相對(duì)阻尼系數(shù)的物理意義是：減振器的阻尼作用在與不同剛度c和不同簧上質(zhì)量ms的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。值大，震動(dòng)能迅速衰減，同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳到車(chē)身；值小則反之。通常情況下，將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)Y 取得小些，伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù) S取得大些。兩者之間保持Y=（0.250.50） S的關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)，先選取Y 與S的平均值。相對(duì)無(wú)摩擦的彈性元件懸架，取 =0.250.35；對(duì)有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，值取的小些。為避免懸架碰撞車(chē)駕，取Y =0.5S。取=0.3，則有： 計(jì)算得：S=0.4，Y=0.25.2.2 減振器阻尼系數(shù)的確定減振器的阻尼系數(shù) 。因懸架系統(tǒng)固有頻率，所以理論上。實(shí)際上，應(yīng)根據(jù)減振器的布置特點(diǎn)確定減振器的阻尼系數(shù)。我選擇下圖的安裝形式，則其阻尼系數(shù) 為： 根據(jù)公式， 可得出： 代入數(shù)據(jù)得： =6.9Hz ，取a/b = 0.8 ，=10由之前數(shù)據(jù)知，簧上質(zhì)量=360Kg代入數(shù)據(jù)得減振器的阻尼系數(shù)為：5.2.3 減振器最大卸荷力的確定為減小傳到車(chē)身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器打開(kāi)卸荷閥。此時(shí)的活塞速度稱為卸荷速度 vx ，按上圖安裝形式時(shí)有：式中，為卸荷速度，一般為0.150.3m/s；A 為車(chē)身振幅，取40 mm；為懸架震動(dòng)固有頻率。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得卸荷速度為：v x=0.046.90.8cos10=0.22m/s符合 vx 在0.150.30 之間范圍要求。根據(jù)伸張行程最大卸荷力公式：F0 = 可以計(jì)算最大卸荷力。式中，c 是沖擊載荷系數(shù)，取c=1.5；代入數(shù)據(jù)可得最大卸荷力 F0 為：5.2.4 減振器工作缸直徑D 的確定根據(jù)伸張行程的最大卸荷力F 0計(jì)算工作缸直徑D 為：其中，p工作缸最大壓力，在3 MPa 4 MPa ，取p=3 MPa ； 連桿直徑與工作缸直徑比值， =0.40.5，取 =0.4。代入計(jì)算得工作缸直徑D 為：mm減振器的工作缸直徑D 有20mm、30mm、40mm、（45mm）、50mm、65mm 等幾種。選取時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)選用，按下表選擇。所以選擇工作缸直徑D=30mm的減振器，對(duì)照下表選擇其長(zhǎng)度：活塞形程S=240mm，基長(zhǎng)L=110mm，則：=L+S =240+110 =350mm（壓縮到底的長(zhǎng)度）= +S= 350 +240 =590mm （拉足的長(zhǎng)度）取貯油缸直徑Dc = 44mm ，壁厚取2mm。第6章 多體動(dòng)力學(xué)及ADAMS6.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)綜述多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與車(chē)輛設(shè)計(jì)、航天器控制、機(jī)器人學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域密切相關(guān)且起重要作用的新的力學(xué)分支。 隨著近幾十年來(lái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的高性能、高精確度的設(shè)計(jì)要求不斷的提升，加之高速度、高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算方法的成熟，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)已由早期的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展為多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。 6.1.1多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)以歐拉（L.Euler 1707-1783）為代表的經(jīng)典剛體動(dòng)力學(xué)發(fā)展至今已有二百多年了。兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，經(jīng)典剛體動(dòng)力學(xué)在天體運(yùn)動(dòng)研究、陀螺理論及簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)研究等方面，取得了眾多的成果。但由于現(xiàn)代工程技術(shù)中多數(shù)實(shí)際問(wèn)題的對(duì)象是由多個(gè)物體組成的復(fù)雜系統(tǒng)，要對(duì)他們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，僅靠古典的理論和方法已很難解決，迫切地需要發(fā)展新的理論來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。六十年代末至七十年代初，美國(guó)的R.E.羅伯森、T.R.凱恩，聯(lián)邦德國(guó)的J.維登伯格，前蘇聯(lián)的E.II.波波夫等人先后提出了各自的方法來(lái)解決這些復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。他們的方法雖各不相同，但有一個(gè)共同的特點(diǎn)，所推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型都適用于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模和計(jì)算。于是，將古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的力學(xué)新分支-多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)便誕生了。 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中有下述幾種研究方法：（1）圖論方法；（2）凱恩方法；（3）旋量方法；（4）最大數(shù)量坐標(biāo)法；（5）變分方法。 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)雖發(fā)展成許多方法體系，但他們的共同點(diǎn)是采用程式化的方法，利用計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)的分析與綜合問(wèn)題，由于建模、分析、綜合都是由計(jì)算機(jī)完成的，這給多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)：適用對(duì)象廣泛；可計(jì)算大位移運(yùn)動(dòng)；模型精度高。 6.1.2 柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)隨著工程技術(shù)的發(fā)展，許多機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械部件采用了更輕更柔的材料，而且有些部件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度很高；另外，為了緩和沖擊和振動(dòng)，在各構(gòu)件之間的連接部位也采用了大量的柔性材料，所以在研究多體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，這些柔性材料的影響越來(lái)越引起人們的關(guān)注。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)成為近十幾年來(lái)在應(yīng)用力學(xué)方面最活躍的領(lǐng)域之一。多柔體動(dòng)力學(xué)是多剛體動(dòng)力學(xué)的自然延伸，從計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度看，柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型首先應(yīng)該和多剛體系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)力學(xué)有一定的兼容性。當(dāng)系統(tǒng)中的柔性體變形可以不計(jì)時(shí)，即退化為多剛體系統(tǒng)。當(dāng)部件間的大范圍運(yùn)動(dòng)不存在時(shí)，即退化為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。其次，由于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)發(fā)展得相當(dāng)完善，導(dǎo)出的柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程中應(yīng)該充分利用該領(lǐng)域的成果與軟件的輸出信息。 柔性多體系統(tǒng)不存在連體基，通常選定一浮動(dòng)坐標(biāo)系描述物體的大范圍運(yùn)動(dòng)，物體的彈性變形將相對(duì)該坐標(biāo)系定義。根據(jù)上述建模觀點(diǎn)，彈性體相對(duì)于浮動(dòng)坐標(biāo)系的離散將采用有限單位元法與現(xiàn)代模態(tài)綜合分析方法。在用集中質(zhì)量有限單位元法或一致質(zhì)量有限單位元法處理彈性體時(shí)，用結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)描述彈性變形。在用正則模態(tài)或動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)等模態(tài)分析方法處理彈性體時(shí)，用模態(tài)坐標(biāo)來(lái)描述彈性變形。這就是萊肯斯首先提出的描述柔性多體系統(tǒng)的混合坐標(biāo)方法。在柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中也相應(yīng)提出兩種混合坐標(biāo)，即浮動(dòng)坐標(biāo)系的拉格朗日坐標(biāo)加彈性坐標(biāo)與浮動(dòng)坐標(biāo)系的笛卡爾坐標(biāo)加彈性坐標(biāo)。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力學(xué)方程是剛強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性方程，這種方程的求解目前只能通過(guò)計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法進(jìn)行。 6.2 多體動(dòng)力學(xué)在汽車(chē)研究中的應(yīng)用汽車(chē)本身是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，外界載荷的作用更加復(fù)雜，加上人車(chē)環(huán)境的相互作用，給汽車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究帶來(lái)了很大困難，由于理論方法和計(jì)算手段的限制，在過(guò)去不得不把模型進(jìn)行較多簡(jiǎn)化，以便使問(wèn)題能夠用古典力學(xué)的方法人工求解。這導(dǎo)致汽車(chē)許多重要特性無(wú)法得到較精確的定量分析。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使我們?cè)谔幚砩鲜鰡?wèn)題方面產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。 80年代初，不僅有許多通用多體軟件可以對(duì)汽車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，而且還有各種針對(duì)汽車(chē)某一類(lèi)問(wèn)題的專用軟件。研究的范圍從局部結(jié)構(gòu)到整車(chē)系統(tǒng)，涉及汽車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方方面面。國(guó)外各主要汽車(chē)廠家和研究機(jī)構(gòu)在其CAD系統(tǒng)中均安裝了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件并與有限元、模態(tài)分析、優(yōu)化等軟件一起構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。國(guó)內(nèi)從1987年開(kāi)始自行開(kāi)發(fā)了汽車(chē)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，在懸架分析和整車(chē)性能分析方面得到了成功的應(yīng)用。80年代后期人們開(kāi)始把柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和方法用于汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域，這標(biāo)志著汽車(chē)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)向新的層次發(fā)展。人們?cè)噲D用各種有效的方法將柔性體的離散效應(yīng)并入多體動(dòng)力學(xué)方程中進(jìn)行分析和求解，這些方法中既有探索直接建立和求解剛?cè)峄旌系亩囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的方法，也有采用現(xiàn)有的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件來(lái)近似對(duì)多柔體系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法。 國(guó)內(nèi)自80年代開(kāi)始，主要運(yùn)用由美國(guó)學(xué)者R.E.Roberson和聯(lián)邦德國(guó)學(xué)者J.Wittenburg提出的方法（簡(jiǎn)稱RW方法）進(jìn)行汽車(chē)懸架的空間運(yùn)動(dòng)分析。這種方法應(yīng)用圖論中的關(guān)聯(lián)矩陣和通路矩陣來(lái)描述